کشاورز ، روباه ، غاز ، پازل دانه: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:56

وقتی بچه بودم ، کتابی را که پدرانم بودند ، برداشتم ، به نام The Scientific American Book of Projects For The Amatoror Scientist. من هنوز کتاب را در دست دارم و درک من این است که این روزها کتاب سختی است. اما اکنون می توانید آن را به صورت آنلاین بخوانید. این کتاب به من خیلی چیزها را معرفی کرد ، اما فصلی که توجه من را به خود جلب کرد ، فصل مربوط به ماشین های ریاضی بود. به احتمال زیاد این چیزی است که من را در آینده در زمینه توسعه نرم افزار آغاز کرد.

در این فصل توضیحاتی در مورد دستگاه های حل معما با استفاده از مدارهای آن زمان … که قبل از مدارهای مجتمع مدرن یا حتی ترانزیستورها (با استفاده از رله) وجود دارد. اما برخی از مفاهیم مشابه در مورد دستگاه های منطقی وجود داشت که در اصل همان چیزی است که رایانه های امروزی هنوز از آنها استفاده می کنند.

این روزها ، شما می توانید به راحتی و ارزان تمام سیستم های کامپیوتری را با چند دلار تهیه کنید و فقط پازل یا بازی خود را برنامه ریزی کنید. اما شما همچنین می توانید کارهای زیادی را در سطح پایین تر انجام دهید ، با استفاده از دروازه های منطقی که رایانه ها از آنها ساخته شده اند ، سخت افزار سفارشی را برای پازل خود ایجاد کنید. اگرچه این ممکن است عملی یا ایده آل نباشد ، اما به شما امکان می دهد نحوه عملکرد کامپیوترها را بیاموزید. این نیز به نوعی سرگرم کننده است.

مرحله 1: مواد مورد نیاز

شما می توانید این را کاملاً در مدارهای Tinkercad بسازید و عملکرد واقعی پازل را شبیه سازی کنید.

اگر می خواهید آن را به صورت فیزیکی بسازید ، به موارد زیر نیاز دارید:

4 سوئیچ ضامن یا اسلاید.

1 دکمه فشاری (لحظه ای)

2 تخته نان کوچک.

9 عدد LED

9 مقاومت 1K

یک تراشه چهار لنگه 7475

2 7408 چهار و دروازه

1 7432 چهار دروازه

1 بسته باتری دارای 3 سلول AA یا AAA.

مجموعه ای از سیم های جامپر.

برای تراشه های سری 74xx ، می توانید از هر گونه تنوع در این موارد استفاده کنید. بنابراین ، نسخه های 74xx TTL اصلی هستند ، اما می توانید از نسخه های 74LSxx (مصرف برق کمتر) یا 74HCxx (حتی نسخه های cmos با قدرت کمتر) و غیره نیز استفاده کنید. همه تغییرات دیگر الکتریسیته ساکن حساس هستند.

مرحله 2: منطق بولی

منطق بولی ممکن است ترسناک به نظر برسد اما در واقع بسیار ساده است. بولی فقط به این معنی است که شما فقط با 1s و 0s یا True and False سروکار دارید. یا در لوازم الکترونیکی ، + و -. بخش منطقی آن فقط به بسیاری از "اگر این پس آن آن" خلاصه می شود. اساسی ترین عملیات منطقی به سادگی این سه چیز است: AND ، OR و NOT. اینها دروازه نامیده می شوند ، زیرا در اصل به عنوان دروازه های جریان الکتریسیته از طریق یک مدار عمل می کنند.

دروازه AND به شرح زیر عمل می کند. دارای دو ورودی و یک خروجی است. دو ورودی می توانند 1 یا 0 باشند ، و خروجی 1 یا 0 است. برای دروازه AND ، اگر هر دو ورودی 1 باشند ، خروجی 1 است. در غیر این صورت ، خروجی 0 است.

برای دروازه OR نیز دو ورودی و یک خروجی دارد. اگر یکی یا ورودی دیگر 1 باشد ، خروجی آن 1 است.

گیت نهایی دروازه NOT است و فقط یک ورودی و یک خروجی دارد. اگر ورودی 1 است ، خروجی 0. است اگر ورودی 0 است ، خروجی 1 است.

دروازه های OR و AND نیز می توانند بیش از 2 ورودی داشته باشند. برای ساده سازی ، می توان آنها را با 2 یا چند خط وارد یک دروازه نشان داد ، اما در واقع ، یک دروازه 3 ورودی فقط دو 2 دروازه ورودی است که یکی از آنها به دیگری وارد می شود.

شما اکنون همه آنچه را که برای ساختن رایانه باید بدانید می دانید. حتی مدرن ترین رایانه ها نیز فقط از این سه چیز استفاده می کنند ، اگرچه ممکن است میلیون ها مورد استفاده کنند.

بنابراین بیایید یک پازل بسازیم.

مرحله 3: پازل کشاورز ، روباه ، غاز و غلات

اولین چیزی که در کتاب وجود دارد یک مدار منطقی برای ایجاد پازل کلاسیک کشاورز ، روباه ، غاز و غلات است. این معما صدها سال است که در اشکال مختلف وجود دارد. این یک معمای اساسی منطق است و تنها چند قانون دارد. پازل به شرح زیر است.

یک کشاورز یک روباه ، یک غاز و کمی غلات دارد. او به رودخانه ای می رسد که باید از آن عبور کند ، و یک قایق وجود دارد ، اما فقط می تواند او و یک چیز دیگر را در یک زمان نگه دارد.

او نمی تواند روباه را با غاز رها کند ، زیرا روباه غاز را می خورد. روباه ها این کار را می کنند ، این فقط طبیعت آنهاست.

او نمی تواند غاز را با دانه رها کند ، زیرا غاز آن را می خورد.

چگونه می تواند هر سه نفر را با خیال راحت به آن سوی رودخانه برساند؟

برای ایجاد این معما به چند مورد نیاز داریم. ابتدا ، با چهار سوئیچ ، یکی برای هر کشاورز ، روباه ، غاز و دانه. اینگونه است که ما قایق سواری را تعیین می کنیم.

ثانیاً ، ما به پازل نیاز داریم تا به خاطر بسپاریم که همه چیز از مرحله به مرحله کجاست.

سپس ما به یک دکمه نیاز داریم تا به آن زمان حرکت قایق را بگوید.

در نهایت ، ما برای اجرای قوانین به منطقی نیاز داریم.

مرحله 4: حافظه

برای به خاطر سپردن مکان اجسام در این معما ، ما از چیزی پیشرفته تر از رله های مورد استفاده در مدار اصلی استفاده می کنیم. در زمان نگارش این کتاب ، ترانزیستور وجود نداشت ، اما رله داشتند. این رله ها به گونه ای سیم کشی شده بودند که وقتی دکمه ای را فشار می دادید ، آنها بسته می شدند و سپس بسته می شدند تا زمانی که دکمه را در طرف دیگر فشار می دادید.

امروز ما از یک قسمت معمولی و ارزان قیمت به نام چفت 4 بیتی استفاده می کنیم. "بیت" در منطق رایانه فقط به یک یا 1 واحد اشاره دارد. این همان چیزی است که یک رقم است. این مدار مجتمع (یا "IC" یا "Chip") شامل 4 جزء منطقی است که به عنوان فلیپ فلاپ شناخته می شوند. یک فلیپ فلاپ فقط چند دروازه است که به گونه ای پیکربندی شده است که وقتی یک عدد 1 یا 0 را به عنوان ورودی به آن می دهید ، 1 یا 0 خروجی می دهد و سپس "گیر می کند". بنابراین نام flip / flop. از 1 به 0 برمی گردد یا از 0 به 1 برمی گردد (یا برعکس است؟) و سپس همان جا می ماند. این اساساً همان کاری را می کند که چهار رله در مدار قدیمی انجام می دهد.

شما می توانید یک فلیپ فلاپ ساده فقط با دو دروازه بسازید ، اما آنهایی که در این چفت هستند دارای یک ویژگی اضافی هستند (نیاز به چند دروازه دیگر). به جای تغییر فوری خروجی با تغییر ورودی ، ورودی دیگری دارد که ورودی ها را فعال یا غیرفعال می کند. به طور معمول ، معلول باقی می ماند. این به شما امکان می دهد دو سوئیچ (کشاورز و یکی دیگر) را قبل از تلاش برای "ارسال" قایق به طرف دیگر تنظیم کنید. مدار ما در حال حاضر هوشمندتر از مدار قدیمی است.

ما در حال حاضر این توانایی را داریم که مکان همه اصول موجود در پازل خود را تنظیم و به خاطر بسپاریم.

در اینجا مدار ما تا اینجا آمده است: چفت 4 بیت

مرحله 5: منطق قوانین

برای اجرای قوانین و نشان دادن زمانی که مشکلی وجود دارد ، از برخی دروازه های منطقی بولی برای اعمال محدودیت های مورد نیاز خود استفاده می کنیم.

ما به چهار آزمایش نیاز داریم تا مشخص کنیم آیا مشکلی وجود دارد - اگر یکی از این موارد درست است ، سپس سیگنال هشدار را روشن کنید.

1. اگر دانه و غاز در آن طرف رودخانه باشند و نه کشاورز.

2. اگر روباه و غاز در طرف دیگر رودخانه هستند و کشاورز نیست.

3. اگر کشاورز از رودخانه عبور کند و هیچ روباه و بدون غاز با او نباشند.

4. اگر کشاورز از رودخانه عبور کند و هیچ دانه و غازی با او نباشد.

به روشی که این عبارت را بیان کرده ام دقت کنید تا منطق مورد استفاده ما مطابقت داشته باشد ، دروازه های AND با خروجی های معمولی یا معکوس از چفت ، و معکوس مانند "نه" یا "NOT" عمل کنند.

از آنجا که هر یک از آنها می تواند درست باشد و باعث ایجاد مشکل شود ، همه آنها به یک دروازه OR وارد می شوند.

منطق کامل شده ، از جمله قفل 4 بیتی ، در اسکرین شات نشان داده شده است. این از برنامه ای به نام منطقی است. این برنامه برای نشان دادن جریان منطق هنگام دستکاری سوئیچ ها ، برجسته کردن رنگهای آبی با اتصال "1" بسیار عالی است. من فایلی را ضمیمه کرده ام که می توانید به صورت منطقی در آن بارگذاری کنید.

مرحله 6: نمونه اولیه یک مدار واقعی

اکنون می توانیم یک مدار کار واقعی ایجاد کنیم. با استفاده از مدارهای Tinkercad ، می توانیم این کار را با شبیه سازی ظاهر واقعی و عملکرد سخت افزار انجام دهیم.

Tinkercad در یک چفت 7475 4 بیتی ساخته شده است ، بنابراین این قسمت آسان است. برای گیت ها ، من از دو تراشه با هر 4 دروازه AND (7408) استفاده کردم. برای ایجاد چهار ، 3 دروازه ورودی AND از دو دروازه AND استفاده می کنیم که خروجی یکی به 1 ورودی دیگر می رسد. این 1 ورودی در دوم ، و 2 ورودی در اولین ، 3 ورودی AND دروازه ایجاد می کند. برای دروازه OR ، من همین کار را می کنم. یک تراشه چهار OR از دو گیت OR استفاده می کند که خروجی ها به گیت سوم OR وارد می شوند. یک دروازه بدون استفاده باقی می ماند.

شبیه سازی را روی مدارهای Tinkercad اجرا کنید