قام مهندس بريطاني ببناء معالج منفصل 500 كجم. مراحل العمل والمقابلات مع الخالق

المعالج الكبير هو معالج 16 بت مع أربعة تسجيلات للأغراض العامة. تحتوي اللوحات المنفصلة على رسوم بيانية لأغراض مختلفة ، بما في ذلك الذاكرة ، وحدة الحساب ، الإدخال / الإخراج وغيرها. يستخدم النظام وحدة ALU 16 بت ومُعلِم 16 بت. المعالج الكبير مجهز بـ 10000 LEDs ، ويظهر وميضها كل مرحلة من عملية الحساب ، مما يدل على اتجاه حركة البيانات وفقًا للمخطط. سعة الذاكرة 256 بايت. يحتوي كتلة الذاكرة على 27000 ترانزستور. إجمالي عدد الترانزستورات في النظام يتجاوز 40 ألفًا. كتلة المعالج 500 كجم. يعمل المعالج بتردد 20 كيلو هرتز.



لماذا تم إنشاء كل هذا؟ أراد مؤلف المشروع ، وهو مهندس إلكتروني من المملكة المتحدة ، جيمس نيومان ، فهم كيفية عمل المعالج الحديث. قرر أن أفضل طريقة للحصول على أكبر قدر من المعلومات حول مبادئ تشغيل الترانزستورات والمعالج هي إنشاء معالج من تلقاء نفسه. وفقا له ، خرجت عملية الدراسة عن السيطرة ، وتحولت إلى عمل يومي.

"أجهزة الكمبيوتر غير شفافة. بالنظر إليهم ، لا يمكن للمرء أن يفهم كيف تعمل. ما أردت القيام به هو الصعود في الداخل وفهم ما يجري. المشكلة هي أنه لا يمكن القيام بذلك مع المعالجات ذات الحجم العادي. ولكن يمكننا بناء معالج كبير بأيدينا - وبعد ذلك سيكون من الواضح ما يحدث في الداخل. لعرض تدفقات البيانات ، يجدر إضافة مصابيح LED أيضًا ، وهو ما تم فعله. يمكن الآن مشاهدة المعالج الكبير في الوقت الحقيقي ، ويمكن لأي شخص فهم العناصر التي يتكون منها المعالج وكيفية عمل كل وحدة.

يشغل المعالج الكبير جزءًا كبيرًا من غرفة المعيشة في منزل المهندس ، مما تسبب في بعض الإزعاج.

لإثبات قدرات الحوسبة للمعالج ، قرر المهندس اختيار لعبة تتريس. يتم عرض عناصر اللعبة على شاشة LED كبيرة بدقة 32 * 64 LED. خلال اللعبة في الوقت الحقيقي ، يمكن رؤية كل ما يحدث داخل المعالج.

"قد يكون جهاز الكمبيوتر الخاص بك أسرع مليون مرة من النظام الذي قمت ببنائه ، ولكنه أكثر جاذبية ... لا أعتقد أنه يمكنني بيع مشروعي على الإطلاق ، لكني أريد أن يتم عرض المعالج الضخم كمعرض في متحف أو مؤسسة تعليمية "يقول نيومان.

تجميع النظام


يتكون المعالج الكبير من عدد كبير من العناصر التي يتم تجميعها في كتل. يتم وضع كتل منفصلة على المدرجات. ارتفاع الحامل 2 متر. العرض - من 1.2 إلى 1.6 متر. في كل حامل ، يتم تركيب عدد صغير من الوحدات - من 2 إلى 4. يعمل الحامل كمكان لوضع الوحدات وحمايتها. كل وحدة تؤدي مجموعة محددة من الوظائف. على سبيل المثال ، هناك وحدة ALU ، وحدة فك ترميز ، وغيرها. تتكون الوحدات من ألواح فردية.

تقف


الإطارات مصنوعة من الألمنيوم المسحوب. يوجد في جميع المدرجات وصف تفصيلي للوظائف التي تؤديها وحدة حوسبة معينة. فيما يلي مجموعة من سجلات الأغراض الخاصة:



يحتوي الإطار على قنوات لأسلاك الطاقة. البطاريات مغطاة بالحماية المعدنية حتى لا يتحرك شيء في حالة تحريك الحامل:


يتم تثبيت كتل الاتصال على جانبي الحامل.



يحتوي كل حامل على لوحة خدمة مثبتة في الجانب الأيمن السفلي.


كل لوحة خدمة لها وظيفتان. الأول هو توصيل ومراقبة خطوط الكهرباء. والثاني هو توفير الوصول إلى محطات الطاقة. هناك 7 منصات في النظام.

الوحدات



ينقسم المعالج إلى عدد من الوحدات. إليك وحدة التحكم الآلي:


هنا يمكنك رؤية مجموعات الألواح التي تنفذ المنطق لنظام فرعي معين. يتم تجميع الألواح في دائرة توضح ما يرتبط بما وكيف. تتم طباعة الدائرة على الورق المقوى الملصق على الخشب الرقائقي لتوفير الصلابة للهيكل بأكمله. تتم إعادة جميع أسلاك التوصيل حتى لا تفسد مظهر الوحدة. في البداية ، كانت الأسلاك في المقدمة ، لكنها لم تبدو جميلة جدًا.



من أجل عدم الخلط بين أي شيء ، هناك أيضًا قائمة بالمخطط بأكمله.



يستغرق توصيل جميع العناصر بالأسلاك وقتًا طويلاً جدًا.



الرسوم



منذ البداية ، قررت استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في المشروع. بدونها ، سيكون من المستحيل إنشاء شيء معقد ، لأن الاتصالات في النظام فقط هي أكثر من 100000. ذهبت معظم أموال المشروع إلى المجالس. في البداية ، كنت أرغب في صنع ألواح كبيرة ، ولكن تبين أنها صعبة للغاية ، لذلك قررت في وقت لاحق تقسيم كل شيء إلى لوحات صغيرة ، وهو ما تم. للتصميم ، استخدمت CadSoft Eagle.



يمكن رؤية لوحات أخرى هنا .

تحقق


تم إجراء عمليات الفحص بشكل مستمر ، في كل مرحلة من مراحل المشروع:
  • تم اختبار كل لوحة قبل التثبيت في الوحدة ؛
  • تم اختبار كل وحدة نمطية عند الانتهاء من العمل عليها ؛
  • تم اختبار كل حامل بعد الانتهاء من تركيب الوحدات ؛
  • بعد توصيل كل حامل جديد ، تم اختبار النظام بأكمله.


للتحقق من تشغيل الألواح والوحدات والحوامل ، تم استخدام معدات من BlueChip Technologies.







المكون المالي


في المجموع ، أنفق نيومان حوالي 40،000 جنيه. بالمعدل الحالي (بعد الاستفتاء على الانسحاب من الاتحاد الأوروبي ، انخفض الجنيه بنسبة 30٪ مقابل الدولار) وهو 53071 دولار.

تكلفة العناصر الهيكلية المختلفة:

إلكترونيات19000 جنيه إسترليني
الرسوم14000 جنيه استرليني
المنيوم3500 جنيه استرليني
الأدوات2000 جنيه إسترليني
النقش900 جنيه استرليني
التلوين والطباعة900 جنيه استرليني
السحابات ، والخشب الرقائقي ، وما إلى ذلك.500 جنيه استرليني


تكلفة المكونات الإلكترونية:

الترانزستورات2000 جنيه استرليني
الكابلات1800 جنيه استرليني
موصلات5000 جنيه استرليني
رقائق (للتصحيح)850 جنيه استرليني
المقاومات370 جنيه استرليني
التغذية800 جنيه إسترليني
المصابيح1300 جنيه استرليني
اللحيم370 جنيه استرليني
"الباقي حديد"1100 جنيه إسترليني



إحصائيات عامة

لبعض الإحصائيات:
الترانزستورات42،400
المقاومات50،500
المصابيح10،500
موصلات770
محطات الاتصال7700
جهات الاتصال الملحومة272300
وزن اللحام4.25 كغم
وزن الرصاص2.5 كجم
سلك واحد
1500 م
20 كابل الشريط دبوس420 م
إجمالي طول الموصلات9.9 كم



الألواح المستخدمة في المشروع

نوع اللوحةالترانزستورات
على كل منها
المصابيح
على كل
المبلغ
 المستخدم
مجموع
الترانزستورات
إجمالي
المصابيح
2AND5372360216
3 و741812672
4AND9554525
2OR5354270162
3OR7434238136
4OR9523207115
5OR1161617696
8OR179610254
Xor7353515
2x2 AND_OR14947658423
2x3 AND_OR1811712677
4x2 AND_OR261716416272
8x2 AND_OR50339450297
1BUF22285656
4BUF8854040
4 ديسمبر197815256
16 ديسمبر82217574147
2 × 16 متر118523354156
4x16MUX241932048201860
16REG2263381808264
8ADD30218751510935
8 منطقية1581263474378
BUS SPLIT161611919041904
BUS SPLIT (بدون مصابيح LED)00900
3x2 DIGIT (7 قطاعات)00800
4 DIGIT (7 )001100
16 DIGIT (7 )00200
BUS 2 BUS004000
2 TEE001700
4 TEE001500
BYTE_2_WORD001300
SHIFT37348296272
8B RAM7666432245122048
4 MEM MUX25240102520400
2 MEM MUX14124114124



:4237010500



تم تركيب الترانزستورات بشكل غير صحيح ، من

أجل تسهيل مهمته ، قام نيومان بإنشاء لوحات دوائر صغيرة بأقصى تسميات للعناصر. على كل لوح ، تم تحديد قيمة المقاوم وطريقة تركيب الترانزستور.



كل شيء بسيط. ولكن كانت هناك أخطاء في العملية - حوالي عشرة ترانزستورات ، قام جيمس بتركيبها بشكل غير صحيح. وكان العثور عليها مهمة صعبة بالنظر إلى العدد الإجمالي لهذه العناصر في المشروع. حاول أن تفعل ذلك بنفسك. في الصورة أدناه ، هناك لوحة تم فيها تثبيت أحد الترانزستورات بشكل غير صحيح.



قضى مؤلف المشروع ساعات في العثور على المشكلة. في كثير من الأحيان قام بفحص نفس الترانزستور المثبت بشكل غير صحيح عدة مرات دون أن يلاحظ ذلك.

موصلات

يعد الاتصال بالموصلات مهمة بسيطة. ولكن إذا كان هناك حوالي 500 من هذه المركبات ، فهناك احتمال كبير للخطأ. وجيمس كان على خطأ عدة مرات.

كبل منحرف



في الصورة ، يمكنك رؤية المشكلة على الفور - الكبل منحرف ولا يتم استخدام العديد من جهات الاتصال. ولكن من الصعب للغاية اكتشاف مثل هذا الخطأ في كتلة الأسلاك والوصلات. اعتقد نيومان أن المشكلة كانت في إحدى الوحدات ، وقضى الكثير من الوقت في فحص الوحدات. ولكن كان علي التحقق من الكبل.

أسنان مقوسة

هناك أيضًا نوع من الاتصال مثل IDC (موصل الإزاحة العازلة). يتم إدخال كابل بين الأسنان الحادة التي يتم قطع عزلها أثناء الإدخال ويتم توصيل الكبل بالأسنان. كل شيء بسيط. في إحدى الحالات ، تنثني "أسنان" جهة الاتصال وتلمس السن المجاورة ، وتغلق الدائرة. كان العثور على مشكلة صعبًا للغاية.



ومشكلة أخرى ذات طبيعة مماثلة. فقط في هذه الحالة ، لم توفر "السن" المنحنية اتصالاً مناسبًا مع السلك.



الكابلات

التثبيت غير الصحيح لكابلات التصحيح هو مشكلة أخرى. علاوة على ذلك ، تم اكتشافه في معظم الأحيان بعد توصيل هذه الكابلات بوحدات أو حاملات فردية. أخطأ جيمس أحيانًا في وضع الموصل على الكابلات. بطبيعة الحال ، لم تعمل الدائرة. ومرة أخرى استمرت ساعات البحث ودقات الدوائر والتحقق من العناصر. تظهر الصورة كبل مجعد بشكل صحيح مع موصل وكبل مشكلة (أعلاه).



وهنا سبب شائع آخر لكسر الدائرة - كبل غير مثبت لا يوفر اتصالًا مناسبًا. إغلاق



الاتصال

ماس كهربائى إلى السكن

هناك مجلسان ، أحدهما لم يعمل كما ينبغي. كما اتضح ، كان السبب هو أن جيمس دمر اللوحة بمفك البراغي وأغلقها على السحابات ، وهذا واحد - إلى الحامل بأكمله. يكاد يكون من المستحيل ملاحظة ذلك بالعين المجردة.



لحام

في بعض الأحيان عندما لحام واجهت مشاكل نموذجية - الاتصال جسر إغلاق جندى. في الصورة ، يتم تكبير الصورة عدة مرات. من الصعب جدًا ملاحظة مثل هذا الهبوط - تحتاج إلى فحص جميع العناصر الموجودة على اللوحة بالتفصيل.



جيمس هو مهندس دائرة بالمهنة ، وهو يعمل منذ اللحظات الأولى من طفولته. في الصورة أعلاه ، السبب هو انخفاض عرضي لقطرة قصدير على الدائرة. كانت حالة معزولة طوال الوقت ، ولكن كان هناك الكثير من الضجة معه - لم يكن من السهل العثور على اللحام الخاطئ. بدأ جيمس في البداية بفحص جميع اتصالات اللوحة ثم قرر فقط فحص مكان اللحام.

مشكلة أخرى مماثلة ، تم العثور عليها فقط باستخدام عدسة مكبرة - الجسر الذي يتكون من اللحام له سمك شعر بشري.



ولحام

، وهنا جيمس ، لسبب ما ، نسي فقط لحام جهات الاتصال. تبين أن سلسلة كاملة من أرجل الترانزستور "عارية" ، وليست مرتبطة بأي شيء. تم اكتشاف هذه المشكلة وحلها بسرعة.



عيب الترانزستور

كانت هذه واحدة من أخطر المشاكل. هناك عدة آلاف من الترانزستورات في الدائرة. وفشل ترانزستور واحد فقط يعني أن المعالج لا يعمل. لتجنب المشاكل ، فحص جيمس كل ترانزستور قبل اللحام. ثم - بعد اللحام. ثم - جميع الترانزستورات في الدائرة. ومع ذلك اتضح أن بعض اللوحات لم تعمل ، وكان الخطأ هو الترانزستور الخاطئ. عادة ما يكون سبب الضرر تفريغ إلكتروستاتيكي. 2N7000 الترانزستورات حساسة جدًا لهذا النوع من التعرض.

علاوة على ذلك ، إذا عمل المجلس أمس ، فإنه لم يعد بإمكانه العمل. لماذا؟ كان السبب غير عادي. انها ... مكنسة كهربائية تدعى هنري.



يعتقد جيمس نيومان أن الترانزستورات تتضرر عند تشغيل قوة بعض الدوائر. بعد التحقق تبين أن الأمر ليس كذلك. وفقط بعد ساعات طويلة من المحاولات غير المثمرة للعثور على مصدر ثابت ، تذكر أنه تلقى صدمة كهربائية صغيرة ، ولمس المكنسة الكهربائية. ومع هذا المكنسة الكهربائية ، قام بتنظيف بعض المواقف بعد أن كانت جاهزة ، ونسي تمامًا نوع المشكلة التي قد تكون فيها المكنسة الكهربائية (على وجه الخصوص ، تنظيف أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر المحمولة باستخدام مكنسة كهربائية غير كهربائية - يحذر العديد من الشركات المصنعة لأجهزة الكمبيوتر من هذا). ونتيجة لذلك ، ذهب هنري لتنظيف السجاد ، وتم تنظيف المدرجات باليد. وتوقفت الترانزستورات عن الفشل.

مشاكل أخرى

كان هناك عدد كبير منهم. عمل نيومان في المشروع لمدة خمس سنوات ، وبطبيعة الحال ، حدث شيء تقريبًا كل يوم. أخطاء وأعطال فنية ودوائر قصيرة ونمذجة غير صحيحة وغير ذلك الكثير - هذه ليست سوى جزء صغير من المشاكل. لا يمكن وصف كل هذا في مقال واحد. من الأفضل أن تقرأ ما يكتبه جيمس نفسه عن المشاكل أثناء تنفيذ المشروع.

مقابلة مع جيمس نيومان



لم أستطع فقط الكتابة عن هذا المشروع الفخم دون طرح بعض الأسئلة على المؤلف. وافق جيمس على الفور على التحدث قليلاً عن مشروعه لقراء Geektimes.

كيف توصلت إلى فكرة إنشاء هذا المشروع؟

حدث ذلك قبل خمس سنوات. نشأت الفكرة تحت تأثير عاملين. أجريت تجارب مع الترانزستورات لفهم كيفية عملها بالتفصيل. بالإضافة إلى ذلك ، في عملي ، بدأ الزملاء يناقشون إمكانية بناء نظام كمبيوتر من دوائر منطقية منفصلة. وأردت إنشاء كمبيوتر ليس من دوائر صغيرة منفصلة ، ولكن من ترانزستورات منفصلة. كنت أرغب في إنشاء نظام يمكن من خلاله شخص يمكنه مشاهدة كيفية عمل كل هذا. كيف يمكن أن تبدو؟

كم من الوقت مر بين الفكرة وبداية المشروع؟

ليس كثيرا. بدأت في تنفيذ الأعمال التحضيرية لتنفيذ مشروع إنشاء نظام الكمبيوتر بالكامل على الفور تقريبًا. تم إنفاق حوالي عام على هذا العمل والتجارب.

وما هو حجم التباين بين الخطة الأولية والمدة الفعلية للمشروع؟

بدا لي أنني أستطيع أن أدرك فكرتي في غضون عام. لكن المشروع استغرق ما يقرب من خمس سنوات. حدث هذا لأنني بدأت بالفعل في العمل ، قررت بناء شيء فخم أكثر مما خططت.

ماذا يمكنك أن تذكر المشاكل الكبيرة أو الصغيرة التي حدثت أثناء العمل؟ أي منهم كان حاسما؟

المشكلة الرئيسية التي توقفت عن العمل لفترة من الوقت هي تطوير معدد الإرسال. لبعض الوقت عملت على حل مسألة تأثير الصمام الثنائي الطفيلي ، وهو ذو صلة بترانزستورات MOS . إن التخلص من هذا الصمام الثنائي أمر محفوف بالصعوبات التكنولوجية الكبيرة ، لذلك تعلموا تحمله وحتى استخدامه في حلول الدوائر. - إد. ). ونتيجة لذلك ، طوّرت مجالسًا لحل المشكلة ، لكنها كانت أكبر مما كنت أتوقع.

مشكلة أخرى هي تعقيد إنشاء الرفوف ، وكان تصميمها معقدًا للغاية. ليس لدي خيال مكاني جيد للغاية.

حسنًا ، بالإضافة إلى ذلك ، كان عليّ حل المشكلات الصغيرة باستمرار ، لم يكن هناك سوى عدد كبير منها أثناء عملية التصميم وأثناء تنفيذ الخطة المخطط لها.

إذا كنت تعرف كل هذه المشاكل ، فهل ستعمل على مشروع؟

كنت أظن أن شيئًا كهذا سيحدث. هذا لن يمنعني في البداية ، أردت فقط أن أعرف كيف يعمل كل شيء. ولكن إذا كنت أعرف حجم المعالج ، وكم من المال سيذهب إلى المشروع ، فلن أفعل ذلك. المعالج الكبير أكبر من بيتي ، وأريد أن أجد منزلًا آخر له.

هل لديك أي أفكار حول التوقف عن العمل أثناء المشروع؟

كانت هناك عدة حالات نفد فيها حماسي ، مما يعني تباطؤًا. في الوقت نفسه ، لم أسمح لنفسي بالاسترخاء تمامًا. كل يوم في مثل هذه الحالات ، أجبرت نفسي على القيام بشيء ، بغض النظر عن مدى أهمية هذه المهمة. قلت لنفسي: "يمكنك أن تأكل فيلًا ، ما عليك سوى عض قطعة قطعة."

أصبح مشروعك مشهورًا جدًا. هل هناك عروض تجارية؟ ربما كنت قد قررت بالفعل إعطاء Megaprocessor لبعض المتاحف أو الجامعات؟

لا عروض تجارية! لا أعتقد أن بإمكاني استرداد الأموال التي أنفقت ، ولم يكن هذا هو الهدف أبدًا. أود أن أعطي Megaprocessor لمتحف أو منظمة أخرى مماثلة. المفاوضات جارية بالفعل.

هل يحتاج النظام إلى عناية خاصة؟

لا ، لا شيء مطلوب من هذا القبيل. مطلوب فقط الحذر. هذا ينطبق بشكل خاص على الكهرباء الساكنة - يمكن أن تتسبب شحنة صغيرة في إتلاف شيء ما.

كيف تدخل البيانات في النظام؟

أستخدم حاليًا نسخة معدلة من Venom Arcade Stick. في البداية ، خططت لاستخدام واجهة تسلسلية تسمح لي باستخدام جهاز كمبيوتر. لقد طورت وصنعت الواجهة ، لكنني لم أختبرها بعد.

ما هو استهلاك طاقة النظام؟

أعتقد أن حوالي 300 واط. يذهب معظمها إلى مصابيح LED.

هل حدث أي كسر في النظام بعد أن أصبح المعالج كبيرًا جاهزًا؟

كانت المشكلة الوحيدة التي واجهتها هي نظام أبطأ مما خططت له في الأصل. كما اتضح ، فإن السبب هو مقاومات السحب الاسمية المختارة بشكل غير صحيح. كان من الضروري اختيار مقاومات بقيمة اسمية لا 10 ك ، ولكن فقط 470. شيء آخر ليس مشكلة ، بل رغبتي. أود توفير القدرة على ضبط سطوع الشاشة. لكن الآن فات الأوان للتفكير في الأمر.

يحتوي المعالج الكبير على عشرات الآلاف من الأجزاء. ما احتمال أن يعمل كل شيء دون حدوث أعطال بمرور الوقت؟

سؤال جيد جدا. ومخيفة. أعتقد أنه إذا لم تقم بتحريك أو لمس المكونات الإلكترونية للنظام بأكمله ، فسيكون كل شيء على ما يرام. لكن المشكلة هي أن المعالج الكبير يقع في غرفة المعيشة الخاصة بي ، وعليّ تحريك المدرجات. في كل مرة أقوم بهذا ، هناك فرصة لإتلاف الاتصال. الاحتمال صغير. ربما 10٪. يوم السبت الماضي ، وجدت عطلًا في أحد الألواح. كانت هناك مشاكل في تحريك المدرجات من قبل. لذلك ، حسبت أنه بمجرد العشرة ، يحدث خلل أثناء حركة المدرجات. إذا وضعت كل شيء في سيارة وقمت بتثبيت النظام في منزل جديد ، فأنا متأكد من أنني سأحصل على بعض الأعطال. حوالي عشرة.

هل لديك أي أفكار لمشاريع جديدة؟

أول شيء يجب أن أقوم به هو ترتيب المنزل والحديقة. تم التخلي عنهم لعدة سنوات. بعد ذلك ، سأرى ماذا أفعل.

ماذا يمكنك أن تنصح الناس الذين يخططون للقيام بشيء مماثل؟

نصيحة عملية: عند العمل على مشروع بهذا الحجم ، يجب أن يكون لديك فكرة واضحة عما تفعله. يجب أن تكون محترفًا في مجالك وأن تكون محترفًا في كل خطوة. عند تطوير شيء ما ، يجب أن تتأكد من أن جميع العناصر التي تم إنشاؤها ستكون متوافقة مع بعضها البعض في مرحلة التجميع.

نصيحة مجردة: البدء سهل ويصعب إنهاءه. لماذا تريد فعل هذا؟ بمجرد أن تبدأ في فعل شيء ما ، ستدرك لاحقًا أنه يمكن القيام بذلك بشكل أفضل ، وستبدأ في تنفيذ هذه الخطوة مرة أخرى. مرارا وتكرارا. قبل عامين ، أدركت أنه إذا أعدت كل شيء طوال الوقت ، فلن أكمل أي شيء. وقررت التوقف عند المرحلة مع تقييم "ليست سيئة" ، لأن هذه المرحلة في معظم الحالات تتوافق مع الخطط. أعلم أن هناك الكثير من الأخطاء في المشروع والكثير من الأشياء التي يمكن القيام بها بشكل أفضل. ولكن ما زلت أنهي مشروعي ، وأنا سعيد.

Source: https://habr.com/ru/post/ar395919/


All Articles