Farmář, liška, husa, obilná logická hra: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Když jsem byl dítě, vzal jsem do ruky knihu, která byla mými otci, s názvem Vědecká americká kniha projektů pro amatérského vědce. Knihu stále mám a chápu, že je těžké ji v dnešní době sehnat. Ale teď si to můžete přečíst online. Tato kniha mě seznámila se spoustou věcí, ale kapitola, která vzbudila můj zájem, byla kapitola o matematických strojích. Možná to byla věc, která mě odstartovala na mé případné kariéře vývoje softwaru.

V této kapitole jsou popisy strojů na řešení hádanek využívajících časové obvody …, které předcházely moderním integrovaným obvodům nebo dokonce tranzistorům (pomocí relé). Ale existovaly některé stejné koncepty, logické zařízení, která jsou v podstatě stejná jako ta, která moderní počítače používají dodnes.

V dnešní době můžete snadno a levně získat celé počítačové systémy za pár dolarů a jen si naprogramovat logickou hru nebo hru. Ale můžete také dělat spoustu věcí na nižší úrovni, pomocí logických bran, ze kterých jsou počítače postaveny, k vytvoření přizpůsobeného hardwaru pro vaši hádanku. I když to nemusí být praktické nebo ideální, umožní vám to zjistit, jak počítače skutečně fungují. Je to také druh zábavy.

Krok 1: Požadované materiály

Můžete to postavit zcela v obvodech Tinkercad a simulovat skutečné fungování logické hry.

Pokud ho chcete postavit fyzicky, budete potřebovat:

4 přepínací nebo posuvné přepínače.

1 tlačítko (chvilkové)

2 malá prkénka.

9 LED diod.

9 1K odpory.

1 čip 7475 quad latch

2 7408 čtyřkolky A brány

1 7432 quad NEBO brána

1 baterie obsahující 3 články AA nebo AAA.

sada propojovacích vodičů.

U čipů řady 74xx můžete použít jakoukoli jejich variantu. IE, verze 74xx jsou původní TTL, ale můžete také použít verze 74LSxx (nižší spotřeba energie), nebo 74HCxx (ještě nižší verze cmos) atd. Pamatujte, že verze 74xx a 74LSxx jsou snadno ovladatelné, ale všechny ostatní varianty jsou citlivá statická elektřina.

Krok 2: Booleovská logika

Booleovská logika může znít děsivě, ale ve skutečnosti je docela jednoduchá. Boolean znamená, že máte co do činění pouze s 1 s a 0 s, nebo True a False. Nebo v elektronice, + a -. Logická část se prostě scvrkává na hodně „když tohle, tak ono“. Nejzákladnější logické operace jsou jednoduše tyto tři věci: AND, OR a NOT. Říká se jim brány, protože v podstatě fungují jako doslovné brány pro tok elektřiny obvodem.

Brána AND funguje následovně. Má dva vstupy a jeden výstup. Dva vstupy mohou být 1 nebo 0 a výstup je 1 nebo 0. Pro bránu AND, pokud jsou oba vstupy 1, pak je výstup 1. V opačném případě vydá 0.

Pro bránu OR má také dva vstupy a jeden výstup. Pokud je jeden nebo druhý vstup 1, pak je výstup 1.

Konečná brána je brána NOT a má pouze jeden vstup a jeden výstup. Pokud je vstup 1, pak je výstup 0. Pokud je vstup 0, vydá 1.

Brány OR a AND mohou mít také více než 2 vstupy. Pro zjednodušení mohou být zobrazeny se 2 nebo více řádky směřujícími do jedné brány, ale ve skutečnosti jsou 3 vstupní brány jen dvě 2 vstupní brány, z nichž jedna vstupuje do druhé.

Nyní víte vše, co potřebujete vědět, abyste mohli stavět počítač. I ty nejmodernější počítače tyto tři věci prostě používají, i když jich mohou využívat miliony.

Pojďme tedy postavit hádanku.

Krok 3: Farmář, liška, husa a obilná logická hra

První věcí v knize je logický obvod k vytvoření klasické hádanky Zemědělec, Liška, Husa a Obilí. Tato hádanka existuje už stovky let v různých formách. Je to základní logická hádanka s několika pravidly. Hádanka je následující.

Farmář má lišku, husu a nějaké zrno. Přichází k řece, kterou musí překročit, a tam je loď, ale ta může držet jen jeho a jednu další věc najednou.

Nemůže nechat lišku s husou, protože liška husu sežere. To lišky dělají, je to jen jejich povaha.

Nemůže nechat husu s obilím, protože husa to sežere.

Jak může všechny tři bezpečně dostat na druhou stranu řeky?

K vytvoření této hádanky potřebujeme pár věcí. Nejprve začněte se čtyřmi spínači, jedním pro každého farmáře, lišku, husu a obilí. Takto nastavíme cestu na loď.

Za druhé, potřebujeme, aby si hádanka pamatovala, kde je vše krok za krokem.

Pak potřebujeme tlačítko, které nám řekne, kdy se má loď pohybovat.

Nakonec potřebujeme určitou logiku k vynucení pravidel.

Krok 4: Paměť

Abychom si pamatovali umístění objektů v této hádance, použijeme něco pokročilejšího než relé použitá v původním obvodu. V době, kdy byla tato kniha napsána, nebyly žádné tranzistory, ale měly relé. Tato relé byla zapojena tak, že když stisknete tlačítko, zavřou se a zůstanou zavřená, dokud nestisknete tlačítko na druhé straně.

Dnes použijeme běžnou a levnou část, která se nazývá 4bitová západka. „Bit“v počítačové logice se týká pouze jedné 1 nebo 0. Je to totéž jako číslice. Tento integrovaný obvod (nebo „IC“nebo „čip“) obsahuje 4 logické komponenty známé jako klopné obvody. Flip flop je jen pár bran nakonfigurovaných tak, že když mu dáte 1 nebo 0 jako vstup, vydá 1 nebo 0 a pak zůstane „zaseknutý“. Odtud název flip / flop. Otočí se z 1 na 0 nebo propadne z 0 na 1 (nebo je to naopak?) A pak tam zůstane. To v podstatě dělá totéž jako čtyři relé ve starém obvodu.

Můžete udělat jednoduchý flip flop pouze se dvěma branami, ale ty v této západce mají další funkci (vyžadující několik dalších bran). Namísto okamžité změny výstupu se změnou vstupu má jiný vstup, který povoluje nebo zakazuje vstupy. Normálně zůstane deaktivován. To vám umožní nastavit dva přepínače (farmář a jeden další), než se pokusí „poslat“loď na druhou stranu. Náš okruh je už chytřejší než ten starý.

Nyní máme možnost nastavit a zapamatovat si umístění všech principů v naší skládačce.

Zde je zatím náš obvod: 4bitová západka

Krok 5: Logika pravidel

Abychom vynutili dodržování pravidel a označili problém, použijeme k implementaci potřebných omezení některá logická hradla.

Budeme potřebovat čtyři testy, abychom zjistili, zda je problém - pokud je některý z nich pravdivý, rozsviťte varovný signál.

1. Pokud je obilí a husa na druhé straně řeky a ne farmář.

2. Jsou -li liška a husa na druhé straně řeky a ne farmář.

3. Překročí -li zemědělec řeku a není s ním žádná liška ani husa.

4. Pokud farmář překročí řeku a není s ním žádné zrno ani husa.

Všimněte si způsobu, jakým jsem to formuloval, aby přesně odpovídal logice, kterou použijeme, což jsou brány AND s normálním nebo invertovaným výstupem ze západky, invertované se chovají jako „ne“nebo „NE“.

Protože kterýkoli z nich může být pravdivý, což způsobuje problém, všichni vstupují do brány NEBO.

Dokončená logika, včetně 4bitové západky, je zobrazena na snímku obrazovky. Toto je z programu, který se nazývá logicky. Tento program je vynikající pro zobrazení toku logiky při manipulaci s přepínači a zvýraznění modře spojení s hodnotou '1'. Připojil jsem soubor, do kterého můžete logicky načíst.

Krok 6: Prototypujte skutečný obvod

Nyní můžeme vytvořit skutečný pracovní obvod. Pomocí obvodů Tinkercad to dokážeme se simulací skutečného vzhledu a funkčnosti hardwaru.

Tinkercad má integrovanou 4bitovou západku 7475, takže tato část je snadná. Pro brány jsem se rozhodl použít dva žetony se 4 branami AND (7408). K vytvoření čtyř, 3 vstupních AND bran použijeme dvě AND brány s výstupem jednoho vstupujícího do 1 vstupu druhého. Zbývá 1 vstup na druhém a 2 vstupech na prvním, čímž se vytvoří 3 vstupní AND brána. U brány OR dělám totéž. Čip brány se čtyřmi OR používá dvě brány OR s výstupy přecházejícími do třetí brány OR. Jedna brána zůstala nevyužita.

Spusťte simulaci na obvodech Tinkercad