Фермер, лисица, гъска, зърнен пъзел: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Когато бях дете, взех книга, която беше моите бащи, наречена The Scientific American Book of Projects For The Amateur Scientist. Все още имам книгата и разбирам, че е трудна книга, която да дойде тези дни. Но сега можете да го прочетете онлайн. Тази книга ме запозна с много неща, но главата, която предизвика интереса ми, беше тази за математическите машини. Може би това е нещо, което ме подтикна към евентуалната ми кариера в разработката на софтуер.

В тази глава са описания на машини за решаване на пъзели, използващи схеми от онова време … които предшестват съвременните интегрални схеми или дори транзистори (използващи релета). Но имаше някои от същите концепции, тези на логическите устройства, които по същество са едно и също нещо, което съвременните компютри използват и до днес.

Тези дни можете лесно и евтино да получите цели компютърни системи за няколко долара и просто да програмирате своя пъзел или игра. Но можете също така да правите много неща на по -ниско ниво, като използвате логическите порти, от които са изградени компютрите, за да създадете персонализиран хардуер за вашия пъзел. Въпреки че това може да не е практично или идеално, то ви позволява да научите как наистина работят компютрите. Това също е забавно.

Стъпка 1: Необходими материали

Можете да изградите това изцяло в Tinkercad Circuits и да симулирате действителното функциониране на пъзела.

Ако искате да го изградите физически, ето какво ще ви трябва:

4 превключватели или плъзгачи.

1 бутон (за момент)

2 малки дъски.

9 светодиода.

9 1K резистора.

1 7475 чип с четирите ключалки

2 7408 четворни и порти

1 7432 четворка ИЛИ порта

1 пакет батерии с 3 клетки AA или AAA.

комплект джъмперни проводници.

За чиповете от серията 74xx можете да използвате всякакви техни варианти. IE, версиите 74xx са оригиналните TTL, но можете да използвате и версиите 74LSxx (с по -ниска консумация на енергия), или 74HCxx (дори версии с по -ниска мощност cmos) и т.н. Просто помнете, че версиите 74xx и 74LSxx са лесни за работа, но всички останали варианти са чувствително статично електричество.

Стъпка 2: Булева логика

Булева логика може да звучи страшно, но всъщност е доста проста. Булевото означава само, че имате работа само с 1 и 0, или True и False. Или в електрониката, + и -. Логическата част от него просто се свежда до много „ако това тогава онова“. Най -основните логически операции са просто тези три неща: И, ИЛИ и НЕ. Те се наричат порти, защото по същество действат като буквални порти към потока на електричество през верига.

Портът AND работи както следва. Той има два входа и един изход. Двата входа могат да бъдат 1 или 0, а изходът е 1 или 0. За порта И, ако и двата входа са 1, тогава изходът е 1. В противен случай той извежда 0.

За OR порта той също има два входа и един изход. Ако един или друг вход е 1, тогава изходът е 1.

Последната порта е портата NOT и има само един вход и един изход. Ако входът е 1, тогава изходът е 0. Ако входът е 0, той извежда 1.

Портите OR и AND също могат да имат повече от 2 входа. За опростяване, те могат да бъдат показани с 2 или повече линии, влизащи в една порта, но наистина, 3 входни порта са само две 2 входни портата, като едната се подава в другата.

Вече знаете всичко, което трябва да знаете, за да изградите компютър. Дори най -съвременните компютри просто използват тези три неща, въпреки че може да използват милиони от тях.

Така че нека изградим пъзел.

Стъпка 3: Пъзел за фермер, лисица, гъска и зърно

Първото нещо в книгата е логическа схема за създаване на класическия пъзел на фермера, лисицата, гъската и зърното. Този пъзел съществува от стотици години в различни форми. Това е основен логически пъзел само с няколко правила. Пъзелът е следният.

Един фермер има лисица, гъска и малко зърно. Той стига до река, която трябва да прекоси, и има лодка, но тя може да държи само него и още едно нещо наведнъж.

Той не може да остави лисицата с гъската, защото лисицата ще изяде гъската. Това правят лисиците, това е просто тяхната природа.

Той не може да остави гъската със зърното, защото гъската ще я изяде.

Как може той и тримата да прекара безопасно от другата страна на реката?

За да създадем този пъзел, се нуждаем от няколко неща. Първо, със старт с четири превключвателя, по един за всеки от фермера, лисицата, гъската и зърното. Ето как ще зададем кое да се качва на лодката.

Второ, имаме нужда от пъзела, за да запомним къде е всичко от стъпка на стъпка.

След това се нуждаем от бутон, за да му кажем кога да преместим лодката.

И накрая, имаме нужда от логика, за да наложим правилата.

Стъпка 4: Памет

За да запомним местоположението на обектите в този пъзел, ще използваме нещо по -модерно от релетата, използвани в оригиналната схема. Когато беше написана тази книга, нямаше транзистори, но имаха релета. Тези релета бяха свързани така, че когато натиснете бутон, те се затварят и след това остават затворени, докато не натиснете бутона от другата страна.

Днес ще използваме обикновена и евтина част, наречена 4 -битова ключалка. "Бит" в компютърната логика просто се отнася до единични 1 или 0. Това е същото като цифра. Тази интегрална схема (или "IC" или "чип") съдържа 4 логически компонента, известни като джапанки. Флип флоп е само няколко порта, конфигурирани така, че когато му дадете 1 или 0 като вход, той ще изведе 1 или 0 и след това ще остане „заседнал“. Оттук и името flip / flop. Той ще се обърне от 1 до 0 или ще отклони от 0 до 1 (или е обратното?) И след това ще остане там. Това по същество прави същото като четирите релета в старата верига.

Можете да направите обикновен джапанка само с две врати, но тези в тази ключалка имат допълнителна функция (изискваща още няколко порти). Вместо веднага да има промяна на изхода с промяна на входа, той има друг вход, който позволява или забранява входовете. Обикновено той остава деактивиран. Това ви позволява да настроите два от превключвателите (фермера и един друг), преди да се опита да „изпрати“лодката от другата страна. Нашата верига вече е по -умна от старата.

Вече имаме способността да задаваме и запомняме местата на всички принципи в нашия пъзел.

Ето нашата схема досега: 4 -битово резе

Стъпка 5: Правила логика

За да наложим правилата и да посочим, когато има проблем, ще използваме някои логически логически порти, за да приложим ограниченията, от които се нуждаем.

Ще ни трябват четири теста, за да определим дали има проблем - ако някой от тях е истина, запалете предупредителния сигнал.

1. Ако зърното и гъската са от другата страна на реката, а не фермерът.

2. Ако лисицата и гъската са от другата страна на реката, а не фермерът.

3. Ако фермерът пресече реката и няма лисица и без гъска с него.

4. Ако фермерът пресече реката и няма зърно и гъска с него.

Обърнете внимание на начина, по който съм изразил това, за да съответства точно на логиката, която ще използваме, а това са И порти с нормални или обърнати изходи от ключалката, като обърнатите действат като „не“или „НЕ“.

Тъй като всеки от тях може да е истина, причинявайки проблем, всички те се подават в порта ИЛИ.

Завършената логика, включително 4 -битовата ключалка, е показана на екрана. Това е от програма, наречена logicy. Тази програма е отлична за показване на потока от логика, докато манипулирате превключвателите, подчертавайки в синьо връзките със стойност „1“. Прикачих файла, в който можете да заредите логически.

Стъпка 6: Прототипирайте истинска верига

Сега можем да създадем истинска работна верига. Използвайки вериги Tinkercad, можем да направим това със симулация на реалния вид и функционалност на хардуера.

Tinkercad е вградил 7475 4 -битова ключалка, така че тази част е лесна. За портите съм избрал да използвам два чипа с по 4 И порта (7408). За да създадем четири, 3 входни И порта, ние използваме два И порта, като изходът на единия отива в 1 вход на другия. Това оставя 1 вход на втория и 2 входа на първия, създавайки 3 входа И порта. За портата OR правя същото. Чип с четири OR порта използва две ИЛИ порти, като изходите влизат в трета ИЛИ порта. Едната порта остава неизползвана.

Изпълнете симулацията на вериги Tinkercad