Как я компьютер в Minecraft построил

Решил я, значит, изучить, как работают компьютеры на самом низком уровне. Это тот уровень, где работают всякие железяки, транзисторы, логические элементы и так далее. Чтобы полностью закрепить материал, я решил построить простенькую ЭВМ на редстоуне в Minecraft. Эта статья о том, как работают ЭВМ на уровне логических элементов и о том, как я построил прототип такой ЭВМ в Minecraft. В конце я оставил ссылку на GitHub-репозиторий с проектом.

Перед тем, как начать, нам следует изучить, как работают базовые логические элементы. Все ЭВМ создаются при помощи нескольких базовых "кирпичиков", которые называются логическими элементы. Вы, вероятно, уже слышали о них. Это знакомые вам элементы AND, OR, XOR, NOT, и их производные – NAND, NOR, XNOR а также другие, подобные им элементы. Все элементы (обычно) получают на вход 2 сигнала и на выходе выдают 1 результирующий сигнал.

Сигналами в цифровой схемотехнике являются логическая единица и логический ноль. В реальной электротехнике эти значения соответствуют диапазонам напряжений (логический ноль – от 0 до 0,5 вольт, логическая единица – от 2,7 до 5 вольт в ТТЛ логике, напряжение между диапазонами соответствует неопределённому состоянию). В игре все иначе, у нас есть сигнал, либо его нет, третьего не дано. В этом плане в игре намного легче работать с сигналами.

Каждый логический элемент имеет свое условное графическое обозначение и описывается таблицей истинности, в которой показано, что получится на выходе элемента, если подать определенные сигналы на его входы. Ниже приведены основные элементы и их таблицы истинности.

Так как мы будем строить ЭВМ в игре, нам нужны аналоги этих элементов, построенные на редстоуне. Благо их очень легко воссоздать в игре.

Из этих элементов строятся все последующие схемы, поэтому их знание просто необходимо для понимания принципа работы ЭВМ.

В любой ЭВМ есть обязательные элементы, без которых она не будет работать. К ним относятся:

Каждый из этих элементов мы должны реализовать при помощи логических элементов, учитываю специфику игры.

Главным элементом работы ЭВМ является цикл выполнения машинной команды: fetch-decode-execute (получить-декодировать-исполнить). Для исполнения каждой команды ЭВМ должна сначала получить команду из памяти, затем декодировать её и уже потом исполнить. Для этих целей предназначены счётчик команд, память и декодер команд.

Инструкции оперируют с регистрами. В них расположены некие полезные данные. Над данными из регистров могут производиться арифметические или логические операции. За эти действия отвечает АЛУ. А ещё данные можно заносить в память из регистров или наоборот, доставать из памяти в регистры.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над числами, которые расположены в регистрах. Для сложения и вычитания чисел существует следующая схема:

Эта схема называется full-adder. Взглянув на таблицу истинности можно заметить, что эта схема складывает три бита. Зачем три? Для того чтобы можно было подключить несколько таких элементов последовательно и складывать уже не два бита, а сколько нам нужно. Если мы подключим выход Cout одного full-adder'a ко входу Cin другого full-adder'a, то мы получим уже 2-разрядный сумматор. Если соединить 8 таких full-adder'ов, то мы получим 8-разрядный сумматор.

А ещё третий вход на сумматоре позволяет нам выполнять операцию вычитания. Существуют так называемые дополнительные коды, при помощи которых нашу схему можно научить вычитанию. Если мы инвертируем число (в двоичном виде) и добавим к нему 1, у нас получится дополнительный код (например число 5 в двоичном виде выглядит как 0101, его дополнительный код – 1010 + 1 = 1011, 11 в десятичной системе). Нам интересны дополнительные коды потому, что они позволяют нам сымитировать вычитание. Если мы сложим число с дополнительным кодом другого числа, мы получим результат их разности (например возьмем числа 7 и 2. Переведем их в двоичную систему, 7 это 0111, а 2 – 0010. Вычисляем дополнительный код для 2: 1101 + 1 = 1110. Складываем 0111 + 1110 = 10101, отбрасываем старший бит и получаем 0101 = 5 в десятичной системе, что является результатом вычитания 2 из 7). Чтобы получить дополнительный код числа в схеме мы используем элемент XOR, для инверсии битов, а добавить единицу нам поможет свободный третий вход первого full-adder'а.

Теперь, если мы подадим единицу на вход SUB, наша схема выполнит вычитание двух чисел, вместо сложения.

Кстати я вам немного наврал. Наша схема умеет выполнять только арифметические операции, поэтому у нас получилось не АЛУ, а АУ (Арифметическое устройство) но для нашего прототипа этого вполне будет хватать.

На АЛУ мы имеем два входа, по 8 бит (А и B), переключатель режима (сложение/вычитание, SUB) и один выход, тоже 8 бит (Q). Также в дальнейшем нам понадобиться сравнивать числа. Для этого предусмотрен еще один выход (ZR), который активируется, если результат операции равен нулю.

D-триггер запоминает 1 бит информации, полученный по шине D, если сигнал C равен единице. Если сигнал C равен нулю, то триггер запоминает последний полученный бит и выдает его на выходе Q. Так же как и с сумматором, мы можем расположить рядом несколько триггеров, для увелечения разрядности ячейки памяти. Поставив 8 таких триггеров параллельно и объединив их вход C, мы получим 8-битный регистр. В нашей ЭВМ будет 8 регистров, так как их можно адресовать, используя 3 бита.

Блок с регистрами состоит из 8 регистров, одного 8-битного входа (IN), для записи данных, одной шины адреса, для записи данных (W1), двух выходов по 8 бит, для чтения информации из регистров (O1 и O2) и двух шин адреса, для выбора регистров из которых считывается информация (R1 и R2). Также в блоке с регистрами есть вход WR, который отвечает за запись данных. Косая линия у входа записи означает, что микросхема выполняет запись по положительному фронту входного сигнала. Это значит, что запись будет выполнена один раз, когда будет подан сигнал. В нашем случае мы подключим этот вход к таймеру.

Любой ЭВМ нужна память, как минимум для команд, которые будут исполняться и хранения других данных, так как количество регистров ЭВМ всегда ограничено. Существует два варианта организации памяти в ЭВМ:

Архитектура Фон-Неймана предполагает совместное хранение данных и команд в одной памяти, тогда как Гарвардская архитектура предполагает разделение памяти, отдельно под команды и данные.

В нашем прототипе я выбрал Гарвардскую архитектуру, так как памяти у нашей ЭВМ будет очень мало (64 байта), а машинные слова будут занимать 16-бит. Память, как и регистры, использует D-триггеры, отличие в том, что память может хранить намного больше данных.

Для произвольных данных будет использоваться RAM-память, а для команд – ROM-память.

Декодер команд одна из самых главных частей ЭВМ, так как он преобразовывает двоичные коды управляющие сигналы для ЭВМ.

Если вы заметили, то мы предусмотрели в предыдущих компонентах различные управляющие входы. Это входы записи и чтения для регистров, записи и чтения для памяти, вход режима АЛУ, флаги ветвление и другие. Именно с этими входами и работает декодер команд.

Декодер берет машинную инструкцию и преобразует её в управляющие сигналы для других элементов ЭВМ. Если вы помните, мы используем 16-битный машинные слова для команд в нашем прототипе. Для задания типа машинной команды используются первые 4 бита из машинного слова. Они определяют те флаги, которые нужно активировать для выполнения команды. Остальные 12 бит предназначены для номеров регистров, с которыми проводится операция, адреса памяти или другого значения.

Я реализовал 9 инструкций, которых вполне достаточно, чтобы писать простые программы. Список операций:

Например, рассмотрим операцию вычитания. За нее отвечает инструкция SUB, с кодом 0010. Эта инструкция вычитает одно число из другого и записывает результат в регистр. Допустим, мы хотим вычесть значение второго регистра из значения первого регистра и записать результат в третий регистр. Тогда машинная инструкция будет выглядеть так: 0001_0010_0011_0010 (справа налево, первые 4 бита – код операции, вторые - регистр назначения, третье – вычитаемое, четвертые – уменьшаемое). После декодирования этой инструкции декодер выставляет флаги записи в регистр и вычитания в АЛУ. После следующего переключения счётчика результат операции будет записан в указанный регистр.

В целом я доволен результатом. Эту ЭВМ еще можно дополнять устройствами ввода-вывода, расширять память, добавить регистр флагов и так далее. Благо прототип позволяет развивать эту идею и дальше.

Надеюсь вы узнали что-то новое про внутреннее устройство компьютеров и ЭВМ в целом. Для меня было очень интересно строить ЭВМ в игре и писать компилятор для собственного ассемблера. Я оставил ссылку на GitHub репозиторий, для того, чтобы вы могли сами опробовать данную ЭВМ. Вам понадобиться версия Minecraft 1.20.1 и мод Schematica. На GitHub указаны инструкции для компиляции кода и запуска собственных программ. Также я оставил на GitHub архив с миром, в котором строил ЭВМ. В этом мире есть все компоненты по отдельности, если вам интересно изучить, как они работают.

GitHub проекта: https://github.com/Reedus0/MinecraftComputer