Fermier, vulpe, gâscă, puzzle pentru cereale: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Când eram copil, am luat o carte care era părinții mei, numită Cartea științifică americană a proiectelor pentru omul de știință amator. Încă mai am cartea, iar înțelegerea mea este că este o carte greu de găsit în aceste zile. Dar îl puteți citi online acum. Această carte a servit pentru a mă prezenta la o mulțime de lucruri, dar capitolul care mi-a stârnit interesul a fost cel despre Mașinile matematice. Ar putea fi foarte bine ceea ce m-a declanșat în cariera mea de dezvoltare software.

În acest capitol sunt descrieri ale mașinilor de rezolvare a puzzle-urilor care folosesc circuite ale vremii … care au precedat circuitele integrate moderne sau chiar tranzistoarele (folosind relee). Dar unele dintre aceleași concepte erau acolo, cel al dispozitivelor logice care sunt în esență același lucru pe care îl folosesc și astăzi computerele moderne.

În aceste zile, puteți obține cu ușurință și ieftin sisteme informatice întregi pentru câțiva dolari și puteți doar să vă programați puzzle-ul sau jocul. Dar puteți face, de asemenea, o mulțime de lucruri la un nivel inferior, folosind porțile logice din care sunt construite computerele, pentru a crea hardware personalizat pentru puzzle. Deși acest lucru nu poate fi practic sau ideal, vă permite să aflați cum funcționează cu adevărat computerele. Este, de asemenea, un fel de distracție.

Pasul 1: Materiale necesare

Puteți construi acest lucru în întregime în circuitele Tinkercad și puteți simula funcționarea reală a puzzle-ului.

Dacă doriți să îl construiți fizic, iată de ce veți avea nevoie:

4 comutatoare de comutare sau glisare.

1 buton (momentan)

2 panouri mici.

9 LED-uri.

9 rezistențe 1K.

1 cip de blocare quad 7475

2 7408 porți ȘI quad

1 7432 poartă SAU quad

1 acumulator care conține 3 celule AA sau AAA.

set de fire jumper.

Pentru jetoanele din seria 74xx, puteți utiliza orice variantă a acestora. IE, versiunile 74xx sunt TTL-ul original, dar puteți utiliza și versiunile 74LSxx (consum redus de energie) sau 74HCxx (chiar și versiunile CMOS cu putere redusă) etc. Rețineți că versiunile 74xx și 74LSxx sunt ușor de manevrat, dar toate celelalte variații sunt electricitate statică sensibilă.

Pasul 2: Logică booleană

Logica booleană poate părea înfricoșătoare, dar este de fapt destul de simplă. Boolean înseamnă doar că aveți de-a face doar cu 1s și 0s, sau True și False. Sau în electronică, + și -. Partea logică a acestuia se rezumă doar la o mulțime de „dacă asta atunci”. Cele mai de bază operații logice sunt pur și simplu aceste trei lucruri: ȘI, SAU și NU. Acestea sunt numite porți, deoarece acționează în esență ca porți literal ale fluxului de electricitate printr-un circuit.

Poarta AND funcționează după cum urmează. Are două intrări și o ieșire. Cele două intrări pot fi 1 sau 0, iar ieșirea este 1 sau 0. Pentru poarta ȘI, dacă ambele intrări sunt 1, atunci ieșirea este 1. În caz contrar, scoate un 0.

Pentru poarta SA, are și două intrări și o ieșire. Dacă una sau cealaltă intrare este 1, atunci ieșirea este 1.

Poarta finală este poarta NOT și are doar o intrare și o ieșire. Dacă intrarea este 1, atunci ieșirea este 0. Dacă intrarea este 0, scoate un 1.

Porțile OR și AND pot avea, de asemenea, mai mult de 2 intrări. Pentru simplificare, acestea pot fi afișate cu 2 sau mai multe linii care intră într-o singură poartă, dar într-adevăr, o poartă cu 3 intrări este doar două porți de 2 intrări, cu una care intră în cealaltă.

Acum știi tot ce trebuie să știi pentru a construi un computer. Chiar și cele mai moderne computere folosesc doar aceste trei lucruri, deși ar putea să le folosească milioane.

Deci, să construim un puzzle.

Pasul 3: Puzzle fermier, vulpe, gâscă și cereale

Primul lucru din carte este un circuit logic pentru a crea puzzle-ul clasic al Fermierului, Vulpii, Gâscă și Cereale. Acest puzzle a existat de sute de ani sub diferite forme. Este un puzzle de bază al logicii, cu doar câteva reguli. Puzzle-ul este după cum urmează.

Un fermier are o vulpe, o gâscă și niște cereale. El ajunge la un râu pe care trebuie să-l traverseze și există o barcă, dar aceasta poate să-l țină doar pe el și pe un alt lucru la un moment dat.

El nu poate lăsa vulpea cu gâscă, pentru că vulpea va mânca gâscă. Așa fac vulpile, este doar natura lor.

El nu poate lăsa gâsca cu bobul, deoarece gâscă o va mânca.

Cum poate să-i ducă pe toți trei pe cealaltă parte a râului în siguranță?

Pentru a crea acest puzzle avem nevoie de câteva lucruri. În primul rând, cu start cu patru comutatoare, câte unul pentru fiecare fermier, vulpe, gâscă și cereale. Așa vom stabili care merge pe barcă.

În al doilea rând, avem nevoie de puzzle pentru a ne aminti unde este totul de la un pas la altul.

Apoi, avem nevoie de un buton care să-i spună când trebuie să mutăm barca.

În cele din urmă, avem nevoie de o logică pentru a pune în aplicare regulile.

Pasul 4: Memorie

Pentru a ne aminti locațiile obiectelor din acest puzzle, vom folosi ceva mai avansat decât releele utilizate în circuitul original. Când a fost scrisă această carte, nu existau tranzistori, dar aveau relee. Aceste relee erau conectate astfel încât, atunci când apăsați un buton, acestea să se închidă și apoi să rămână închise până când apăsați butonul de cealaltă parte.

Astăzi vom folosi o parte comună și ieftină numită zăvor de 4 biți. Un „bit” în logica computerului se referă doar la un singur 1 sau 0. Este același lucru ca o cifră. Acest circuit integrat (sau "IC" sau "Chip") conține 4 componente logice cunoscute sub numele de flip flops. Un flip flop este doar câteva porți configurate astfel încât, atunci când îi dați un 1 sau 0 ca intrare, acesta va emite un 1 sau 0 și apoi rămâne „blocat”. De aici și numele flip / flop. Va flip de la 1 la 0 sau flop de la 0 la 1 (sau este invers?) Și apoi va rămâne acolo. Aceasta face practic același lucru ca și cele patru relee din vechiul circuit.

Puteți face un flip flop simplu cu doar două porți, dar cele din acest zăvor au o caracteristică suplimentară (necesită încă câteva porți). În loc să aibă schimbarea imediată a ieșirii odată cu schimbarea intrării, are o altă intrare care activează sau dezactivează intrările. În mod normal, rămâne dezactivat. Acest lucru vă permite să setați două dintre comutatoare (fermierul și unul altul) înainte de a încerca să „trimită” barca către cealaltă parte. Circuitul nostru este deja mai inteligent decât cel vechi.

Acum avem capacitatea de a stabili și a ne aminti locațiile tuturor principiilor din puzzle-ul nostru.

Iată circuitul nostru de până acum: zăvor de 4 biți

Pasul 5: Logica regulilor

Pentru a aplica regulile și a indica când există o problemă, vom folosi câteva porți logice booleene pentru a implementa constrângerile de care avem nevoie.

Vom avea nevoie de patru teste pentru a determina dacă există o problemă - dacă vreuna dintre acestea este adevărată, atunci aprindeți semnalul de avertizare.

1. Dacă boabele și gâsca se află pe cealaltă parte a râului și nu fermierul.

2. Dacă vulpea și gâsca sunt de cealaltă parte a râului, nu fermierul.

3. Dacă fermierul traversează râul și nu sunt cu el nici o vulpe și nici o gâscă.

4. Dacă fermierul traversează râul și nu are alături cereale și nici o gâscă.

Rețineți modul în care am formulat acest lucru pentru a se potrivi exact cu logica pe care o vom folosi, care sunt porțile ȘI cu ieșirile normale sau inversate din zăvor, cele inversate acționând ca un „nu” sau un „NU”.

Deoarece oricare dintre ele poate fi adevărată, provocând o problemă, toate se alimentează într-o poartă SAU.

Logica finalizată, inclusiv blocarea pe 4 biți, este afișată în captura de ecran. Aceasta provine dintr-un program numit logic. Acest program este excelent pentru a arăta fluxul de logică în timp ce manipulați comutatoarele, evidențiind în albastru conexiunile cu o valoare „1”. Am atașat fișierul în care îl puteți încărca în mod logic.

Pasul 6: Prototipează un circuit real

Acum putem crea un adevărat circuit de lucru. Folosind circuitele Tinkercad, putem face acest lucru prin simularea aspectului real și a funcționalității hardware-ului.

Tinkercad a încorporat un zăvor 7475 pe 4 biți, astfel încât această piesă să fie ușoară. Pentru porți, am ales să folosesc două jetoane cu câte 4 porți ȘI fiecare (7408). Pentru a crea patru, 3 intrări ȘI porți folosim două porți ȘI cu ieșirea unuia intrând într-o intrare a celeilalte. Aceasta lasă 1 intrare pe a doua și 2 intrări pe prima, creând o poartă ȘI 3 intrări. Pentru poarta SA, fac același lucru. Un cip de poartă cu patru SAU utilizează două porți SAU cu ieșirile care intră într-o a treia poartă SAU. O poartă este lăsată neutilizată.

Rulați simularea pe circuitele Tinkercad