Projekt: Einfacher Prozessor mit diskreten Transistoren

Ziel

Entwicklung und Simulation eines einfachen Prozessors, der ausschließlich auf diskreter Transistorlogik basiert. Die Schüler werden grundlegende digitale Bausteine entwerfen und simulieren, um schrittweise einen Prozessor zu realisieren.

Beschreibung

Das Projekt besteht aus drei Hauptphasen:

1. Beschreibung und Simulation einfacher Gatter mit diskreter Transistorlogik (LTSpice)

   • Logikgatter wie AND, OR, NOT und NAND werden mit Transistoren (NPN und PNP) entworfen, simuliert und getestet.

2. Beschreibung und Simulation der ALU und anderer Grundbausteine des Prozessors (Logisim)

   • Aufbau und Simulation der ALU sowie weiterer Bausteine wie Register, Speicher und Steuerwerk in Logisim.

3. Beschreibung und Simulation des vollständigen Prozessors (Logisim)

   • Integration aller Komponenten in Logisim, um einen funktionierenden Prozessor mit minimalem Befehlssatz zu simulieren.

Projektphasen

Phase 1: Beschreibung und Simulation einfacher Gatter (LTSpice)

• Ziele:
  • Verständnis der grundlegenden Funktionsweise von Transistoren als Schalter.
  • Aufbau digitaler Logikgatter mit diskreten Transistoren.
• Aufgaben:
  1. Simulation von Transistoren in LTSpice:
     • Untersuchung des Verhaltens eines einzelnen Transistors als Schalter.
     • Simulation einfacher Verstärkerschaltungen.
  2. Design und Simulation grundlegender Logikgatter:
     • NOT-Gatter: Ein einzelner Transistor invertiert das Eingangssignal.
     • AND-Gatter: Zwei Transistoren in Reihe, gesteuert durch zwei Eingänge.
     • OR-Gatter: Zwei Transistoren parallel geschaltet.
     • NAND-Gatter: Kombination von Transistoren zur Implementierung eines universellen Gatters.
  3. Überprüfung der Gatter-Logik durch Simulation von Wahrheitstabellen.
• Ergebnisse:
  • Funktionierende LTSpice-Simulationen für alle grundlegenden Logikgatter.
  • Erkenntnisse über Signalflüsse und Schaltzeiten in Transistorschaltungen.

Phase 2: Beschreibung und Simulation der ALU und Grundbausteine (Logisim)

• Ziele:
  • Aufbau der ALU für arithmetische und logische Operationen.
  • Entwicklung weiterer Prozessorbausteine wie Register und Steuerwerk.
• Aufgaben:
  1. ALU:
     • Simulation eines 4-Bit-Addierers (Halbaddierer/Volladdierer).
     • Implementierung logischer Operationen wie AND, OR, XOR.
     • Auswahl der Operationen mit einem Multiplexer.
  2. Register:
     • Aufbau eines 4-Bit-Registers mit Flip-Flops.
     • Simulation des Ladens, Speicherns und Zurücksetzens von Werten.
  3. Steuerwerk:
     • Implementierung eines einfachen Taktgenerators.
     • Simulation einer Zustandsmaschine zur Steuerung der Befehlsabfolge.
  4. Speicher:
     • Aufbau eines kleinen Speichers (z. B. 16 x 4-Bit).
     • Adressierung und Datenfluss zwischen Speicher und ALU simulieren.
• Ergebnisse:
  • Funktionierende Simulation der ALU und Grundbausteine in Logisim.
  • Verständnis der Interaktion zwischen den Bausteinen.

Phase 3: Beschreibung und Simulation des vollständigen Prozessors (Logisim)

• Ziele:
  • Integration der Bausteine zu einem vollständigen Prozessor.
  • Simulation eines minimalen Befehlssatzes und einfacher Programme.
• Aufgaben:
  1. Integration:
     • Zusammenschalten der ALU, Register, Speicher und Steuerwerk.
     • Synchronisation aller Komponenten über den Taktgenerator.
  2. Instruction Set Architecture (ISA):
     • Definition eines minimalen Befehlssatzes:
       • ADD (Addition von zwei Zahlen).
       • LOAD (Laden eines Werts in ein Register).
       • STORE (Speichern eines Werts im Speicher).
       • JMP (Springen zu einer Adresse).
  3. Simulation von Programmen:
     • Test eines einfachen Programms (z. B. Addition zweier Zahlen und Speichern des Ergebnisses).
     • Debugging der Datenflüsse und Steuersequenzen.
  4. Visualisierung:
     • Verwendung von LEDs oder Logisim-Symbolen zur Anzeige der Datenflüsse und Registerinhalte.
• Ergebnisse:
  • Funktionierende Simulation eines vollständigen 4-Bit-Prozessors.
  • Verständnis des Zusammenspiels aller Prozessorbausteine.

Lernziele

• Vermittlung der Grundlagen digitaler Schaltungen mit Transistoren.
• Verständnis der Funktionsweise grundlegender Prozessorbausteine wie ALU, Register und Steuerwerk.
• Entwicklung und Simulation einer kompletten CPU-Architektur.
• Einführung in Simulationswerkzeuge (LTSpice und Logisim).