Factorioの8ビットチューリング完全コンピューター

このゲームが提供するロジックに基づいてFactorioで作成したプロジェクトを共有したいと思います。このプロジェクトは、ほぼ同じ車を現実の世界で作成するためのステップバイステップガイドを書き留めた偉大な精神に触発されました。ご覧になることをお勧めします。このプロジェクトを理解して再現するのに役立ちます 。8ビットコンピューター



私は、彼のチャンネルを通じて多くのことを教えてくれたBen Eaterに頭を下げ、この小さなプロジェクトを彼に捧げたいと思います。素晴らしい仕事ベン！



これは、フィボナッチ数を計算するコンピューターです。8ビットの制限（255）を超えた後、条件分岐を実行して最初からやり直します。





このコンピューターがどのように機能するか見てみましょう。そして恐れることはありません-基本を使えばあなたもそれを行うことができると確信しています！コンピュータの一般的なレイアウトから始めましょう。ここでは、重要な領域を強調しました。以下に、私がそれらをどのように作成したかを説明します。



CLKは、マシンの同期を提供するタイマーです。最新のCPUは、4〜5 GHz（4〜5,000,000,000 Hz）で動作できます。現時点では、Factorioロジックゲートの制限により、私のマシンは2 Hzで実行できます。各入力は、コンビネータ（ゲート）ごとに計算する必要があるため、10が連続している場合は、10ゲームクロック（fps）を待つ必要があります。 ）システムの次のサイクルを開始します。そうしないと、信号が混乱し、計算が実行されません。



PC（プログラムカウンター、プログラムカウンター）-カウンターは、プログラムのどの部分にいるかを示します。プログラムは16バイトのメモリから読み取られます（1バイトには8ビットが含まれます）。カウンタはバイナリ形式（0000、0001、0010、0011、0100、0101 ... 1111）で最大16（4ビット）をカウントするため、これらの計算のそれぞれでレジスタアドレスが得られ、後でメモリから取得できます。それを使ってアクションを実行します。また、カウンターをリセットするジャンプも含まれています。別の値を入力して、メモリ/コード内の特定の場所に移動できます。



バスは、すべてのコンピューターコンポーネントの主要な接続ポイントです。そことの間でデータを転送できます。これを行うには、各コンポーネントのゲートを開閉する制御信号を使用して、3つ以上のゲートが開かないようにします（したがって、データが混合されることはありません）。



ALUは、加算および減算操作を実行する「計算機」です（より複雑なCPUではさらに多くのことができます！）。レジスタAとBにあるものを即座に受信し、論理演算を実行します（命令デコーダで演算を選択します）。その後、このデータはバス（バス）に出力されます。 ALUは、条件分岐関数で使用できるフラグも格納します。



レジスタAおよびB-8ビットの数値を格納できます。これらの数値は後でALUに連結されます。どちらのレジスタもバスとの間でデータを送受信できます。



レジスタアドレス/デコーダ（RAD）-バスから4ビットアドレスを読み取り、読み取る必要のあるRAMの量をデコードします。たとえば、アドレス1110には値0000 0011が含まれています（画像を参照）。



RAM-最近のPCには通常、約16 GBのメモリ（16,000,000,000バイト）があります。 16バイトしかない...これにより、16命令以下のスペースが確保されるため、データ/変数をメモリの他の部分に格納できます。基本的に、ここのRAMは16の異なるレジスタであり、他の場所で使用しているものと同様に、レジスタデコーダを介してアクセスするだけです。



命令レジスタ（IR）/デコーダ（DC）-BUSから命令レジスタにデータを入れてデコードし、プログラムの動作を指示することができます。 4ビットのみが使用され（ターコイズで強調表示）、プログラム可能な16種類のコマンドが提供されます。レジスターAに格納されているものを出力するOUTコマンドがあるとします。これは1110としてエンコードされているため、このようなコマンドがレジスターにヒットすると、それをデコードしてコンピューターに続行方法を指示できます。



マイクロコードカウンター（MC）-プログラムカウンターに似ていますが、命令デコーダー内にあります。各コマンドをステップスルーする機能を提供します。



LCD / Screenは実際にはレジスタですが、内容をLCD画面（ランプ-コンビネータ-ディスプレイ、「ランタンとコンビネータのディスプレイ」）に印刷するため、より複雑です。



スイッチボード（SB）-このパネルには、コンピューターの各コンポーネントを制御するために送信するスイッチ機能が表示されます。現在、さまざまなものを制御する17の異なるスイッチがあります。たとえば、BUSからレジスタAに読み込んだり、メモリ/コマンドレジスタに書き込んだりする場合などです。以下に説明するスイッチを使用して、マシンを手動で制御できます。



フラグ（F）-フラグを格納するためのレジスタ（キャリー[T]-加算時に8ビット値を超えた場合、ゼロ化[O]-合計/差が0の場合）。それらは、条件付きジャンプコマンドで私たちを助けます。





最初に各コンポーネントについて詳しく説明し、最後に、プロセスがより明確になるため、コンピューターをプログラムする方法を説明します。プログラミングだけに興味がある場合は、記事の最後の部分にスキップしてください。



CLKはタイミングジェネレータであり、あらゆる計算で最も重要なものです。高い[C = 1]信号と低い[C = 0]信号を同時に持つ発振器を作成したかったのです。



（1）これは信号をジェネレータに供給する基本的な定数コンビネータです。 （2）にジャンプし、入力と出力がマージされます。この構成のおかげで、各ゲームクロック（UPS）で、[C]の値は1ずつ増加します。[Z]に達すると、0にリセットされます。つまり、Zは、ゲームクロックの数を示します。ジェネレータをリセットします。下に2の単純な除数もあり、ジェネレーターを半分の時間ハイに保ち、半分の時間ローに保ちます。 Cが[Y]（[Z]の半分）よりも小さい場合、ジェネレーターはハイです。それ以外の場合はローです。



インサーター（4）は、ティックをさらに制御する必要がある場合に備えて、セカンダリ同期ジェネレーターとして使用されます。最初の胸に何かを入れると、ビートが発生します。 5本のバーが必要な場合は、5本のオブジェクトを配置する必要があります。



（5）は最初の制御信号です。 [H]はHALT {HLT}コマンドの略です。値が小さい場合[H = 0]、ジェネレーターは正常に動作し、値が大きい場合は手動モードになります。これは制御ゲートによって促進され、それら（5a）は通常の動作に使用され、信号[H]が0でない場合、手動モードがアクティブになり、[C]（当社のCLK）が出力されます。



また、ゲート（6）を使用して反転信号を作成しました。出力が低い場合、反転信号は高くなります。車では使用していませんが、後で参照できるように覚えておくことをお勧めします。



信号[C]は、緑色の線を通ってシステムを通過します。簡単に追跡でき、他の信号と混同しないように、完全に別のワイヤー（たとえば、バスが赤いワイヤー上にある）で分離したかったのです。





レジスター-それらに脅かされないでください。これはおそらくシステム全体の中で最も複雑な部分ですが、マシン全体がどのように機能するかを理解することが重要です。



レジスタには値が含まれています。通常の生活では、8ビットおよびその他の信号ごとにレジスタを作成する必要があります。幸い、Factorioでは1本の回線で複数の信号を送信できます。基本的に、これらはJKトリガーです。



それらがどのように機能するかについて簡単に説明します。同期パルスごとに、内部にあるものをフラッシュし、入力値を保持します。入力値がない場合（すべてゼロ）、それらは同期サイクルでクリアされます。もちろん、それらが常に空になることは望ましくありません。結局のところ、値を格納する必要があります。したがって、これから説明する制御ロジックを使用し、後でトリガーを作成するという黒魔術を扱います。



保存された値（1）は懐中電灯で表示されます。ライトが点灯しているときは1を意味し、消灯しているときは0を意味します。ご覧のとおり、現在値1110 1001



を格納しています。 値をバスに出力するには、ゲート制御ロジック（2）を使用します。 [K]信号がローの場合、このゲートはレジスタ内にあるものをすべてメインバスに出力します。



信号が低く、高くないときになぜそれを使用するのですか？論理ゲートは供給されたすべてのものを出力するため（赤*）、その結果、バスには信号[K]があり、これは必要ありません。必要なのは[7、6、5、4、3]だけです。 、2、10]。同じ理由で、必要なときにのみ[K]を受信するように、ゲート（3）で制御信号をフィルターで除去する必要があります。



ゲート（4）は、バス（赤い線）と制御信号（緑の線）の両方に接続されています。前の場合と同様に、レジスタは信号[A]がローのときに入力を受け取ります。他のすべての信号をフィルターで除去するには、論理ゲート（4a）を使用します。実際、バスからのすべての入力と不要な制御信号を受け取り、それらをコンビネータ（4b）に追加します。コンビネータの入力は常に信号[7、6、... 0] = 1です。が0の場合、これらの各信号= 1を出力します。簡単ですよね？この場合、バスからの重要な値のみがレジスタに入力されます（値0は引き続き1であり、1クロックサイクルの間点滅し、その後、高CLKサイクル全体を通じて無効のままになります）。



このような状況で、[C]がハイになると、シャッター（6）は[BLACK]信号を出力し、シャッター（6a）は[C]を無効にします。ただし、UPSがゼロになるまであと1回かかるため、ゲート（6）はこのような短時間で信号を出力します。



次に、この信号はゲート（7）に転送され、ゲート（7）も短時間開きます。ゲート（7b）は、[BLACK]信号を無効にして、信号のカストディアンとして使用されるゲート（8）に格納されないようにします。これは、入力と出力の両方が相互に接続されているため、CLKネットに似ています。入力がない場合は、変更されません。新しいデータを入力せずにもう一度クロックを変更すると、ゲート（7a）は、レジスタに格納されている値に対して反転した信号を入力して、それをクリアします。



変更認識とレジスターがどのように機能するかがわかったので、ほとんどすべてがわかりました。





ALU-レジスタ（A）と（B）にあるものを常に加算/減算します。 [Z]バスに出力するか、[S]を減算するようにモードを変更するかを制御するだけです。



使い方？説明は私の記事の3倍になるので、全体像を把握するには、BenIterのビデオをいくつか見ることをお勧めします。



Factorioでこのような加算器を作成する方法についてのみ説明します。



これを行うには、XOR（1）、AND（2）、およびOR（3）の3種類のゲートが必要です。幸いなことに、それらは作成するのに十分簡単です。同じラインで複数の信号を使用できるため、最初のXORおよびANDゲートを2つに簡略化でき、8ビットすべてに対してそれらを実行する必要はありません。これにより、（4）チェーンの一部を作成し、ビットごとに複製することができます。



減算は、レジスタ（B）からの信号を反転する信号[S]を使用して実行されます。



ALUはキャリーも出力し（合計が8ビットを超える場合）、ゼロ調整して右側のレジスタ（メインコンピュータの画像のF）に格納します。





LCD /画面-威圧的に見えますが、正直なところ、作成するのが最も簡単でした。すべてを正しく接続するのに時間がかかるだけです。



まず、入力が[P]信号によって制御されるレジスタを作成します。次に、各ビットにその値を掛けて、それを10進値に変換し、10進値を持つ同じ信号を取得します（これはFactorioでの不正行為のようなものですが、プログラム可能なEEPROMがないため、あまり向きを変えることができません）。変換するには、最初のビット[0]を取得して* 1を乗算し、次に2番目のビット[1]を取得して* 2を乗算し、3番目の[2]を* 4で乗算する必要があります。その過程で、任意の値に出力して結果の数値を決定します（この場合は[水滴]です）。



LCDは数字（3）に対して9ステップでオンになります。手順（1）に対応するライトを設定し、ゲート（2）を使用して、必要な場所に正確に値を出力する必要があります。別の定数コンビネータ（3）を追加し、それを1つの特別なゲート（2）にのみ接続することを覚えておく必要があります。次に、すべてのライトを相互に接続し、（1）のどのステップにあるかを指示します。





RAM /メモリレジスタ（RAD）-ここでは、RAMがどのように機能するかを大まかに説明します。



同期パルスを使用して値を格納するレジスタはすでにわかっています。 RAMは、16個（この場合）の異なるレジスタ（2）のグリッドです。それらの入力は、4ビット[0、1、2、3]を格納する別のレジスタ（1）によって制御されます。これにより、ポイントしているメモリ位置がわかります。これは、LED /画面と同様に機能するアドレスデコーダー（3）を使用して実装されます。各ゲートは定数コンビネータ（この場合は1100 bin = 10 dec）から値を受け取り、対応するレジスタ（この場合は[M]）の信号名を出力して、値にアクセスできるようにします（この場合は00110）。 0011）。



手動メモリプログラミングもここで言及する価値があります。これは、[W]信号を使用して実行でき、定数コンビネータ（4）を使用して有効/無効にできます。別のコンビネータ（5）を使用してアドレスを変更し、別のコンビネータ（6）を使用して値を入力します。最後に、すべてをチェスト（7）に入れるだけなので、同期するときに、コンピューターのメインCLKに触れることなく、手動で値をRAMに転送します。





プログラムカウンター（PC）-そのタスクは、どのプログラムステップであるかを計算することです（1）。起動時の値は0000で、このアドレスはRAMから読み取られ、解釈のためにコマンドレジスタに転送されます。コマンドが完了した後、信号[X]でカウンターをインクリメントすると、0001に等しくなり、次の反復でこのアドレスがメモリから取得され、ループが続行されます。



もちろん、プログラムの他の部分への無条件または条件付き分岐を実行する必要がある場合もあります。これは信号[J]で行うことができます。ローの場合（この場合、ローはアクティブを意味します）、リセットされ、ジャンプ先のアドレスをバスから読み取り、レジスタ（2）に格納します。 [J]が再びハイになると、変化検出器（2の真下にあります）にPCに信号を送ります。



カウンタ自体はCLKと同様に機能しますが、クロックサイクルを常にカウントするのではなく、CLKの変化が検出されたときに（実際には、XとCLKがアクティブな場合にのみ）クロックサイクルをカウントします。これは画像（1）で見ることができます。



次に、制御信号[C]を使用して信号をバスに適用できます。





スイッチボード（SB）-これは、プログラムで使用される各制御信号を説明する適切なタイミングです。



信号は2色に分かれており、緑は左、赤は右になります。定数コンビネータからの各信号は、実際には値[-1]として渡されます。つまり、コンビネータが*！= 0に設定されている場合、信号1を出力できます。これにより、制御ロジックが信号[1]を送信すると、それらはキャンセルされ、[0]を取得します。すべての場合、これだけが必要です（レジスターについて説明している部分で読むことができます）。



[H]-クロックジェネレータを停止し（手動モードに切り替えます）、高信号はCLKが切り替えられないことを意味します。



[Q]-レジスタが配置されているRAMのアドレスで、高信号の場合、RAMアドレスレジスタは次のCLKサイクルでバスからの値を保存します。



[Y] -RAMメモリ入力。RAM信号がハイの場合、次のCLKサイクル（アドレスレジスタに格納されているアドレス）でバスから値を保存します。



[R] -RAM出力。RAM信号がハイの場合、次のCLKサイクルで（アドレスレジスタに格納されているアドレスから）値をバスに出力します。



[V]-コマンドレジスタの入力。信号がハイの場合、コマンドレジスタは次のCLKサイクルでバスからの値を保存します。



[U]-コマンドレジスタの出力。信号がハイの場合、コマンドレジスタは次のCLKサイクルで値をバスに出力します（最後の4ビット[3、2、1、0]のみ）。



[C]-プログラムカウンターの出力。信号がハイの場合、プログラムカウンターは次のCLKサイクルで値をバスに出力します（最初の4ビット[7、6、5、4]のみ）。



[J]-遷移アドレスの入力。信号がハイの場合、プログラムカウンターは次のCLKサイクルでバスからの値を設定します（最後の4ビット[3、2、1、0]のみ）。



[X]-コマンドカウンターの値を増やします。信号がハイの場合、プログラムカウンターは次のCLKサイクルでインクリメントを実行します。



[A]-レジスタAの入力。レジスタAにHigh信号があり、バスからの値は次のCLKクロックサイクルで保存されます。



[K]-レジスタAの出力。レジスタAからのハイ信号で、値は次のCLKクロックサイクルでバスに出力されます。



[Z] -ALUピン。ALU信号がハイの場合、次のCLKサイクルで値をバスに出力します。



[S]-減算（ALU）。信号がハイの場合、ALUはモードを加算から減算に変更します。



[B]-レジスタBの入力、レジスタBにハイ信号がある場合、バスからの値は次のCLKクロックサイクルで保存されます。



[L]-レジスタBの出力。レジスタBからのハイ信号で、値は次のCLKクロックサイクルでバスに出力されます。



[P] -LCD /スクリーンレジスタに入ると、信号がハイになると、バスからの値が次のCLKサイクルでLCD /スクリーンレジスタに保存され、この値が表示されます。



[W]-フラグレジスタの入力。信号がハイの場合、フラグレジスタはALUからのキャリー（8ビットを超えた場合）、ゼロ（ALU操作= 0000 0000の場合）を保存します。



[ピンク信号]-キャリーフラグが発生しました[T]



[ターコイズ信号]-ゼロフラグが発生しました[O]



ここで、OUTアクションを実行する必要があるとします。レジスタAにあるものを取得し、LCD /画面（レジスタ）に出力します。 ..これを手動で行うには、[K]信号（レジスタA->バスの出力）と信号[P]（バス->レジスタ入力lcd）をオンにする（特定の文字の定数コンビネータをオフにする）必要があります。 / screen）、次にCLKクロックを実行します。





コマンドレジスタ/デコーダー/マイクロコードカウンター-ここから魔法が始まります。コンピューターを手動で制御する方法がわかったので、これは理解に役立ちます。彼が自分自身を管理できるようにするために何をする必要があるか。



（1）マイクロコードカウンターは8にカウントされます（それほど必要ない場合は数を減らすことができます）。つまり、8つの異なるオン/オフコマンドを実行して、1つのコマンドでアクションを実行できます。



（2）コマンドはバスからレジスタに読み込まれます。このためには、信号[C]（コマンドカウンタの出力->バス）と[Q]（バス->入力メモリアドレス）をオンにする必要があります。 RAM [R]（出力RAM->バス）をコマンドレジスタ[V]（バス->コマンドレジスタ）に読み取り、カウンタ[X]をインクリメントします。



上記のすべてのアクションを毎回実行する必要があるため、これらすべて（4）をマイクロコードカウンターに直接接続して、カウンターがステップ0と1を実行するたびにこれが発生するようにし



ました。レジスターに何かがある場合は、次を使用できます。 RAMアドレスレジスタ用に作成してLCD /画面に出力したものと同様の真理値表。



コマンドレジスタ（常に8より大きい）とマイクロコードカウンター（常に8以下）からの[D]値を追加でき、結果の数値を使用して論理ゲートを作成できます。これはゲート（3）によって行われます。



この例は、コマンド0110 XXXX（JMPコマンドをプログラムしたdecの48 + X）を示しています。このコマンドは、マイクロコードカウンターのステップ2に追加され、50になります。



別の例：コマンドADD（0010 XXXX-16 + X in dec）;ステップ0と1の後、マイクロコードは2になります。つまり、レジスタ18〜24をコードの別の部分に使用できます（この場合、ADDは3ステップのプロセスであるため、18〜20のみが必要です）。



（5）キャリーフラグは単純な論理ゲートによって処理され、論理ゲートにキャリー[T]またはゼロ[O]が適用されていない場合にのみ入力が無効になります。



以下は、実装されたコマンドの完全なリストです（コマンドを変更したり、独自のコマンドを追加したりできます！）：



0 NOP --0000XXXX-何もしません。



1 LDA X-0001 XXXX-XRAMアドレスからレジスタAに値をロードします。



2 ADD X-0010 XXXX-X RAMアドレスからレジスタBに値をロードし、次に加算を出力してレジスタAに配置し



ます。3ADDX-0011 XXXX-XRAMアドレスからレジスタBに値をロードします。次に、減算を出力して



レジスタAに格納します



。4STAX -0100 XXXX-レジスタAから値をロードし、アドレスX.5のRAMに格納します 。LDIX-0101XXXX-コマンドレジスタから値をすばやくロードします（レジスタAへの4ビット値のみ）



。6JMPX-0110 XXXX-無条件（常に発生）、値Xへの遷移（PCはXの値を割り当てます）。



7 JC X-0111 XXXX-キャリー値[T]がtrueの場合、値Xにジャンプします（PCをXに割り当てます）。



8 JO X-1000 XXXX-ゼロ[O]の転送が真の場合、値Xに移動します（PC値をXに割り当てます）。



9 OUR X-1001 XXXX-XRAMアドレスからの値を表示します。

..。

..。

..。

14 OUT-1110 XXXX-レジスタAから表示を実行します（Xは何もしません）。



15 HLT-1111 XXXX-同期ジェネレーターを停止します（Xは何もしません）。



簡単なプログラムを書いて、それがどのように機能するか見てみましょう！



0 LDA3-メモリアドレスからレジスタAに値をロードします 31OUT-



レジスタAからの値を表示します



。2HLT-CLK、つまりマシン全体を停止します。



3 42-保存された値



つまり、実際、このプログラムはアドレス3 RAM（バイナリでは0011）に保存された値を出力します。



バイナリに変換してみましょう：



0アドレス：0000、値：0001 0011



1アドレス：0001、値：1110 0000



2アドレス：0010、値：1111 0000



3アドレス：0011、値：0010 1010



つまり、プログラムを作成するには、アドレス0000から始まるメモリ（メモリパネルのW。RAMイメージのある部分を参照）に書き込み、値0001 0011を内部に入力する必要があります（0001はLDAコマンドを意味し、0011はX、つまりアドレスです。 3メモリ内）..。



次に、他のチームについても同じことを行います。



もう一度[W]を緑色に変えて、カウンターの停止を保存することを忘れないでください。



JでジャンプしてPCをリセットすることもできます（CLKビートを変更する必要はありません）。