加深加廣學習成果報告 - 四位元加法電路

一、動機

暑假時，我有買一本計算機概論解解讀書的悶，當成課外讀書把整本看過一遍，但我覺得沒有親自實作一次，感覺只是知識而非內化在心裡的東西。因此產生了

經過上個專案基本電子電路課程之後，對電子有了基本的認識，接下來，便是繼續完成製作一臺電腦的目標。電腦的演變是從加法器開始，也就是說，電腦發明的根本原因是計算。因此，學習製作一個可計算數學的電路，可以向我的目標邁向一大步。

二、方法

自己完成一個四位元加法電路。

三、實作歷程

尋找資料

因為紙本計算機概論電子電路只有大略的知識，所以我另外去Neso Academy學習一些電路知識。

▲圖一：Neso Academy(資料來源：自行截圖)

在學習期間，為了知道其知識在電腦結構中在什麼位置，我另外看了一些與電腦相關的影片，Crash Course: Computer Science 與 Sebastian Lague 的 How Computers Work。

▲圖二：Crash Course: Computer Science(資料來源：自行截圖)

▲圖三：How Computers Work 播放集(資料來源：自行截圖)

前者是計算機概論的簡化版，提供的資訊量跟書比廣度少，深度淺，但利用動畫使知識容易被理解；後者廣度三者最淺，但在ALU部分的知識最深，動畫也最細緻。

在尋找資料的過程，我了解到找資料時，專精於單一個資料來源，不及多個資料來源。單一個資料來源提供的知識可能只是指體的一部份，並且每個資料來源陳述的方式都不太一樣，描述相同的東西，能吸收到的東西都不相同。唯有多個資料來源，才能將育研究的知識點看透。

繪製電路圖與焊接電路

在焊接電路前，我先以Tinkercad的電路模擬，確認電路是否可以運作。

▲圖四：利用Tinkercad電路進行電路模擬(資料來源：自行拍攝)

模擬成功後，接著繪製電路圖，方便焊接。此電路有些複雜，不好以手繪製，我找到EasyEDA來完成電路繪製。

▲圖五：EasyEDA網頁畫面(資料來源：自行截圖)

有了電路圖後，就可以親手用萬用電路板焊電路了。我本來預計將圖中直向的電路用萬用電路板金屬面用裸單心線連接，而橫向的線路以上方跳線連接。因為直向皆為會分支的主幹，橫向只是從一個點連接到另一個點。

▲圖六：四位元加法電路電路圖(資料來源：自行截圖)

然而，中間發生了一個小插曲，我將IC的位置焊錯，而IC難以解焊，導致我必須拋棄之前規劃的電路，根據新的IC位置，重新規劃。

經過仔細思考，我將所有的線路分成三個部分，分別為普通線路(紅)，從普通線路有分岔的(黃)，與無分岔的(綠)。黃色的線路焊接時依據跳線長短將相同訊號源的線路區分出來，以裸單新線連接，綠色的線路則可以用元件面跳線連接。

▲圖七：將電路分類(資料來源：自行拍攝)

焊接約十幾個小時，終於把實體完成。焊接縮時攝影請參閱此網址：Making My First Computer! #3 [4 Bit Adder with Perfboard 四位元萬用電路板加法器］ - YouTube

▲圖八、九、十：焊接過程與完成品(資料來源：自行拍攝)

四、登錄書

以下為此課程的登錄書

▲圖十一：評量登錄表(資料來源：自行拍攝)

五、心得與未來展望

此作品是我電子電路的第二件作品。這學期之前，我都沒有焊製電路的經驗，為了能完成這件作品，我在睡前查詢了許多資料，涵蓋技術層面與知識層面，在這之中，感覺對電腦的認識又近了些。我拿了這件作品給電腦老師看，他只說他從未實作，接著開始抱怨大學的種種不悅。當然，等老師停止完抱怨，我跟老師講述我的壯舉：製作一臺電腦，他說電腦牽扯到Timing和一堆奇怪的東西，當然，最後他總結說，我應該去學Apple II 如何操作，會收益良多。我回去查了一下，發現他是用6502的積體電路去執行電路處理的，而6502大大影響了電腦的發展。學歷史是用來鑑往知來，相信當我了解6502是如何運作的，我將會離製作人生第一臺電腦的夢想更接近。

▲圖十二：Apple ][ 教學影片與Apple ][模擬器(資料來源：自行截圖)

六、四位元加法電路成果

▲圖十三：完整品附加說明(資料來源：自行拍攝)

此電路有2*4個輸入，五個輸出，電源的電壓為4.5V，每橫排四個輸入表示一個數字，輸出方面，最左邊的燈泡為CARRY，其餘四個表示一個數字。藉由調整指撥開關，可調整輸入的兩個數字，並且兩個數字的相加會同步從輸出端顯示出來。數字的表示法以二進位表示。例如上圖，上排指撥開關，依序為1011，以二的補數轉成十進位為-5，下排指撥開關，依序為1011，也是-5，CARRY可以不用管，輸出為0110，也就是6。至於(-5)+(-5)運算結果是6，是因為輸出端只能表示-8~+7的數字，而發生了溢位。