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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik befehlszähler für einen relaiscomputer


Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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hallo,
ich habe in diesem jahr eine elektronik-ag in einer schule gestartet und 
die sache soll langfristig in richtung mc gehen. ich konnte einige 
schüler der klasse 6 begeistern und wir haben mit einfachen 
relaisschaltungen begonnen. diese sind auch für kinder leicht 
verständlich, es klackt, es bewegt sich was, schalter werden geöffnet 
und geschlossen. aktuell haben wir jetzt das projekt eines 
relaisrechners in angriff genommen. wird im prinzip eine 8-bit cpu, die 
nur aus relais und dioden besteht. die alu ist schon komplett fertig, 8 
arbeitsregister sind auch fast fertig und die mikrocodesteuerung 
(schieberegister mit diodenmatrix) ist in arbeit.
der befehlszähler macht mir noch einiges kopfzerbrechen.
er sollte möglichst:
-binär arbeiten
-mit einem taktimpuls inkrementieren
-mit einer neuen adresse überladen werden können (absoluter sprung)
-in einem schritt um n incrementieren und decrementieren können 
(relatver sprung)

auf den 4.punkt könnte ich eventuell verzichten und nur absolute sprünge 
zulassen.

ich suche nun eine gute idee, wie man diese funktionen mit möglichst 
wenigen relais (relais mit 1xum, 2xum und 4xum stehen zur verfügung) 
umsetzen kann.
allein schon der binrzähler mit relais ist nicht trivial.
ok, ist etwas exotisch, aber vielleicht hat ja jemand eine gute idee.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Autor: mr.chip (Gast)
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Könnte man Kindern die Elektornik nicht mit einem etwas praxisnaheren, 
einfacher zu handhabenderen Projekt als einem Relaiscomputer 
nahebringen?!? Mikrocontroller beispielsweise...

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Sven Pauli wrote:
> http://relaiscomputer.de/ :-)

den link kenne ich, die schaltungen sind vollkommen inakzeptabel, da sie 
viel zu aufwendig sind. im befehlszähler für nur ein bit 8 relais zu 
verwenden ist reine verschwendung. er schreibt ja auch auf seiner seite, 
das er nicht die optimalste lösung gefunden hat.

mr.chip schrieb:
>Könnte man Kindern die Elektornik nicht mit einem etwas praxisnaheren,
>einfacher zu handhabenderen Projekt als einem Relaiscomputer
>nahebringen?!? Mikrocontroller beispielsweise...

eine relaisschaltung können kinder mit geringer vorbildung in etechnik 
innerhalb kürzester zeit erfasen, der mc bleibt eine imaginäre blackbox.

mal als beispiel:
wir haben uns in der ersten stunde angeschaut wie ein elektromagnet 
funktioniert und ich habe den magneten eine stahlfeder anziehen lassen, 
die gleichzeitig ein schaltkontakt war,... relais geklärt. dann habe ich 
fertige relais gezeigt und wir haben zwei schaltungen mit öffner und 
schliesser aufgebaut. nach 30min konnten einige schon vorhersagen, wie 
die sumerschaltung (relaisspule wird über einen öffnerkontakt betrieben) 
funktioniert.
sie haben also innerhalb kürzester zeit verstanden, wie ein relais 
funktioniert und konnten selbständig vorhersagen wie das system reagiert 
und genau darum geht es mir.
meiner meinung erreicht man das mit einem mc nicht, denn es ist nicht 
möglich ein solch komplexes gebilde wie einen mc schnell zu erfassen.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Schau mal in dem Thread das sind einige Zaehlerschaltungen mit Relais 
drin b.z.w. ist dort ein einziges Flipflop mit Relais beschrieben. Das 
kann man natuerlich erweitern auf mehr Stellen.

Aber um ehrlich zu sein irgendwann blickt man auch bei Relaisschaltungen 
kaum noch durch geschweige von dem immensen Aufwand. Da waere es 
vielleicht schon besser das mit TTL ICs zu machen .

Beitrag "Einmal drücken ein, nochmal drücken aus"

Gruss Helmi

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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danke, lese ich mir sofort durch.

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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mal sehen.
da ich in der schaltung auch widerstände, kondensatoren und diode 
zulasse (wurden in historischen rechnern ja auch eingesetzt), werde ich 
wohl flankengesteuerte rs-flipflops verwenden, denn da benötige ich nur 
2 relais pro stufe. auf relative sprünge werde ich verzichten.

Autor: Gast (Gast)
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Schade um die Arbeitszeit.

Bauen wir doch eine Steinzeitaxt.

Messen wir die Zeit mit einer brennenden Wachskerze.

Zähmen wir uns ein Pferd, damit wir besser Einkaufen gehen können.

Schmeißen wir die Streichhölzer weg, man kann ja mit Zunder Feuer 
machen.

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Gast wrote:
> Schade um die Arbeitszeit.
> Bauen wir doch eine Steinzeitaxt.
> Messen wir die Zeit mit einer brennenden Wachskerze.
> Zähmen wir uns ein Pferd, damit wir besser Einkaufen gehen können.
> Schmeißen wir die Streichhölzer weg, man kann ja mit Zunder Feuer
> machen.

du hast ja sooo recht, wozu noch etwas selbst bauen oder herausbekommen 
wie etwas funktioniert und es verstehen, wozu sich an geschichte 
erinnern und grundlagen lernen, es gibt doch schon alles zu kaufen.

viel spass noch!

Autor: Andreas K. (ergoproxy)
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Also sagt mal ihr habt von Anfang an alles gekonnt oder? Ich find die 
Idee klasse ^^ leider hatte ich nie so einen Lehrer ;)

Er hat schon recht es ist einfach anschaulicher und imposanter so eine 
reine Klackermaschiene. Zu dem Argument mit ner Steinzeitaxt - Schon mal 
versucht nen Stein scharf zu bekommen? Ist ein ziemlicher Akt. Macht 
auch Spaß und nicht alles muss immer einen sofortigen Nutzen haben. 
Außerdem hat er ja geschrieben er wird später auch µCs drannehmen, wo 
ist also das Problem.

Grüße ErgoProxy

Autor: Sachich Nich (dude) Benutzerseite
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Finde die Idee auch gut, grundlegender kann man doch nicht einsteigen.

Autor: Dominique Görsch (dgoersch)
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Finde es auch ein super Projekt, weiter so! Wir sind damals in Technik 
gleich mit dem FischerTechnik Computing-Kram eingestiegen, 
Ampelschaltung und sowas... die Relais sind noch was zum anfassen und 
man hört sie arbeiten.

Hoffe ihr macht wenigstens Bilder vom Ergebnis, würden mich sehr 
interessieren.

Gruß
Dominique Görsch

Autor: Klaus (Gast)
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Hbt ihr euch mal die Z3 im Deutschen Museum in Münschen angeschaut? Das 
Ding funktioniert sogar noch.

Ich finde so nen Releaisrechner sehr beeindruckend. Da kann man sogar 
richtig sehen, wie der am Rechnen ist :)

Autor: chester (Gast)
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Echt gute Idee,

ich hoffe ihr findet dann auch all die "Bugs",
die sich übern Winter in den Relais einnisten werden.

Weiter so, vielleicht gibts ein bild / link ?

Autor: Matthias S. (da_user)
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Wow..
hört sich ja wirklich klasse an das Projekt. Vielleicht gibts ja mal ne 
schöne Dokumentation dazu? Könnte ja quasi ein Nebenzweig des Projektes 
werden... ;-)

Autor: crazy horse (Gast)
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Ich finde die Idee im Prinzip auch Klasse, lass dich nicht nicht von den 
paar Stinkern entmutigen, die gibts immer und überall.
Nichts bleibt so im Gedächnis, wie selbst Erlebtes und Verstandenes - da 
erzählen sich die Kiddies noch als 80jährige beim letzten Klasentreffen 
von...:-), da wird sicher das eine oder andere Hobby oder sogar Beruf 
draus entstehen.
Ich persönlich würde es allerdings bei Logikschaltungen mit Relais 
belassen, ALU und Befehlswerk - das ist schon etliches aufwändiger und 
der Lerneffekt geht fast gegen 0.
Das kann schnell zum Projekt für 1 Jahr werden mit geringen 
Fortschritten, Elan und Begeisterung kann schnell nachlassen, sag ich 
dir als Vater von 3 Jungs in dem Alter :-)
Ich würde dann schon rel. schnell zu IC-Logik (kombinatorisch, 
sequentiell) übergehen, von da aus ist der Schritt zum 
IC-Einfachst-Computer nicht mehr weit.

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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vielen dank für den zuspruch.
es ist nicht zu vergessen, dass ich schülern möglichst früh den einstieg 
bieten möchte und in kl6 geht der physikunterricht erst los. strom und 
spannung sind in dem alter noch diffuse begriffe und da gleich mit mc 
anzufangen halte ich eben für verfehlt. es muss etwas zum anfassen sein, 
dass  man sinnlich wahrnehmen können muss und bei dem einfachste 
kenntnisse zum verständnis ausreichen.
so einfache definitionen wie:
relais - durch elektromagnet gesteuerter schalter
widerstand - abschwächer
kondensator - speichert "strom" für kurze zeit, ähnlich wie ein akku
diode - ventil für strom
reichen im prinzip aus und das ist so faszinierend, dass man die 
funktion einer schaltung mit so einfachen grundlagen erfassen kann. 
ausserdem sind die bauelemente so groß, dass das löten kein problem 
darstellt. die aufgabenverteilung funktioniert super, da alles modular 
aufgebaut ist und wir mit den modulen anfangen (register, alumodule) von 
denen viele gleichartige aufgebaut werden müssen.

zu den historischen rechnern:
da habe ich mir auch einige angesehen, viele sind aber 
gleitkommamaschinen speziell für wissenschaftliche berechnungen, manche 
sogar echte dezimalmaschinen (gehen also ma thema mc letztendlich vorbei 
oder sind mathematisch zu anspruchsvoll). deshalb habe ich mich für ein 
microcontrollerdesign entschieden, das komplett binär arbeitet. das 
binär- und hexadezimalsystem hatte ich in klasse 5 schon behandelt und 
da war der einstieg recht einfach.

zu den bildern. ich erstelle eine komplette dokumentation zu dem 
rechner, allein schon, falls mal eine reparatur ansteht. auch da will 
ich die schüler zu gegebener zeit mit einbeziehen (webseiten erstellen.)
hier mal ein link, unter dem ich auch einige bilder abgelegt habe 
http://www.linux-web.de/thread.php?threadid=15454

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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crazy horse wrote:
> Ich persönlich würde es allerdings bei Logikschaltungen mit Relais
> belassen, ALU und Befehlswerk - das ist schon etliches aufwändiger und
> der Lerneffekt geht fast gegen 0.
> Das kann schnell zum Projekt für 1 Jahr werden mit geringen
> Fortschritten, Elan und Begeisterung kann schnell nachlassen, sag ich
> dir als Vater von 3 Jungs in dem Alter :-)
> Ich würde dann schon rel. schnell zu IC-Logik (kombinatorisch,
> sequentiell) übergehen, von da aus ist der Schritt zum
> IC-Einfachst-Computer nicht mehr weit.

ja, deshalb habe ich auch ein weiteres kleinprojekt geplant, bei dem die 
schüler sich einen kleinen controller zusammenbauen. da habe ich dann 
die möglichkeit, auf mc-programmierung hinzuarbeiten, deshalb auch mein 
thread
Beitrag "Stromversorgung ATtiny im Fahrrad" , bei dem ich gern ein 
kleines propeller-display bauen möchte. bis dahin sollen aber die 
lötfähigkeiten so weit sein, dass sie ein ic löten können.

den schriftzug/bild der/das angezeigt werden soll, sollen sie allein 
entwerfen und da ist gleich der übergang 
bild/schriftzug->binärsystem->speicherung->programmierung enthalten.

Autor: Dominique Görsch (dgoersch)
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Frank Schlaefendorf wrote:
> http://www.linux-web.de/thread.php?threadid=15454

Schade, Anhänge nur mit Anmeldung anzusehen... falls du Webspace für 
dein Projekt brauchst, gibt mir ein Zeichen. Sponsor gern ein paar 
MBytes.

Gruß
Dominique Görsch

Autor: crazy horse (Gast)
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hat mich auch abgehalten, dass anzuschauen...

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Dominique Görsch wrote:
> Frank Schlaefendorf wrote:
>> http://www.linux-web.de/thread.php?threadid=15454
>
> Schade, Anhänge nur mit Anmeldung anzusehen... falls du Webspace für
> dein Projekt brauchst, gibt mir ein Zeichen. Sponsor gern ein paar
> MBytes.
>
> Gruß
> Dominique Görsch

danke für das angebot, aber webspace ist wirklich nicht mein problem es 
sollte nur schnell gehen. interessant ist für mich, dass der anhang 
nicht zu sehen ist und da ich in linux-web.de als sumod unterwegs bin, 
werde ich das dort gleich zur diskussion stellen, denn diese 
einschränkung halte ich für sinnlos. hier mal fix ein link mit den 
bildern auf meiner domain

http://www.schlaefendorf.de/relaisrechner/

sorry wegen des disigns, es sollte schnell gehen.

Autor: Dominique Görsch (dgoersch)
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Frank Schlaefendorf wrote:
> hier mal fix ein link mit den bildern auf meiner domain
> http://www.schlaefendorf.de/relaisrechner/

Super, danke.

> sorry wegen des disigns, es sollte schnell gehen.

Der Inhalt ist doch eh viel interessanter ;)

Gruß
Dominique Görsch

PS: Ätzt ihr auch die Platinen im Rahmen des Unterrichtes/der AG selber?

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Dominique Görsch wrote:
> PS: Ätzt ihr auch die Platinen im Rahmen des Unterrichtes/der AG selber?
die platinen ätze, bohre und verzinne ich chemisch selbst (die auf dem 
bild sind noch per lötkolben verzinnt), da will ich die schüler aus 
versicherungstechnischen gründen noch nicht ranlassen. ausserdem müsste 
ich dann noch mehr meiner technik von zu hause in die schule schaffen 
;-)

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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so, der befehlszähler existiert als funktionsfähiger entwurf. ich habe 
mich für einen aufbau mit flankengetriggerten rs-flipflops entschieden. 
damit funktioniert das inkrementiren und auch das laden eine adresse bei 
absoluten sprüngen und das rückladen einer adresse vom adressstack.
ich habe mir mal erlaubt auf der seite mit den bildern einen link für 
die entstehende dokumentation einzufügen 
http://www.schlaefendorf.de/relaisrechner/dokumentation . dort folgen 
dann genaue informationen zu den schaltungen und weitere bilder.
registerblock (8x8bit) und alu sind komplett fertig, jetzt ist die 
cpu-steuerung dran (ein 16bit-schieberegister ist auch soweit fertig) um 
der ganzen sache leben einzuhauchen. dann die befehlsdekodierung und der 
adresszähler.

Autor: Ooohhh (Gast)
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>Schade um die Arbeitszeit.
Nein. Ist es nicht. Der Einstieg in die Zivilisation bedeutet lernen und 
begreifen.

>Bauen wir doch eine Steinzeitaxt.
Und als naechstes eine Bronze/Eisenaxt. Nennt sich 
Experimentalarcheologie.

>Messen wir die Zeit mit einer brennenden Wachskerze.
Sanduhr geht auch.

>Zähmen wir uns ein Pferd, damit wir besser Einkaufen gehen können.
Ein eher gefaehrliches Unterfangen.

>Schmeißen wir die Streichhölzer weg, man kann ja mit Zunder Feuer
>machen.
Mach das mal...

Ich find die Idee auch super. Technik ist nicht Hokuspokus, sondern 
lernbare angewandte Phenomene. Ein Mikrocontroller ist schon sehr weit 
weg. Da geht ohne PC nichts. Ohne englisch geht auch nichts.

Autor: Dieter S. (accutron)
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Frank,

wie wäre die Idee, den Befehlszähler als Stufenschaltrelais auszuführen? 
Dieser lässt sich natürlich nicht so einfach resetten.


Dieter

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Dieter S. wrote:
> Frank,
> wie wäre die Idee, den Befehlszähler als Stufenschaltrelais auszuführen?
> Dieser lässt sich natürlich nicht so einfach resetten.
> Dieter

hallo dieter,
ja von den teilen habe ich hier eins zu liegen, ich habe davon aber aus 
folgenden gründen abstand genommen:
1. das sind spezielbauteile, funktionsfähige sind schwer zu bekommen
2. ich wollte mich mit der cpu an ein mc-design halten
3. der programmzähler soll mindestens 1kB ansprechen können, mit 
stufenschalter nur schwer zu realisieren
4. da externer ram und festwertspeicher mit ic realisiert werden sollen, 
muss der programmzähler binär sein
5. mit stufenschaltern sind sprungoperationen nur schwer zu realisieren
6. da auch unterprogramme laufen sollen muss der programmzähler auf 
einem stack abgelegt werden können, auch das klappt mit stufenschaltern 
nicht.

relaisrechner die diese teile verwendet haben waren meist nur in der 
lage programme ohne sprünge auszuführen. unterprogramme oder schleifen 
benötigten zusätzliche lochbandleser mit bandschleifen. da das mit mc 
wenig zu tun hat, habe ich es sein gelassen. die cpu würde dadurch auch 
nicht kleiner oder übersichtlicher werden, denn der verdrahtungsaufwand 
ist extrem hoch.

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