基于“ Y”開關(guān)的概念來構(gòu)建中繼計算機

本微型文章系列介紹如何使用繼電器構(gòu)建計算機的CPU（中央處理單元）。

英語中的“ Y”聽起來像西班牙語（我的母語）中的“ guay”，是口語或or語，意為“酷”。從雙關(guān)語開始似乎是個好主意，但事實是我確實相信Y開關(guān)確實很棒。

盡管此術(shù)語不是很常用（如果以前曾經(jīng)使用過），我認為它是這種開關(guān)工作方式的非常描述性或說明性。圖1顯示了Y開關(guān)的示意圖。它由一個可控制的開關(guān)組成，該開關(guān)可以更改其位置并將一個端子連接到其他兩個端子之一。

圖1. Y開關(guān)原理圖（來源：Javier Piay）

這種變化可能是由于各種性質(zhì)的動作或刺激引起的：手動，機械，電氣，電子等。在沒有這種刺激的情況下，開關(guān)保持在其靜止/斷電位置，連接所謂的公共端子（COM）到所謂的常閉端子（NC）。如果施加刺激，開關(guān)將切換到其激活/通電位置，將COM端子連接到所謂的常開端子（NO）。

Y開關(guān)也稱為三向或轉(zhuǎn)換開關(guān)，但是-正如EEWeb的技術(shù)專家所知道的-這種類型的開關(guān)通常稱為單刀雙擲（SPDT）開關(guān)（另請參閱“開關(guān)”）。反彈和反跳（第1部分）：開關(guān)類型“”。

圖2顯示了Y開關(guān)的不同實現(xiàn)。從左至右，所示設(shè)備通過手動，機械，電氣和電子方式進行控制或操作。不用說，有類似的設(shè)備實現(xiàn)了其他類型的開關(guān)，例如單刀，單擲（SPST），雙刀，單擲（DPST），雙刀，雙擲（DPDT）等。

圖2.從左到右，Y開關(guān)旨在手動，機械，電氣和電子方式操作。（資料來源：哈維爾·皮耶（Javier Piay）

任何電動開關(guān)通常被稱為繼電器（圖2右側(cè)第二列）。像其他形式的開關(guān)一樣，機電繼電器也有多種類型，包括SPST，SPDT，DPST，DPDT等。

圖3顯示了Y或SPDT繼電器的示意圖。使開關(guān)的COM端子在NC和NO端子之間翻轉(zhuǎn)的電激勵（輸入信號）連接到標有S（表示“選擇”）的第四端子。

圖3. SPDT繼電器原理圖（來源：Javier Piay）

SPDT繼電器是我們將在繼電器計算設(shè)計和仿真項目中使用的主要組件（如果不是唯一的話）。至于實施/構(gòu)建階段，由于一些不可忽略的原因，例如緊湊的尺寸（每個IC三個或四個開關(guān)），我目前更傾向于使用該設(shè)備的電子版本（圖2中第一列）。 ，非常低的價格（每個開關(guān)3美分），快速的原型制作（與面包板兼容），非常廣泛的數(shù)字和模擬信號電平范圍以及易于耦合到其他電子設(shè)備的功能（如有必要）。

在SPDT繼電器（或電子開關(guān)）中可用的四個端子/引腳中，只有S始終充當(dāng)輸入。在某些使用場景中，COM端子充當(dāng)輸入，在這種情況下，NC和NO端子都充當(dāng)輸出。在其他使用場景中，NC和NO端子充當(dāng)輸入，在這種情況下，COM端子充當(dāng)輸出。與任何開關(guān)一樣，一旦繼電器成為較大電路的一部分，這些配置就會自動采用。

圖4示出了前述配置。為了演示起見，將左側(cè)SPDT繼電器的COM端子配置為輸出。在這種情況下，NC和NO端子都可以帶有邏輯0（深綠色）或邏輯1（淺綠色）值，并且繼電器在這些端子之間進行選擇，并將選定的信號傳遞到COM輸出。由于該繼電器顯示為未激活或已斷電（S = 0），因此COM輸出在NC輸入上反映邏輯0值。

圖4. SPDT繼電器允許的輸入/輸出（I / O）配置。（資料來源：哈維爾·皮耶（Javier Piay）

相比之下，右側(cè)SPDT繼電器的COM端子被配置為輸入。由于該繼電器顯示為處于活動狀態(tài)或已通電（S = 1），因此NO輸出反映COM輸入上的邏輯1值。同時，NC輸出處于高阻抗（Z）狀態(tài)，這意味著其他繼電器可以安全地將邏輯0或1值驅(qū)動到連接到此端子的信號（即電線）上。

在基于繼電器的二進制或數(shù)字計算中，大多數(shù)繼電器（如果不是全部）都執(zhí)行邏輯功能并在計算模塊/系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)邏輯門，這與執(zhí)行電源和負載切換的獨立繼電器的通用應(yīng)用相反。

SPDT繼電器之所以如此酷，是因為它本身就是一個通用邏輯門。也就是說，它可以用于實現(xiàn)任何兩個輸入邏輯功能。只需意識到圖4左側(cè)的SPDT繼電器起多路復(fù)用器（MUX）的作用就可以很容易地證明這一點，眾所周知，該組件是通用邏輯門。

MUX：如果S等于0，則將COM設(shè)置為NC，否則將COM設(shè)置為NO。

相比之下，圖4右側(cè)的SPDT中繼充當(dāng)解復(fù)用器（DEMUX）。

DEMUX：如果S等于0，則將NC設(shè)置為COM，否則將NO設(shè)置為COM。

圖5顯示了如何使用SPDT繼電器實現(xiàn)任何原始邏輯門以及完整的加法器。

圖5. SPDT繼電器作為通用邏輯門，實現(xiàn)了任何原始邏輯門和完整的加法器。（資料來源：哈維爾·皮耶（Javier Piay）

NOT：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為1，否則將輸出設(shè)置為0。

AND：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為A（0），否則將輸出設(shè)置為B。

或：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為B，否則將輸出設(shè)置為A（1）。

XOR：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為B，否則將輸出設(shè)置為NOTB。

NAND：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為NOT A（1），否則將輸出設(shè)置為NOTB。

NOR：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為NOT B，否則將輸出設(shè)置為NOT A（0）。

XNOR：如果A等于0，則將輸出設(shè)置為NOT B，否則將輸出設(shè)置為B。

全稱（S = A + B + Cin）：S = A XOR B XOR Cin。如果A XOR B等于0，則將Cout設(shè)置為A，否則將Cout設(shè)置為Cin。

作為該“構(gòu)建中繼計算機”微型系列文章第1部分的最后一個示例，圖6顯示了使用SPDT中繼的4:16解碼器的實現(xiàn)。

圖6.使用SPDT繼電器的4:16解碼器實現(xiàn)。（資料來源：哈維爾·皮耶（Javier Piay）

編輯：hfy