如何用繼電器構(gòu)建計算機(jī)的CPU中央處理單元

圖 1 顯示了 Y 開關(guān)的原理圖。它由一個可控開關(guān)組成，該開關(guān)可以改變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

這種變化可能是由于各種性質(zhì)的動作或刺激而發(fā)生的：手動、機(jī)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)會切換到其活動/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3 路或轉(zhuǎn)換開關(guān)，這種類型的開關(guān)通常被稱為單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)。

圖 2 顯示了 Y 開關(guān)的不同實現(xiàn)方式。從左到右，所示設(shè)備通過手動、機(jī)械、電氣和電子方式進(jìn)行控制或操作。不用說，也有類似的設(shè)備實現(xiàn)了其他類型的開關(guān)，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(jī)械、電動和電子操作

任何電動開關(guān)通常都稱為繼電器（圖 2 中右起第二列）。與其他形式的開關(guān)一樣，機(jī)電繼電器有多種類型，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)的電刺激（輸入信號）連接到標(biāo)記為 S（意思是“選擇”）的第四個端子。

圖 3. SPDT 繼電器原理圖

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）。至于實施/構(gòu)建階段，我目前更傾向于使用該設(shè)備的電子版本（圖 2 中的第一列），原因有很多，例如其緊湊的尺寸（每個 IC 三個或四個開關(guān)） 、極低的價格（每個開關(guān) 3 美分）、快速原型設(shè)計（兼容面包板）、非常廣泛的數(shù)字和模擬信號電平范圍以及易于與其他電子設(shè)備耦合（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 始終用作輸入。在某些使用場景中，COM 端充當(dāng)輸入，在這種情況下，NC 和 NO 端都充當(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，一旦繼電器成為更大電路的一部分，就會自動采用這些配置。

圖 4 說明了上述配置。出于演示目的，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 端子都可以攜帶邏輯 0（深綠色）或邏輯 1（淺綠色）值，繼電器在這些端子之間進(jìn)行選擇并將所選信號傳遞到 COM 輸出。由于此繼電器顯示為未激活或斷電 (S = 0)，因此 COM 輸出反映 NC 輸入上的邏輯 0 值。

圖 4. SPDT 繼電器允許的輸入/輸出 (I/O) 配置

相比之下，右側(cè)的 SPDT 繼電器的 COM 端子配置為輸入。由于此繼電器顯示為激活或通電 (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)動到連接到該端子的信號（即導(dǎo)線）上。

在基于繼電器的二進(jìn)制或數(shù)字計算中，大多數(shù)繼電器（如果不是全部）在計算模塊/系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行邏輯功能并實現(xiàn)邏輯門，這與執(zhí)行電源和負(fù)載切換的獨(dú)立繼電器的通用應(yīng)用形成對比.

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，它可以用來實現(xiàn)任何二輸入邏輯功能。只需意識到圖 4 左側(cè)的 SPDT 繼電器充當(dāng)多路復(fù)用器 (MUX)，就可以輕松證明這一點，眾所周知，該組件是一個通用邏輯門。

MUX： 如果 S 等于 0，則設(shè)置 COM 為 NC，否則設(shè)置 COM 為 NO。

相比之下，圖 4 中右側(cè)的 SPDT 繼電器充當(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全加器。

圖 5. SPDT 繼電器作為實現(xiàn)任何原始邏輯門和全加器的通用邏輯門

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 NOT B。

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 NOT B。

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。

全加器（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。

作為本“構(gòu)建中繼計算機(jī)”迷你系列的第 1 部分的最后一個示例，圖 6 顯示了使用 SPDT 繼電器的 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)