基于“ Y”開(kāi)關(guān)的概念來(lái)構(gòu)建中繼計(jì)算機(jī)

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

英語(yǔ)中的“ Y”聽(tīng)起來(lái)像西班牙語(yǔ)（我的母語(yǔ)）中的“ guay”，是口語(yǔ)或or語(yǔ)，意為“酷”。從雙關(guān)語(yǔ)開(kāi)始似乎是個(gè)好主意，但事實(shí)是我確實(shí)相信Y開(kāi)關(guān)確實(shí)很棒。

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

圖1. Y開(kāi)關(guān)原理圖（來(lái)源：Javier Piay）

這種變化可能是由于各種性質(zhì)的動(dòng)作或刺激引起的：手動(dòng)，機(jī)械，電氣，電子等。在沒(méi)有這種刺激的情況下，開(kāi)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(kāi)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(kāi)端子（NO）。

Y開(kāi)關(guān)也稱(chēng)為三向或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，但是-正如EEWeb的技術(shù)專(zhuān)家所知道的-這種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)通常稱(chēng)為單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)（另請(qǐng)參閱“開(kāi)關(guān)”）。反彈和反跳（第1部分）：開(kāi)關(guān)類(lèi)型“”。

圖2顯示了Y開(kāi)關(guān)的不同實(shí)現(xiàn)。從左至右，所示設(shè)備通過(guò)手動(dòng)，機(jī)械，電氣和電子方式進(jìn)行控制或操作。不用說(shuō)，有類(lèi)似的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了其他類(lèi)型的開(kāi)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(kāi)關(guān)旨在手動(dòng)，機(jī)械，電氣和電子方式操作。（資料來(lái)源：哈維爾·皮耶（Javier Piay）

任何電動(dòng)開(kāi)關(guān)通常被稱(chēng)為繼電器（圖2右側(cè)第二列）。像其他形式的開(kāi)關(guān)一樣，機(jī)電繼電器也有多種類(lèi)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(kāi)關(guān)的COM端子在NC和NO端子之間翻轉(zhuǎn)的電激勵(lì)（輸入信號(hào)）連接到標(biāo)有S（表示“選擇”）的第四端子。

圖3. SPDT繼電器原理圖（來(lái)源：Javier Piay）

SPDT繼電器是我們將在繼電器計(jì)算設(shè)計(jì)和仿真項(xiàng)目中使用的主要組件（如果不是唯一的話(huà)）。至于實(shí)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(gè)IC三個(gè)或四個(gè)開(kāi)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(jià)格（每個(gè)開(kāi)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(hào)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(kāi)關(guān)）中可用的四個(gè)端子/引腳中，只有S始終充當(dāng)輸入。在某些使用場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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(huì)自動(dòng)采用。

圖4示出了前述配置。為了演示起見(jiàn)，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(jìn)行選擇，并將選定的信號(hào)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(lái)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(dòng)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(shí)，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(dòng)到連接到此端子的信號(hào)（即電線）上。

在基于繼電器的二進(jìn)制或數(shù)字計(jì)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(jì)算模塊/系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)邏輯門(mén)，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)用相反。

SPDT繼電器之所以如此酷，是因?yàn)樗旧砭褪且粋€(gè)通用邏輯門(mén)。也就是說(shuō)，它可以用于實(shí)現(xiàn)任何兩個(gè)輸入邏輯功能。只需意識(shí)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(diǎn)，眾所周知，該組件是通用邏輯門(mén)。

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(shí)現(xiàn)任何原始邏輯門(mén)以及完整的加法器。

圖5. SPDT繼電器作為通用邏輯門(mén)，實(shí)現(xiàn)了任何原始邏輯門(mén)和完整的加法器。（資料來(lái)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(chēng)（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(jì)算機(jī)”微型系列文章第1部分的最后一個(gè)示例，圖6顯示了使用SPDT中繼的4:16解碼器的實(shí)現(xiàn)。

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

編輯：hfy