基于“ Y”开关的概念来构建中继计算机

本微型文章系列介绍如何使用继电器构建计算机的CPU（中央处理单元）。

英语中的“ Y”听起来像西班牙语（我的母语）中的“ guay”，是口语或or语，意为“酷”。从双关语开始似乎是个好主意，但事实是我确实相信Y开关确实很棒。

尽管此术语不是很常用（如果以前曾经使用过），我认为它是这种开关工作方式的非常描述性或说明性。图1显示了Y开关的示意图。它由一个可控制的开关组成，该开关可以更改其位置并将一个端子连接到其他两个端子之一。

图1. Y开关原理图（来源：Javier Piay）

这种变化可能是由于各种性质的动作或刺激引起的：手动，机械，电气，电子等。在没有这种刺激的情况下，开关保持在其静止/断电位置，连接所谓的公共端子（COM）到所谓的常闭端子（NC）。如果施加刺激，开关将切换到其激活/通电位置，将COM端子连接到所谓的常开端子（NO）。

Y开关也称为三向或转换开关，但是-正如EEWeb的技术专家所知道的-这种类型的开关通常称为单刀双掷（SPDT）开关（另请参阅“开关”）。反弹和反跳（第1部分）：开关类型“”。

图2显示了Y开关的不同实现。从左至右，所示设备通过手动，机械，电气和电子方式进行控制或操作。不用说，有类似的设备实现了其他类型的开关，例如单刀，单掷（SPST），双刀，单掷（DPST），双刀，双掷（DPDT）等。

图2.从左到右，Y开关旨在手动，机械，电气和电子方式操作。（资料来源：哈维尔·皮耶（Javier Piay）

任何电动开关通常被称为继电器（图2右侧第二列）。像其他形式的开关一样，机电继电器也有多种类型，包括SPST，SPDT，DPST，DPDT等。

图3显示了Y或SPDT继电器的示意图。使开关的COM端子在NC和NO端子之间翻转的电激励（输入信号）连接到标有S（表示“选择”）的第四端子。

图3. SPDT继电器原理图（来源：Javier Piay）

SPDT继电器是我们将在继电器计算设计和仿真项目中使用的主要组件（如果不是唯一的话）。至于实施/构建阶段，由于一些不可忽略的原因，例如紧凑的尺寸（每个IC三个或四个开关），我目前更倾向于使用该设备的电子版本（图2中第一列）。 ，非常低的价格（每个开关3美分），快速的原型制作（与面包板兼容），非常广泛的数字和模拟信号电平范围以及易于耦合到其他电子设备的功能（如有必要）。

在SPDT继电器（或电子开关）中可用的四个端子/引脚中，只有S始终充当输入。在某些使用场景中，COM端子充当输入，在这种情况下，NC和NO端子都充当输出。在其他使用场景中，NC和NO端子充当输入，在这种情况下，COM端子充当输出。与任何开关一样，一旦继电器成为较大电路的一部分，这些配置就会自动采用。

图4示出了前述配置。为了演示起见，将左侧SPDT继电器的COM端子配置为输出。在这种情况下，NC和NO端子都可以带有逻辑0（深绿色）或逻辑1（浅绿色）值，并且继电器在这些端子之间进行选择，并将选定的信号传递到COM输出。由于该继电器显示为未激活或已断电（S = 0），因此COM输出在NC输入上反映逻辑0值。

图4. SPDT继电器允许的输入/输出（I / O）配置。（资料来源：哈维尔·皮耶（Javier Piay）

相比之下，右侧SPDT继电器的COM端子被配置为输入。由于该继电器显示为处于活动状态或已通电（S = 1），因此NO输出反映COM输入上的逻辑1值。同时，NC输出处于高阻抗（Z）状态，这意味着其他继电器可以安全地将逻辑0或1值驱动到连接到此端子的信号（即电线）上。

在基于继电器的二进制或数字计算中，大多数继电器（如果不是全部）都执行逻辑功能并在计算模块/系统内实现逻辑门，这与执行电源和负载切换的独立继电器的通用应用相反。

SPDT继电器之所以如此酷，是因为它本身就是一个通用逻辑门。也就是说，它可以用于实现任何两个输入逻辑功能。只需意识到图4左侧的SPDT继电器起多路复用器（MUX）的作用就可以很容易地证明这一点，众所周知，该组件是通用逻辑门。

MUX： 如果S等于0，则将COM设置为NC，否则将COM设置为NO。

相比之下，图4右侧的SPDT中继充当解复用器（DEMUX）。

DEMUX：如果S等于0，则将NC设置为COM，否则将NO设置为COM。

图5显示了如何使用SPDT继电器实现任何原始逻辑门以及完整的加法器。

图5. SPDT继电器作为通用逻辑门，实现了任何原始逻辑门和完整的加法器。（资料来源：哈维尔·皮耶（Javier Piay）

NOT：如果A等于0，则将输出设置为1，否则将输出设置为0。

AND： 如果A等于0，则将输出设置为A（0），否则将输出设置为B。

或：如果A等于0，则将输出设置为B，否则将输出设置为A（1）。

XOR：如果A等于0，则将输出设置为B，否则将输出设置为NOTB。

NAND： 如果A等于0，则将输出设置为NOT A（1），否则将输出设置为NOTB。

NOR：如果A等于0，则将输出设置为NOT B，否则将输出设置为NOT A（0）。

XNOR： 如果A等于0，则将输出设置为NOT B，否则将输出设置为B。

全称（S = A + B + Cin）：S = A XOR B XOR Cin。如果A XOR B等于0，则将Cout设置为A，否则将Cout设置为Cin。

作为该“构建中继计算机”微型系列文章第1部分的最后一个示例，图6显示了使用SPDT中继的4:16解码器的实现。

图6.使用SPDT继电器的4:16解码器实现。（资料来源：哈维尔·皮耶（Javier Piay）

编辑：hfy