如何用继电器构建计算机的CPU中央处理单元

图 1 显示了 Y 开关的原理图。它由一个可控开关组成，该开关可以改变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

这种变化可能是由于各种性质的动作或刺激而发生的：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，开关会切换到其活动/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3 路或转换开关，这种类型的开关通常被称为单刀双掷 (SPDT) 开关。

图 2 显示了 Y 开关的不同实现方式。从左到右，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，也有类似的设备实现了其他类型的开关，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、电动和电子操作

任何电动开关通常都称为继电器（图 2 中右起第二列）。与其他形式的开关一样，机电继电器有多种类型，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 端子之间翻转的电刺激（输入信号）连接到标记为 S（意思是“选择”）的第四个端子。

图 3. SPDT 继电器原理图

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）。至于实施/构建阶段，我目前更倾向于使用该设备的电子版本（图 2 中的第一列），原因有很多，例如其紧凑的尺寸（每个 IC 三个或四个开关） 、极低的价格（每个开关 3 美分）、快速原型设计（兼容面包板）、非常广泛的数字和模拟信号电平范围以及易于与其他电子设备耦合（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 始终用作输入。在某些使用场景中，COM 端充当输入，在这种情况下，NC 和 NO 端都充当输出。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，一旦继电器成为更大电路的一部分，就会自动采用这些配置。

图 4 说明了上述配置。出于演示目的，左侧 SPDT 继电器的 COM 端子配置为输出。在这种情况下，NC 和 NO 端子都可以携带逻辑 0（深绿色）或逻辑 1（浅绿色）值，继电器在这些端子之间进行选择并将所选信号传递到 COM 输出。由于此继电器显示为未激活或断电 (S = 0)，因此 COM 输出反映 NC 输入上的逻辑 0 值。

图 4. SPDT 继电器允许的输入/输出 (I/O) 配置

相比之下，右侧的 SPDT 继电器的 COM 端子配置为输入。由于此继电器显示为激活或通电 (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 值驱动到连接到该端子的信号（即导线）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）在计算模块/系统内执行逻辑功能并实现逻辑门，这与执行电源和负载切换的独立继电器的通用应用形成对比.

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，它可以用来实现任何二输入逻辑功能。只需意识到图 4 左侧的 SPDT 继电器充当多路复用器 (MUX)，就可以轻松证明这一点，众所周知，该组件是一个通用逻辑门。

MUX： 如果 S 等于 0，则设置 COM 为 NC，否则设置 COM 为 NO。

相比之下，图 4 中右侧的 SPDT 继电器充当解复用器 (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全加器。

图 5. SPDT 继电器作为实现任何原始逻辑门和全加器的通用逻辑门

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 NOT B。

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 NOT B。

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。

全加器（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。

作为本“构建中继计算机”迷你系列的第 1 部分的最后一个示例，图 6 显示了使用 SPDT 继电器的 4:16 解码器的实现。

图 6. 使用 SPDT 继电器的 4:16 解码器实现