怎样动手“造”一台继电器计算装置

2018-07-12陈凯

中国信息技术教育 2018年11期

陈凯

简单却难以扩展的電路计算装置

大家或许看到过图1中这两张电路图，它们常用来描述逻辑门运算的输入和输出的对应状态。

图1中左图是与门，当两个开关都合拢时，灯亮，只要有一个开关断开，灯即不亮，这就对应与门输入全1，结果得1，否则得0的功能;右图是或门，任意一个开关合拢或两个开关均合拢时，灯就会亮，若全部开关都断开，灯就不亮，对应或门输入全0，结果得0，否则得1的功能。若有基本的物理常识，就可以知道为什么会有这样的结果。

那么，怎样实现一个输入状态和输出状态相反的非门，也就是合拢开关则灯暗，断开开关则灯亮呢？搭建电路的技巧是，当开关合拢时，使得灯两端短路，而把电流导向某个电阻（如下页图2）。

乍看上去，上面几张图就把二进制和二进制逻辑运算的物理实现给讲明白了，那么是不是依靠上面电路图中的基本结构，就可以搭建出更复杂的逻辑运算电路呢？实际上，并没有人真的这样做，历史上可实际使用的计算装置，也都不是仅靠开关和电阻就能做出来的。其中的原因，就是本文要重点讨论的问题。

用继电器进行简单运算与结果传递

假设有这样的需求，当两个开关都合拢时灯暗，其他开关状态下灯都亮，也就是功能为输入全1得0，否则得1的与非门，那么电路该怎样装配呢？弄清与门和非门电路的原理，要把这两个电路拆开再融合到一起就可以得到如下页图3所示的电路了。

可是，既然是与非门，那么其实只要把与门电路再串上一个非门电路，就应该能实现与非门的功能了，为何要把两个电路拆开再重新装配呢？若把与门电路和非门电路并列放到一起，就可以发现其中存在的瓶颈：与门装置的运算结果无法自动传递给非门电路。如果一个运算装置的结果无法传递给另一个运算装置，那就意味着，一个复杂的运算装置无法利用现成的简单运算装置组装搭配而成，并且若复杂运算装置的运算需求有任何小的调整，整个电路就需要进行大的调整（如下页图4）。

假设存在一个小精灵，一旦发现与门电路中灯亮起时，就推动非门电路的开关从断开状态变为合拢状态，那就用不着把整个电路全部拆开重新装配了，可以像积木一样，把不同的电路拼装起来，而计算装置获得的计算结果，也就可以传递给其他计算装置。这个小精灵还真的存在，它的名字叫电流磁效应。

所谓电流磁效应，是指当导线通过电流时，在导线周围产生磁场。若把导线缠绕成线圈，所产生的磁场强大到可以改变金属开关的位置，继电器就是根据这样的原理制造出来的。在EWB软件中可以很方便地绘制并模拟继电器的非门和与门，当然也可以用实际的继电器把电路搭建出来（如图5）。

以上继电器电路中，符号就是继电器，从上往下数，第一和第二条导线，是能够在线圈中产生磁场的信号输入线，第三和第四条导线之间的开关默认是断开，第四和第五条导线默认连通，当线圈产生磁场时，开关因为吸力变换位置，电路模拟器中以表示，则第三和第四条导线连通，而第四和第五条导线断开。有了继电器，不同的运算装置就可以相互连接到一起，一个运算装置的结果能够传递给另一个运算装置，图6、图7所演示的，就是来自开关的信号传递给继电器，经继电器，将信号取反后再传给下一级继电器的例子。

如果要实现与非门运算，只要把与门电路中的电灯换成继电器，就能把与门装置的结果传递给非门运算装置，从而实现与非门的功能。大家如有兴趣，可以自己试着在模拟器中，或是用实际的继电器搭建一个与非门运算装置。

对于一个复杂的运算装置来说，能借用稳定的物理状态变化准确传递符号，是极其重要的。在历史上，克兰德·楚泽（Konrad Zuse）用了几千个继电器，搭建出一系列复杂的运算装置，其中名为Z-3的装置是可以运行事先编写好的程序的（Z-3已被证明是图灵完备的计算机），如今它被称为世界上第一台可编程数字计算机（常被称为世界第一台电子计算机的ENIAC是半可编程电子数字计算机）。笔者认为，在信息技术教学涉及信息处理部分的教学中，关于如何构造一个稳定有效的物理传动机构保证信号的传递和复制，是非常重要的内容（可惜当前基础教育领域中大部分教材都没有强调这一点）。

虽然用继电器可以制作各种运算装置，可是继电器有许多缺点。首先，继电器的吸合动作比较费力，所以消耗的电能很大;其次，继电器在断电瞬间，线圈中储存的大量多余能量无法及时释放，会干扰系统工作的稳定性;最后，继电器机械损耗比较大，稳定工作的次数有限。当前人们使用的电子装置中，继电器更多用在控制系统中，而很少用来作为运算单元的元件。在教学中，教师可以由此引出二极管、三极管等话题。