這個迷你系列文章描述了如何用繼電器構建計算機的 CPU(中央處理單元)。

英語中的“Y”聽起來像西班牙語(我的母語)中的“guay”，一個口語表達或俚語，意思是“酷”。從雙關語開始似乎是個好主意，但事實是我確實相信 Y 開關真的很酷。

雖然這個術語不是很常用(如果以前用過的話)，但我認為它對這個開關的工作方式非常具有描述性或說明性。圖 1 顯示了 Y 開關的示意圖。它由一個可控開關組成，該開關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 開關示意圖(來源：Javier Piay)

這種變化可能是由于各種性質的動作或刺激引起的：手動、機械、電氣、電子等。在沒有這種刺激的情況下，開關保持在其靜止/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，開關將切換到其激活/通電位置，將 COM 端子連接到所謂的常開端子 (NO)。

Y 開關也稱為3 路開關或轉換開關，但是——正如 EEWeb 精通技術的成員已經知道的那樣——這種類型的開關通常被稱為單刀雙擲 (SPDT) 開關(另見“開關反彈和去抖動(第 1 部分)：開關類型”)。

圖 2 顯示了 Y 開關的不同實現方式。從左到右，所示設備由手動、機械、電氣和電子方式控制或操作。不言而喻，有類似的設備可以實現其他類型的開關，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 型開關用于手動、機械、電動和電子操作。(來源：哈維爾皮耶)

任何電動開關通常稱為繼電器(圖 2 中右起第二列)。與其他形式的開關一樣，機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。使開關的 COM 端子在 NC 和 NO 端子之間翻轉的電刺激(輸入信號)連接到標記為 S(意為“選擇”)的第四個端子。

圖 3. SPDT 繼電器原理圖(來源：Javier Piay)

SPDT 繼電器是我們將在繼電器計算設計和仿真項目中使用的主要組件(如果不是唯一的話)。至于實施/構建階段，我目前更傾向于使用該設備的電子版本(圖 2 右側的第一列)，原因有很多，例如其緊湊的尺寸(每個 IC 三個或四個開關) 、非常低的價格(每個開關 3 美分)、快速原型制作(與面包板兼容)、非常廣泛的數字和模擬信號電平，并且易于耦合到其他電子設備(如果需要)。

在 SPDT 繼電器(或電子開關)中可用的四個端子/引腳中，只有 S 始終充當輸入。在某些使用場景中，COM 端子充當輸入，在這種情況下，NC 和 NO 端子都充當輸出。在其他使用場景中，NC 和 NO 端子充當輸入，在這種情況下，COM 端子充當輸出。與任何開關一樣，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 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行選擇并將所選信號傳遞到 COM 輸出。由于該繼電器顯示為未激活或斷電 (S = 0)，因此 COM 輸出反映了 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。(來源：哈維爾皮耶)

相比之下，右側 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)，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，這意味著其他繼電器可以安全地將邏輯 0 或 1 值驅動到連接到此端子的信號(即導線)上。

在基于繼電器的二進制或數字計算中，大多數繼電器(如果不是全部)在計算模塊/系統內執行邏輯功能并實現邏輯門，這與執行電源和負載切換的獨立繼電器的通用應用形成對比.

SPDT 繼電器如此酷的原因在于它本身就是一個通用邏輯門。即可以用來實現任意的二輸入邏輯功能。只需意識到圖 4 左側的 SPDT 繼電器充當多路復用器 (MUX) 即可輕松證明這一點，眾所周知，該組件是通用邏輯門。

MUX： 如果 S 等于 0，則將 COM 設置為 NC，否則將 COM 設置為 NO。

相比之下，圖 4 右側的 SPDT 繼電器充當解復用器 (DEMUX)。

DEMUX：如果 S 等于 0，則將 NC 設置為 COM，否則將 NO 設置為 COM。

圖 5 顯示了如何使用 SPDT 繼電器實現任何原始邏輯門以及全加器。

圖 5. SPDT 繼電器作為通用邏輯門實現任何原始邏輯門和全加器。(來源：哈維爾皮耶)

NOT：如果 A 等于 0，則將輸出設置為 1，否則將輸出設置為 0。

AND： 如果 A 等于 0，則將輸出設置為 A (0)，否則將輸出設置為 B。

或：如果 A 等于 0，則將輸出設置為 B，否則將輸出設置為 A (1)。

XOR：如果 A 等于 0，則將輸出設置為 B，否則將輸出設置為 NOT B。

NAND： 如果 A 等于 0，則將輸出設置為 NOT A (1)，否則將輸出設置為 NOT B。

NOR：如果 A 等于 0，則將輸出設置為 NOT B，否則將輸出設置為 NOT A (0)。

XNOR： 如果 A 等于 0，則將輸出設置為 NOT B，否則將輸出設置為 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 設置為 A，否則將 Cout 設置為 Cin。

作為“構建繼電器計算機”迷你系列第 1 部分的最后一個示例，圖 6 顯示了使用 SPDT 繼電器實現 4:16 解碼器。

圖 6. 使用 SPDT 繼電器的 4:16 解碼器實現。(來源：哈維爾皮耶)

我希望你覺得這篇文章足夠有趣，可以繼續閱讀這個迷你系列的未來專欄，我們將在其中討論如何構建基于繼電器的寄存器、計數器、算術邏輯單元 (ALU) 和其他最終將允許我們構建了一臺中繼計算機，所有這些都基于不起眼的“Y”開關的概念。

一如既往，我歡迎您提出意見、問題和建議。

審核編輯：湯梓紅