[忽软忽硬] 动手做电脑 004 继电器,晶体管和逻辑门

视频在YouTube或者B站上搜“忽软忽硬”就可以搜到了。下面是视频的文字稿。

在正式讲之前,我想请大家先来看一段视频,这段视频是日本在战后造的一台计算机,使用的主要电器元件是继电器。

继电器是我们初中物理就学过的知识,下图是继电器的原理示意图,大家一看也就明白了。

通常,我们把继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”,处于接通状态的静触点称为“常闭触点”,以上两者共用的动触点称为“公共触点”。严格的来说,这种继电器的名字叫“双掷继电器”,常开触点和常闭触点只有一个有电。在现实中,继电器最常见的用法之一是用低电压小电流来控制高电压大电流的电路,比如可以用 12 伏 1 安的电路来控制高达数千伏数十安的电路,这就是我们常说的“四两拔千斤”,来保证操作人员的安全。

但是在继电器做的电脑中,并不是用的这个原理,电脑里并没有高电压和大电流,我们感兴趣的仅仅是用了继电器开关的功能,这个开关更神奇的是不用人工控制,而是用电流控制。还有一点要稍微强调一下,这里的开关与现实中开灯关灯的开关有一点区别:在计算机中,每当提到开关的时候,不管是开还是关,都是输入信息。

继电器在 19 世纪就发明出来了,布尔代数也是在 19 世纪被发明出来了,但是直到 20 世纪 30 年代,出生于 1916 年,22 岁的香农在麻省理工读硕士的时候,才发现两者之间的关系。他写了一篇可能是有史以来最著名的硕士论文,名字叫《继电器和开关电路的符号分析》,(英文名为 A symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits.)在这篇论文里,香农清晰的阐述了这样一个道理:电子工程师可以用布尔代数并且采用继电器来设计开关电路。继电器就像开关一样,可以通过串联或者并联在电路中,从而执行逻辑任务,这种组合也被称之为逻辑门 (logic gates)。

因为继电器可以控制继电器,所以用继电器构成的逻辑门从原理上可以无限扩大,从而实现更复杂的功能。这就是继电器计算机的原理。接下来我在视频里展示一下我用继电器做的一个电路。这个电路是一个与非门,我用两种方法实现的,一种是用的继电器,一种是用的晶体管。

我实现的这个逻辑门叫与非门,也叫 NAND,这是两个单词的缩写,NAND= NOT + AND。这个逻辑门非常重要,从理论上来讲,其它所有的逻辑门,都可以通过这个逻辑门来完成。至于怎么证明,下面几期视频中我会给出详细的证明过程。

现在我想讲一个我认为更重要的东西,我展示的第二个电路是用晶体管做的,晶体管的原理是什么呢,为什么用晶体管来构建计算机?

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