从逻辑门到计算机看逻辑门和“非”门的实现

当你玩游戏时

你有没有想过做一个“大新闻”

曾几何时，为了写一篇严肃的、真理无限的学术论文，超模熬出了多少珍贵的头发……

而复旦大学MC红石电路玩家季文涵却能将游戏与课文结合起来，用了一年多的时间完成了一个创作项目——电脑。

也就是说，他必须把计算机中的所有硬件都做好，才能完成一台完全可用的计算机。

有权力的年轻人

当然，如果你想在游戏中创造出这样的计算机，你将不得不使用编译和微型计算机的原理，以及数字电路和汇编语言，来折磨考试中的每个人。

顺便说一下，让我们看看从逻辑门到计算机的过程。

逻辑门：或门、非门→或非门、与门→与非门、异或门

算法硬件：解码器、位数判断器、加法器→乘法器、加法器、移位器→平方根算法、16位除法器、单精度浮点加法、存储

计算机：基本逻辑门→复杂逻辑门→全加器、信号长度转换器、多态选择器、存储单元、解码器单元、补码器、移位器单元→可读可写存储器、解码器、加法器、移位器、时钟发生器→加减法器、乘法器、除法器、可读写存储器阵列、寄存器、程序计数器→总计、ALU、CU→计算机

要制造一台完整的计算机，确实需要大量的工程，而且非常复杂。在游戏中，这些项目的复杂性可以成倍增加。超模君诚恳表达对ORZ的钦佩

另外，从上面我们可以看出，逻辑门似乎是计算机中最基本、最简单、不可或缺的部分。

逻辑门的实现

逻辑门是集成电路上的基本元件，也称为“数学逻辑电路基本单元”，可以组合使用，实现更复杂的逻辑运算。或门和非门是数字电路中最常见的。

事实上，Minecraft 游戏厂商只设计了这两个可以直接实现的逻辑门，但理论上“或”门和“非”门可以实现所有逻辑。季文涵说：“更复杂的逻辑门可以通过在空间中安排OR门和NOT门的组合来实现。”

他首先使用红石火把被带电方块熄灭，即当一个方块被带电时，该方块前、后、左、右、顶部的红石火把都会熄灭（变成低电平输出)，制作一个“NO”门。

“OR门比较简单。”季枭寒说道。只要需要任何输入端输入信号，输出端就必须输出信号。

完成基本逻辑门之后，就可以制作复杂的逻辑门了，可以使用与非门和异或门。

左边是与非门，右边是 RS 触发器

在制作与非门时，他将输入端（紫色）连接到两个红石火炬上，形成一个非门，火炬之间的导线是一个或门。常见的与非门应用也是触发器，低电平有效，紫色输入，橙色输出，RSQQ 非分配。因此，用与非门构成的RS触发器与现实中基本相同。

异或门是数字电路中一种非常重要的复杂逻辑门，是构造全加器和所有具有ALU算子的结构单元的基础。比较简单的异或门设计就是如下图左右两个。

左右是两个不同的异或门

除了红石线外，左边的一根使用活塞、火把和继电器，而右边的一根只使用火把。这两个都是国外玩家设计的，是目前设计的最小的异或门。一开始，季文寒设计的异或门比这两种都要大。基本逻辑门的大小对于计算机构建非常重要，稍大的整体结构会超出地图加载范围。

因此，季文涵对外国玩家表示感谢，因为没有外国玩家的基本结构设计，他的项目是不可能实现的。

类推上述思路，可以通过逻辑门的组合来设计适合各种功能的信号结构，从而达到硬件算法的目的。

算法是硬件设计的灵魂

要判断一台计算机是否有灵魂，就要看它的算法。季文寒在游戏中设计的电脑之魂，想必是相当强大的！加减乘法都可以，但大神说：这些没什么特别的，重点是后者。

我们将重点介绍他设计的计算平台，他将在这里向我们展示完整的计算过程和结果。

计算平台上有只小猪

例如，季文涵使用Cordic旋转迭代算法中的旋转坐标算法计算sin(24.8）.

因为需要多次迭代，所以操作很慢。输出sin值需要130秒，输出cos值需要10秒，输入角度限制在0-83.88度。

后台正余弦运算过程

计算结果

既然能完成他设计的算法，那肯定还有其他必要的硬件。

从算术芯片到计算机

一台完整的电脑绝对离不开CPU，所以他决定先做一个CPU，然后画出CPU的架构图。

架构图基本上是根据实际距离做的，在电脑上面双工看到的结构和架构图可以一一对应。

完成CPU后，他开始做剩下的功能结构。例如，它可以看作是一个全加器，它是计算机最核心的部件。

前面的异或门可以相当于一个半加器，两个半加器可以组成一个全加器。

但是这个活塞式的全加器不稳定有关触发器寄存器的诗，所以季文寒又做了一个设计更好的全加器。

最终，他花了很长时间才做出这个展示。最初的设计计划是现在的三倍。后来心血来潮解决了很多技术问题，缩小尺寸改换完成时序控制。

令人钦佩的球员

其实，文章中记载的只是他项目的一小部分。如果真想把季文寒作品的技术细节和内容写完，恐怕还需要写一本200多页的书。这个项目的出现，也让不少计算机专业的学生感到恐惧，有的专业人士表示，“我可能学了一个假的计算机专业。”

尽管一路走来曲折，但仍有许多问题需要克服，而且进展非常缓慢。但季枭寒依旧没有弃坑。所以有关触发器寄存器的诗，这个“壮举”对于全球MC红石电路玩家来说还是第一次

这样的毅力，着实让超模佩服。成就了我这辈子可能永远做不到的事情，想必是大多数MC玩家都不敢想的事情……

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