這個(gè)文章將會(huì)詳細(xì)探討“僅使用一個(gè)繼電器來(lái)做數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能”的可能性與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本文所探討的計(jì)算機(jī)是從最基礎(chǔ)的技術(shù)出發(fā)的，以便理解推理。另外，本文所探討的計(jì)算機(jī)不以實(shí)用為目的，而是作為實(shí)驗(yàn)研究。

一切從一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)始。

本文的所有理論和結(jié)果都可以概括為一句話：將處理計(jì)算工作的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化為一個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。在此處采用轉(zhuǎn)換式開(kāi)關(guān)，可以把它看作有一個(gè)輸入，兩個(gè)輸出。每個(gè)輸入輸出端只能容納一位二進(jìn)制數(shù)，即通電狀態(tài)表示“1”，無(wú)電流狀態(tài)表示“0”。

兩個(gè)輸出端中至多有一個(gè)輸出端會(huì)是“1”狀態(tài)。至于會(huì)不會(huì)有這個(gè)“1”，還是兩個(gè)輸出都是“0”，由輸入端是否為“1”決定。

但是，對(duì)于哪個(gè)輸出為“1”，哪個(gè)為“0”（也就是開(kāi)關(guān)的狀態(tài)）的主動(dòng)控制，一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是無(wú)法滿足的。因此，我們需要一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)自己主動(dòng)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)的元件：電磁繼電器。在此處使用繼電器比三極管等元件更便于非電子專業(yè)者理解。

當(dāng)然，由于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的需要，此處繼電器是五腳轉(zhuǎn)換型電磁繼電器。

五腳轉(zhuǎn)換電磁繼電器在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)可以控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)的線圈，線圈通電后成為電磁鐵，可以通過(guò)磁鐵吸附改變開(kāi)關(guān)的通路。

線圈的通電與否我們也用“1”和“0”表示。如下圖所示，

當(dāng)A輸入“1”，線圈輸入“0”時(shí)，開(kāi)關(guān)通向B端，B端輸出“1”，C端輸出“0”。

當(dāng)A輸入“1”，線圈輸入“1”時(shí)，開(kāi)關(guān)通向C端，B端輸出“0”，C端輸出“1”。

……

以上就是一個(gè)開(kāi)關(guān)做計(jì)算的核心所在。它能夠結(jié)合儲(chǔ)存器，做出所有的邏輯門操作。這就好比我們算多位數(shù)加減法，我們?nèi)嗽谒愕臅r(shí)候，會(huì)使用草稿紙將多位數(shù)據(jù)一位一位地處理，每次把得出的結(jié)果記在紙上，最后再把每一位得出的結(jié)果拼起來(lái)，就是多位數(shù)的結(jié)果。這一思想與圖靈機(jī)的思想相同。這樣一位一位數(shù)據(jù)處理雖然目前看來(lái)是絕對(duì)的龜速，但是它能夠以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算。

好，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的核心：處理數(shù)據(jù)了。

不過(guò)，這樣慢慢算數(shù)學(xué)總要一張草稿紙吧？

我們的草稿紙，也就是儲(chǔ)存器將會(huì)采用最最基礎(chǔ)古老的方法……

不錯(cuò)，我們的儲(chǔ)存器就像八音盒的滾筒，有兩種狀態(tài)：“凸起”和“不凸起”（分別對(duì)應(yīng)“1”和“0”）。但是，由于處理數(shù)據(jù)的需要，我們的儲(chǔ)存器還要能在兩種狀態(tài)之間隨意轉(zhuǎn)換。最終方案如下圖所示：

一個(gè)長(zhǎng)形的木條，規(guī)律地鉆孔，每個(gè)孔內(nèi)一個(gè)橫著放的圓柱形，這個(gè)圓柱形就是數(shù)據(jù)信息的載體，可以在孔內(nèi)自由伸縮，在規(guī)定的一面凸起為“1”，另一面凸起則為“0”，只能有一邊凸起。

這種儲(chǔ)存器我們可以隨時(shí)改變它的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的狀態(tài)，從而達(dá)到了隨時(shí)讀寫(xiě)的效果。計(jì)算機(jī)也能在程序控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

在此處請(qǐng)注意，我們將要設(shè)計(jì)制作的計(jì)算機(jī)沒(méi)有內(nèi)存，只有上述“硬盤(pán)”，我們也不追求多高的運(yùn)算速度，只是為了做出最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)。

硬件簡(jiǎn)化了，軟件很重要

劉禹錫說(shuō)過(guò)“斯是陋室，惟吾德馨?！蔽覀兊挠布呀?jīng)簡(jiǎn)單到可憐，為保證能夠應(yīng)付計(jì)算的功能，我們必須有強(qiáng)大的程序。程序是如此簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

我們的計(jì)算機(jī)程序控制的不是對(duì)應(yīng)硬件模塊的動(dòng)作，而是對(duì)應(yīng)電路的通斷。有點(diǎn)像接水管，通過(guò)開(kāi)關(guān)水管通道的閥門來(lái)引導(dǎo)水流流到需要的地方。我們的計(jì)算機(jī)程序控制的是電路中每個(gè)通道的通斷，來(lái)控制電流（信息）流入需要的地方。

舉個(gè)例子：如果我需要ABC兩個(gè)燈中的A燈亮：程序會(huì)進(jìn)行這一操作：“打開(kāi)電源通往A燈的開(kāi)關(guān)”，而不是“打開(kāi)A燈”。這樣的程序模式賦予了硬件更多的靈活性。但也帶來(lái)了一個(gè)弊端：程序往往會(huì)因此更長(zhǎng)。

程序需要有一個(gè)可靠的載體。我們的程序由于會(huì)很長(zhǎng)不能寫(xiě)在滾筒上，而是打孔紙帶。我們不需要在程序上有計(jì)算機(jī)的自主修改，所以我們可以采用這一方式讀取預(yù)先寫(xiě)好的程序。

讀取后的程序會(huì)控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)開(kāi)閉。

第一個(gè)設(shè)計(jì)圖方案

判斷輸入是否為“1”的簡(jiǎn)單示例：

輸入端一次只能輸入一位二進(jìn)制數(shù)，輸出端一次也只能輸出一位二進(jìn)制數(shù)。（雖然效率低，但可以實(shí)現(xiàn)多位計(jì)算功能）輸入端輸入值如果為“1”，程序控制開(kāi)關(guān)通往線圈，線圈通電，繼電器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換至下方觸點(diǎn)，此時(shí)程序控制最左側(cè)VCC（電源，即程序可以自己產(chǎn)生“1”）開(kāi)關(guān)與下方觸點(diǎn)輸出開(kāi)關(guān)閉合，判斷結(jié)果即可在程序控制下寫(xiě)入儲(chǔ)存器，儲(chǔ)存器右移一位，閉合輸出開(kāi)關(guān)，輸出“1”，即可判斷輸入值是“1”為真。

如果輸入值不是“1”，線圈不通電，開(kāi)關(guān)不轉(zhuǎn)換，自主產(chǎn)生的“1”值無(wú)法通入寫(xiě)入頭，寫(xiě)入頭最終寫(xiě)入“0”……輸出結(jié)果“0”，即可判斷輸入值是“1”為假……

但計(jì)算機(jī)仍然存在一些重要問(wèn)題，在下一文中將會(huì)詳細(xì)探討。