您现在的位置: 我的世界 > 红石 红石电路 > 高级红石电路教程

高级红石电路教程

作者:我的世界 来源:电玩巴士整理 发布时间:2016-08-04 10:49:00

红石电路与现实生活中的数字电路(基于布尔逻辑代数)基本可以等同看待。如果您熟悉高等教育中的数字电路与初等计算机科学的知识的话,本篇目对您来说将较为容易理解。

红石 红石电路

计算机

 

在Minecraft中,一些游戏内的系统在计算机科学中与图灵机等价——也就是说这样您可以建构信息处理的装置。这些系统包括:水,沙子,矿车,活塞与红石。

这些系统中只有红石是特别为信息处理而设计的,主要以红石信号的方式来表示。

红石与电力类似,具有高适应性与较快的切换速度。就像在现实世界中电力取代了蒸汽动力成为高科技的基石一样,前述的这些特性使红石力压其他机械系统,成为Minecraft中最具有科技含量的部分。

现代数字电路与红石工程在复杂信息处理的应用时。都被简化为抽象的从基本到复杂的多层次结构。

第一层是最基本的组件:红石粉、红石火把、红石中继器、活塞、按钮、拉杆与压力板等所有与红石信号相关的方块。

第二层是二进制逻辑门;他们是能够处理有限位(一般是1-3位)的混合装置。

第三层是由逻辑门组合而成的高阶组件。这些组件用于处理模式化的位数据,一般能够将其编码为更加易读的数字。例如数学加法器,组合锁具,寄存器等。

第四层,也是最后一层,是由一系列的高阶组件组合成的功能型计算机系统,通常能够在不需要人工维护的情况下处理任意数据。

高级红石电路教程

半加器

高级红石电路教程

逻辑门:同或,蕴含

红石火把数量:12

红石粉数量:7

方块数量:19

尺寸:5X4X4

这个半加器能够输出两个一位二进制数的和。结果位输出到输出端S(英文Sum,加法和之意)。如果两个数字都是1,那么会产生进位1到输出端C(Carry,进位之意)(C会变为0)。这个半加器可以被修改为具有同相输出的C端,但图中这种结构在全加器链中可以照搬。

注:由于红石线的新特性,本结构已经失效!为了应急,您可以先使用下面的全加器,只要不使用C输入端即可。

全加器(1位)

高级红石电路教程

逻辑门:同或(2),蕴含,非,或,与

红石火把数量:16

红石粉数量:32

方块数量:48

尺寸:从上到下6X12X5,包括输入/输出端。

这个全加器能够将两个一位二进制数与前一个加法器的进位C相加(事实上是C而不是C,第一层的左下部),产生一个和(S端)和进位(事实上是C而不是C)。

如果要改造为减法器,把其中一个二进制输入取反(第一个或第二个数)即可。想把第几个输入作为被减数,就取反第几个输入。如此改造成减法器时,输出计算结果也是反向的。在现实世界中的计算机里,二进制带符号数的第一位(也被称为“标志位”)决定了该二进制数的正负,如果你把这个特性(应用相同的反相规则)引入,你就可以得知该数字是负数,还仅仅只是一个较大的数字。

当使用上述的逻辑门时,注意输入与输出,您可能会对为什么这里使用了如此多的反相信号而不是同相信号有疑问。这个全加器使用了比异或门更能实现压缩的同或门,同理,蕴含门比与门更为压缩。因此如果您想压缩全加器的体积,必须使用反相信号。如果用能够表示2层方格的符号来表示,图像将十分复杂,因此我们将每一层都单独用图表表示了出来,而且也方便您分层次地建造。

活塞全加器

1位活塞全加器

2位活塞全加器

红石火把数量:3

粘性活塞数量:2

红石中继器数量:8

红石粉数量:16

方块数量:7

交替全加器

高级红石电路教程

进位输入与输出端对称,这样您能够方便的压缩并组合多个这样的单元。

红石火把数量:14

红石线数量:15

尺寸:5x6x3

4位加法器

高级红石电路教程

注意!重要性最低的那一位数就是图表中的最左边那位(即“个位”)。这里之所以标明,是为了向您清楚地说明全加器比起半加器的功能优势——半加器无法处理比其低一数位的进位。如果您想依据一般的使用习惯把个位放在右边,那么将图表左右镜像处理即可。

注:由于红石线的新特性,本结构的个位部分的半加器已经失效!为了应急,您可以先使用全加器,只要不使用C输入端即可。

逻辑门:同或(7),蕴含(4),非(4),或(3),与(3)

红石火把数量:56

红石粉数量:108

方块数量:164

尺寸:23X12X5

这个加法器能够将两个四位二进制数相加(A与B),产生每一位数的和(S)与整个和的进位(C,相当于第五位)。和的位数顺序与加数的顺序相同,这也就是说,最左侧的S是和的最低位。这个4位加法器仅仅是一个全加器链的示例,您可以通过同样的构造来建造具有更多位数加法或减法能力的计算单元。

逻辑单元(2-4译码器)

在电路中,有时候您可能需要建造能够依据输入来选择输出的逻辑单元。这样的逻辑单元能够用于更复杂的电路中,比如说算术逻辑单元(ALU)。下面介绍的逻辑单元又被称为2-4译码器。

这是一个2位逻辑单元,依输入不同可以有4种状态。

高级红石电路教程

输出端在最上面一行,依照11、00、01、10的顺序排列(输入端顺序为上侧的是第一位,下侧第二位)。

下面是另一种采用格雷码的简化版本。输出端为顶部那行末端的红石火把。本设计能够被扩展到任意位,但会受到电路延时的限制。相对地,输出排序为11、01、00、10。

高级红石电路教程

二进制转换为八进制(3-8译码器)

这个装置是一系列逻辑门的组合,分为8部分。当组合起来时能够将一个3位二进制数输入转换为一位八进制数输出(未编码状态,所以输出端数量与进制数相同),功能等同于3-8译码器。由于其最大占地面积不过5x5x3,所以有很强的适应性。

右图的每一部分都可以将输入端连接到共同的输入源,但建议您在每一个输入端都加一个反相器以使在该电路与其他电路协同工作时,输入端保持独立性。

某些部分也可以作为三态缓冲器使用,或至少您能够方便地将其改造为三态缓冲器。

高级红石电路教程

下表与上图的8部分一一对应。

对应八进制数字01234567
尺寸5x3x25x3x35x5x35x5x35X3X35x4x35x5x35x5x3
红石火把数量12232334
红石粉数量771210771010

二进制转换为十进制/十六进制(4-10或4-16译码器)

这个装置是一系列逻辑门的组合,分为10或16部分。当组合起来时能够将一个4位二进制数输入转换为一位十进制或十六进制数输出(未编码状态,所以输出端数量与进制数相同),功能等同于4-10或4-16译码器。由于其最大占地面积不过3x5x2,所以有很强的适应性。

与上一章节的3-8译码器类似,右图的每一部分都可以将输入端连接到共同的输入源,但建议您在每一个输入端都加一个反相器以使在该电路与其他电路协同工作时,输入端保持独立性。

高级红石电路教程

上图的右下角是一个说明性质的图例,图表中列出的16个部分的输入端皆按此逆时针顺序排列。

对应十进制/十六进制数字0123456789ABCDEF
尺寸3x3x23x4x23x4x23x4x23x4x23x5x23x5x23x5x23x4x23x5x23x5x23x5x23x5x23x5x23x5x23x5x2
红石火把数量1223233423343445
红石粉数量2222222222222222

十六进制转换为二进制(16-4编码器)

您也可以将一个十六进制信号转换为一个4位二进制信号。与前面不同的是,您不再需要除了或门之外的任何逻辑门了——因此您只需要分析各个输入端与哪几个输出端的对应关系,然后直接用红石线连过去。需要注意的是,为了防止不同输入端连线的互相干扰,在最终连到输出端之前您需要用连续的两个非门或是中继器来互相隔离;您也可以选择在一堆连向某一输出端的红石线末端用最简单的输入隔离型或门(参见红石电路条目的或门设计方案B或C)。在最终投入使用前请先测试以保证不会出错。

下面是十六进制与对应二进制的列表:

十六进制数0123456789ABCDEF
第4位0000000011111111
第3位0000111100001111
第2位0011001100110011
第1位0101010101010101

如果您想得到一个八进制转二进制的8-3编码器,在本机构基础上剥离第四位输出与前八位输入即可。

示例-顺序敏感的3位十进制数密码锁

高级红石电路教程

上面的示例采用了ORs(符号为>=1)、异或门 (符号为=)、 RS或非锁存器(符号为SR)和一些延迟器(符号为dt*)。依个人喜好,我采用了同或门设计方案C。

上面的例子采用了4位设计,因而您可以设置一个十六进制的密码。由于状态(0)十六进制== (0000)二进制无法激活系统,故您只可以设置15种密码(1到F,或0到E)。如果您希望加入第16种,那么请自行编辑电路添加第五位输入。

接下来我们将规定(0)十六进制 为 (1111)二进制,至于[1,9]区间内的数请查看上一节末尾的表格。这样,我们就可以使用十进制数字作为密码的外在显示了。我们必须把十个按钮分配到对应的二进制数据上,请看右图的前两列:第一列代表表示为十进制(当然十六进制在[0,9]区间内和十进制的表示一样)的输入码;第二列对应着每一个输入码的二进制。当然您也可以添加更多的按钮来对应区间[A,E],我只是为了讲解方便而把那几位去除了。方框/b1\输出第一位,方框/b2\输出第二位,依此类推。

接下来您可以看到用Key[i](i=1,2,3)来表示的密码设置区。这几个Key[i]方框的第一个输出均为第一位,第二个输出为第二位,依此类推。您可以在每个Key[i]处用拉杆设置二进制加密型的密码。请参考上一节末尾的表格,还有(0)十六进制:= (1111)二进制的特殊对应。如果我们用按钮输入了第一位,装置会与这一位对应的四位二进制数逐位比较。一旦每一位都正确,才会输出置位信号到下一级。

因此我们要实现逻辑运算(((b1=b1 & b2=b2) & b3=b3) & b4=b4) =: (b*=b*),在Minecraft中至少需要4个与门。这样我们可以把识别通过的信号存到RS锁存器/A\中。Key[2]和Key[3]具有同样的验证比较过程。

我们必须确认如果第二输入位是错的话状态会被清除。因此我们采用了一个按键触发事件(--/b1 OR b2 OR b3 OR b4\--/dt-\--/dt-\--)。请在图中找到包括两个"dt-"的那三个方框。工作原理是:任意键按下就会产生信号,然后再加上一个小延迟。为了在第二个输入位错误时复位/A\,我们进行逻辑运算(有键按下) “与” (非B),即“任何键按下且第二位输入错误”。这样如果我们正输入第一位,/A\不会被复位;如果/A\已经被激活,那么只有/A\应当被复位。因此在第二位输入错误而且第一位已经输入时继续逻辑运算(B* & A) =: (AB*),这样/AB*\就复位了记忆单元/A\。为了避免如果按按钮时间过长从而使/A\错误地被复位的问题,我们加入了主延迟元件/dt+\。/AB*\后面的非门是为了人工复位而设计的(例如可以连接一个压力板)。

然后,把整个复位电路复制到Key[2]上去,除了人工复位端由(非A)引出,自动复位端(即错误输入后的)从C引出。从A接来的人工复位阻止在第一位未输入前B就被激活。所以这一系列线路保证了本装置密码的顺序敏感特性。

问题是为什么我们要使用短延迟方块/dt-\。如果/A\激活后,第二位也成功输入,那么B激活,(非B)变为低电平。但当(非B)仍然为高电平时,按键触发事件也被激活,A会被错误地复位——但这一切没有发生。/dt-\方块的应用使得在按键触发事件被激活之前/B\可以有充足的时间作出反应。

对于/C\来说,只需要引自B的人工复位端即可以防止C在B激活之前被错误激活,同时也能保证在人工复位端复位/A\与/B\时,/C\也可以被复位。

优缺点:

+您可以在不改变电路的前提下改变每一位密码。
+您可以依据同样原理扩展比较模块电路以使密码锁支持更多位数的密码。
+您可以通过将除了最后一位之外的任何位为(0000)二进制来减少密码位数。
+您可以将最后一位设为(0000)二进制来直接使门打开。
-想要支持越多的位数,输入栏就越长。您可以选择被编码的按键以保持电路的小规模——但要小心,事实上输入编码电路比起由于位数增加而使背后巨大的装置规模变得更大来说,是微不足道的。

严格来说不算缺点的缺点:本电路中当密码是311时可能会出现刚输入到第二位,密码锁就打开了。为了防止这种情况,用中继器在(非A)与(复位B)之间加一个延迟即可。

如果您修复了这一点,电路会因密码长度差异而具有以下的加密强度:( ||位数|| = 2n-1,密码组合数:||位数||长度 )

长度1位数2位数3位数4位数5位数
2 位392781243
3 位749343240116807
4 位15225337550625759375
5 位319612979192352128629151

杂项

 

对顺序不敏感的密码门

只要特定组合的拉杆拉下或是按钮按下,门就会打开。 (注:您需要对逻辑门有一定的了解才能理解本设备的构造)

RS或非密码锁

把一系列的按钮连接到RS锁存器阵列的S端,然后根据需要将这些RS锁存器的Q端或Q端连入一系列与门的输入,将与门的输出接到铁门那里。最后,用一个单独的复位用按钮连接所有RS锁存器的R端。RS锁存器使用的是Q端(需要按按钮)还是Q端(不需按按钮)决定了密码组合。
简单的例子:

高级红石电路教程

这个例子不具有自动关门功能。如果加入自动复位电路就可以解决这个问题。

与门密码锁

基于与门的组合锁仅仅需要拉杆开关、与门和非门。像下面的例子一样,与门锁具构造极其简单,但在复杂系统中不具有动态变化能力,也没有自动复位装置。密码组合取决于拉杆所附着方块后面是否有火把附着(起到非门的作用)。您可以像这个例子一样在最末端的与门处放一个具有最高权限的拉杆,只有拉杆拉下时,输入正确密码才能开门。

高级红石电路教程

或门密码锁

或门密码锁就更为简便了,当所有输入全部错误时,输出才会无信号。

由于或门密码锁的高压缩性与快速反应能力,本装置对于地址解码器与可寻址存储器(RAM)极其有用。

设计方案A。密码由输入端那里的红石火把决定(图中为1001)。

高级红石电路教程


您也可以通过把输入端后的红石线改成中继器,从而能够让拉杆门都靠在一起。

同理,您可以扩展更多的输入端。

设计方案B。密码由蓝色区域那里的反相器决定(图中为001001)。


高级红石电路教程

N为输入端数量 K为您希望设置的密码中“1”的个数

设计方案AB
尺寸2N-1x3x1Nx6x2
红石火把数量K2N-K
红石粉数量3N-K-12.5N + 2K

信号分类输出装置

本装置构造简单,实质上只有一个或门与一个与门。

输入端为右侧和下侧。这个设备将输入信号分类,两输入均为“1”时,上侧输出才为“1”;两输入均为“0”,左侧输出才为0,这样您就可以统计两个输入端1与0的个数或持续时间了。 如图所示,本设计方案十分容易扩展。浅色的方格展示了扩展的方法与输入、输出端的位置。依照图示,将同样的装置对应端口接入即可。

高级红石电路教程

深色方格为装置本体,浅色方格标明扩展方式

3位分类输出装置的真值表:

ABC123
000000
100100
010100
001100
110110
011110
101110
111111

顺序敏感的RS或非密码锁

这种密码锁只有当以特定顺序按下按键时,门才会打开。

注:您需要对逻辑门与MCRS符号有一定的了解才能理解本设备的构造。

做一系列的按钮,并(只连接)其中一个到RS或非锁。然后把RS或非锁与第二个按钮连接至通向另一个RS或非锁的 与门,继续这个步骤下去直到你连接了所有的按钮或者对这个锁满意了。把最后一个的RS或非锁和一个来自输入按钮的信号连接到一个单独的与门,接出到输出的RS或非锁。然后把所有剩余的按钮都连接到输入按钮并且将重置信号发送到每一个RS或非锁。紧邻门放置一个压力板可以将门重置。这种类型的锁的安全性有严格的限制。比如说,不是所有按钮都能被使用否则这个系统将无法重置


分享到:
更多 0

网友评论