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加法机的诞生

微机原理 彭东稳 6761次浏览 已收录 0个评论

通过前面学习我们知道通过全加器可以构建一个加法器;只不过是相加的位数越大需要的加法器越多逻辑上也会越麻烦而已。虽然这么一个加法器逻辑上是可以进行计算的但是要是想从逻辑学转化的逻辑电路真正来实现这么一个加法器还需要很多其他方面的知识。

电能生磁且磁能生电

那么我们就先从电磁学的历史开始说起吧。

1820年的一天,一个偶然的机会奥斯特发现当电路接通时,离电线很近的磁针会发生偏转。由于这一发现奥斯特非常高兴于是在连续进行了一段时间的实验和研究之后。于当年发表了题为《磁针电抗作用实验》的论文,向科学界公布了他关于电流磁效应的发现。他的发现证明了一个事实,那就是电流可以产生磁场。不用怀疑,你家里的电线周围有磁场,你听音乐的二级也有磁场,它之所以吸不起铁钉,只是因为太微弱了。要是你把电线绕起来这就相当与很多个小磁场的叠加。磁力就会增大。也就是说,匝数越多,磁场越强

 

据说1831年,美国人约瑟夫亨利制作了一个体积并不是很大的电磁铁,能吸起重达1吨的铁块。电能生磁已经被证明,接下来出生于英国的法拉第花了将近十年之久证明了磁也能生电。

 

莫尔斯电码和电磁继电器

电学发展的历史还在继续,电可以生磁,可以用来制作电磁铁,这在当时的确是非常新奇的事情。然而并没有什么作用,但是没有过多久,历史上第一个尝试用电来进行远距离通信的人出生了。一个叫莫尔斯的人发明的是一种叫电报的东西,由不在一个地方的两个装置组成,然后用很长的电线连接起来;如图

加法机的诞生

在开关处可以控制电流的通断,而在电线的那一端连着一个电磁铁。这样开关就可以控制磁性的有无。而在电磁铁的上方有一个长长的铁片“衔铁臂”安装在支架上,它可以上下自由活动。平时也就是电磁铁没有通电产生磁力的时候,它被一根弹簧拉着以免与电磁铁挨在一起。一旦开关闭合,衔铁臂就会被电磁铁吸引,当开关松开电磁铁失去磁性时,衔铁臂又在弹簧的牵引下回到原来的位置。

 

介绍完这个电报后;它到底怎么通信的呢?如果在衔铁臂上安装一支笔并在笔下面放一卷均速前进的纸,当把开关闭合并快速松开时,会在瞬间使电磁铁产生一个吸合与释放的动作,结果是笔尖在纸上打出一个点“.”;如果开关闭合久一点那么笔尖会在纸上留下一条线“—”,这正是莫尔斯所要发明的装置电报的核心原理,这里只是简单地解释一个工作过程,如果实际使用还需要一个双发都能明白的电码表将这个电报能打出来的内容与26个英文字母对应,历史上第一份长途电报是在1844524日发出的。这表明莫尔斯的发明已经具备了实用性。

 

但是随后又一个问题来了,由于电线太长,电阻就会变大,这样在电报的那一头,微弱的电流将不能使电磁铁正常吸合,电报接收机也就不能正常接收数据了。而解决之道是使用“继电器”就是给线路续电的,也就是说当电流很小时它能及时地给它补充上。继电器的原理图如下,

加法机的诞生

这是一个简化的示意图,省去了支架之类的东西,它的主体是一个电磁铁,不过衔铁臂的下面多了一个金属触点。现在,分别从衔铁臂和金属触点上引出两根线,并串接一个电源,把这两根线作为另外一条电报线路架设到其他地方。

爱迪生大战交流电

随着电报的发明,在1876年美国人贝尔申请了电话的专利,与此同时爱迪生也发明了电话这个装置。爱迪生一生有一千多项发明。如果要问这么多发明中,最重要、最有影响的发明是什么的话,那也许就是电灯了。爱迪生既是个科学家又是一个商人。雄心勃勃计划用他的灯泡点亮整个世界。爱迪生的供电系统采用的是直流电。而直流电有一个缺陷就是想要远距离传输电能,必须克服一个问题就是导线的阻力。而且供电线路越长,意味着电阻越大,电能会在到达目的地之前被大量损耗。这时候有一个叫特斯拉的人建议爱迪生对现有的供电系统进行改进,以解决不能远距离输送电力的问题。而且他认为这同时也是一种更经济的做法。但是爱迪生没有采纳他的建议,并且再后来的时间里它们互相打压对方,最终特斯拉搞出了交流电也被后人称之为交流电之父,今天我们使用的电大部分都是交流电。(至于直流电和交流电的工作原理和不同之处有兴趣自行查询)。并且他还利用交流电发明了另外一种装置叫“变压器”相信大家都不陌生。如图

加法机的诞生

其实变压器的原理非常简单,拿一个铁框,然后用绝缘导线在它的两边分别绕上线圈,左边的线圈称为初级线圈,右边的称为次级线圈。如果把初级线圈接在交流电上,这个东西实际上就成了一个电磁铁。而且因为交流电的性质,决定了这个电磁铁的南北极和磁场强弱都在不停滴变化着。

而它的作用就是如果初级线圈有1000匝而次级线圈有5000匝,那么在次级就能获得比初级高5倍的电压,这相当于升压;反之,如果初级有5000匝而次级有1000匝,则次级的电压就是初级的1/5,这相当于降压。而“变压器”在我们现在生活中经常使用的到。

加法机的组成

制造一台加法机的关键是全加器的实现,而全加器的逻辑电路构造正是使用到我们前面所说的“继电器”,继电器的闭合开关刚好可以对应二进制的01,这样一来就可以使用电路通过继电器来进行二进制计算了。每一个全加器需要大量的继电器组成而一个加法器又会由多个全加器组成。所以一个可以计算数值较大的加法器需要大量的继电器。好在很多逻辑电路表达式是可以通过更简单的形式展现。

当把所有的全加器连接在一起、封装到一起的时候,我们就会看到一个完整的加法机。如图
加法机的诞生

要想使它真正工作起来,需要用一些开关从电源取电,为它输入两个二进制数。同时还可以将所有的输出和灯泡连接起来,这样就能直观地看到相加的结果。

之后,在1940年由斯蒂贝兹组装了一个可以计算数学题的机器、名为Model-K后改进为M-1、这台机器使用了440个继电器和10个闸刀开关,做起了加减乘除四则运算来要比当时流行的人工手摇计算机快1500倍。


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