【心得】红石模电的设计与运用

这篇文章算是作者我对制作红石模电的一些心得分享，同时也因为讨论红石模电的玩家较少，导致这一领域对入门者来说缺乏可参考的数据，希望这篇文章可帮助入门者了解到红石模电的基础设计重点，也希望因此吸引更多人愿意进入这个领域研究。

首先来简单说明一下红石模电是什么，模电 (仿真电路/模拟电路) 是相对于数电 (数字电路) 的一个领域，跟数电只在 0 和 1 的信号强度下运算不同，模电是对连续强度的信号进行处理，而 Minecraft 中的红石信号强度不只有 0 和 1 而已，也因此才会出现红石模电这一领域。若某个红石模电只处理 0~15 红石强度的信号，则会将此模电称作弱模电，反之若可处理超过 15 红石强度的信号，则会称作强模电，而本文章所讨论的是弱模电。有一点需要特别说明的是，红石模电中的信号强度是有能阶的，这与现实世界中的模电并不相同，因此不该将两者混为一谈，两者间的观念更不该直接互通，由于作者我并没有学习过现实世界中的模电，因此下面文章中的用词与观念可能会跟现实世界中的模电学有出入，所以不要太认真地将作者我说的东西去跟现实中模电学做比对。

对于红石模电来说，最重要的一个红石组件就是比较器，大部分的模电信号都需要透过比较器进行传输与运算，同时比较器也是一个重要的模电信号源 (例如对容器的满箱检测)。而比较器本身也提供了两种基本运算，分别是 “比较 (CMP)” 与 “减法 (MINUS)” 运算 (对应比较器的 “比较模式” 与 “减法模式”，详细运算规则可参考 Minecraft Wiki)，CMP 比较常用于闸门上，例如当信号到达某一强度后将输出信号，而 MINUS 比较常用于数字运算上，事实上大部分数字间的运算都是由 MINUS 衍生而来，另外 MINUS 也可以当作闸门使用，不过还是跟 CMP 的闸门存有差异，根据不同的状况来调整使用即可。

除了 CMP 与 MINUS 外，还有三个重要的基本运算，分别是 “反转 (REV)”、”取大 (MAX)”、”取小 (MIN)” 运算，REV 可以将弱信号转换成强信号，强信号转换成弱信号，且根据系统的进位数不同，转换效果会有差异，以十六进位的系统来说，REV(A) = MINUS(15， A)，也就是用最强的信号减掉输入的信号，输入的信号越强，输出的信号就越弱。MAX 是以两个输入信号中较大的那个作为输出，它的实现方式非常简单，只需要将两个输入源相接即可，这是因为较强的红石信号会覆盖过较弱的信号。MIN 是以两个输入信号中较小的那个作为输出，它的实现方式有两种，第一种比较直观，先将两个输入源反转，取较大的后再反转回来即可，也就是 MIN(A，B) = REV(MAX(REV(A)，REV(B)))。
第二种方式需要稍微思考下，它就是 MIN(A，B) = MINUS(A，MINUS(A，B)) (或者写作 A – (A – B))，但为什么这会是对的呢?我们慢慢分析，先假设 A <= B，此时 A – B 的结果会是 0 (因为不会有小于 0 的信号强度)，因此 A – (A – B) 可简化成 A – 0 = A，所以输出的会是 A，而当 A > B 时，A – B 的结果必定大于 0，所以算式不可简化，但当我们把算式中的括号拆开后，将会变成这样 A – A + B = B，因此输出的会是 B，这样就证明了 MIN(A，B) = MINUS(A，MINUS(A，B))。

看到这边可能已经有人注意到了，红石模电中的 REV、MAX、MIN 运算，分别可对应到红石数电中的 NOT、OR、AND 运算，也就是说拥有红石数电开发经验的人，在开发红石模电时可以运用部分的数电开发经验，我相信对于入门者来说，先了解数电再来学习模电会有相当大的帮助。

上面已经介绍了基本的模电运算，那接下来会介绍一些模电的简单应用。第一个应用是信号延迟器，这设备也是作者我进入红石模电这领域的一个重要契机，当初就是因为看到别人做了一个这样的设备，才让我领悟到红石的真正潜力在模电运算，这个设备巧妙的地方在于它是一个循环运算，红石信号每转一圈，它的强度就减弱一阶，直到强度为 0 时才输出信号，哪怕是最小的循环，其延迟的时间长度也可以抵好几个中继器，若是增加回转单圈的时间长度，其增加的时间长度将会以乘倍成长，远胜过增加中继器数量的加法成长，小小一个循环就能有数十个中继器才能达到的延迟效果。

此外这个设备还有一个特殊的应用，这必须从模电的信号传输说起，红石模电在传输速度上一直是个劣势，这是因为需要大量比较器来维持信号强度的关系，但在长程的模电信号传输中，有一种方式可增加传输速度，那就是先把模电信号转成数电信号再进行传输，然后在信号接收端再转换回模电，这就必须用到信号延迟器的循环运算原理，发出信号的一端是会逐渐减少信号强度的循环，而接收信号的一端是会逐渐增强信号强度的循环，最重要的是两端循环的单圈回转时间必须相同，实际设备可参考下图。

当发送端要传输某强度的信号时，它会将该信号转换成某特定时长的数电信号，而接收端在收到某特定时长的信号时，会将其转换成特定强度的模电信号，由于发送端与接收端的循环单圈回转时间相同，所以接收端的信号强度将会跟发送端相同。

不知道各位有没有注意到，在上面的信号接收端中有一个用来保存模电信号的电路，跟数电一样，模电信号也是可以被保存的，根据信号的保存原理，大致可分为 “循环”、”正反器”、”电容” 三种类型，先来说最简单也最直接的 “循环”，它其实就只是将信号保存在一个回路中，信号会不断在回路中回转且不丧失强度，因此就可以用来保存信号。
再来介绍 “正反器”，它是由一对互减的比较器所组成，当对其中一个比较器进行减法时，它会影响到另一个比较器的输出结果，而这改变又会回头影响到第一个比较器，使得信号被保存下来。
最后就是 “电容” 了，其实电容又可分成许多细类，其设计更是五花八门，但不论是哪一种电容，它的基本原理都是使用容器 (例如储物箱、界伏盒) 将信号保存下来，这边只介绍两种当作范例。第一种电容是由两个对接的漏斗构成，当比较器对漏斗进行满箱检测的输出信号强度，与要保存的信号强度不同时，则让漏斗中的物品往某特定方向移动，而当信号强度相同时，则同时锁住两个漏斗来维持信号强度。
第二种电容是用界伏盒作为保存容器，与第一种电容不同的是，保存的信号强度是直接跟容器内物品的数量有关，具体来说是信号强度 = 物品数量 – 1 (减 1 是为了保存强度 0 的信号的关系)，这种电容在不需读写数据时，可以将界伏盒存放在其他地方，只有在需要读写容器数据时，才需要将界伏盒搬到设备上。

与现实世界中类似的是，”循环” 与 “正反器” 的读写速度比 “电容” 快上不少，而 “电容” 具有较高保存密度的潜力，可以根据需求来使用不同的保存方式。

最后再介绍一个实用的红石模电设备，那就是红石计数器，先来看一下电路图。
这边以 2 比特的计数器作为范例，每输入一次信号，个位数计数器的信号强度就会增强一阶，当个位数计数器的信号强度到达最大值时，下次接收到输入信号后，将清空个位数计数器，并将十位数计数器的信号强度增强一阶。

另外根据电路图还可以发现，多比特的计数器也只是将一个结构不断地重复而已，因此扩充起来非常方便。

那为什么说计数器很实用呢?这是因为在复杂的红石电路中，经常会将设备拆分成数个阶段来运行，这时计数器就可以用作整个设备的中央控制器，由计数器负责记录设备目前的状态，并根据设备的状态，将控制信号分送给各个不同的部件，协调整个设备的运行。

那么这篇分享文就差不多到这里了，其实还有许多更复杂的模电设备没有介绍，像是加法器、内存之类的，不过这篇文章的主要目的是为了让更多人了解到红石模电这一领域，所以我只选了些基本电路与实用电路介绍，若各位有兴趣做更深入的研究，其实直接动手玩是最快的，我自己也有许多设备是无意间被玩出来的，虽然很难说已最佳化，毕竟红石的可能性实在太多，但在一次次的优化与开发中一点一滴地累积经验，然后突然的灵光乍现，就能让红石的等级往上抬了一阶，这大概就是玩红石最大的乐趣所在。