【心得】紅石模電的設計與運用

這篇文章算是作者我對製作紅石模電的一些心得分享，同時也因為討論紅石模電的玩家較少，導致這一領域對入門者來說缺乏可參考的數據，希望這篇文章可幫助入門者了解到紅石模電的基礎設計重點，也希望因此吸引更多人願意進入這個領域研究。

首先來簡單說明一下紅石模電是什麼，模電 (模擬電路/模擬電路) 是相對於數電 (數字電路) 的一個領域，跟數電只在 0 和 1 的信號強度下運算不同，模電是對連續強度的信號進行處理，而 Minecraft 中的紅石信號強度不只有 0 和 1 而已，也因此才會出現紅石模電這一領域。若某個紅石模電只處理 0~15 紅石強度的信號，則會將此模電稱作弱模電，反之若可處理超過 15 紅石強度的信號，則會稱作強模電，而本文章所討論的是弱模電。有一點需要特別說明的是，紅石模電中的信號強度是有能階的，這與現實世界中的模電並不相同，因此不該將兩者混為一談，兩者間的觀念更不該直接互通，由於作者我並沒有學習過現實世界中的模電，因此下面文章中的用詞與觀念可能會跟現實世界中的模電學有出入，所以不要太認真地將作者我說的東西去跟現實中模電學做比對。

對於紅石模電來說，最重要的一個紅石組件就是比較器，大部分的模電信號都需要透過比較器進行傳輸與運算，同時比較器也是一個重要的模電信號源 (例如對容器的滿箱檢測)。而比較器本身也提供了兩種基本運算，分別是 “比較 (CMP)” 與 “減法 (MINUS)” 運算 (對應比較器的 “比較模式” 與 “減法模式”，詳細運算規則可參考 Minecraft Wiki)，CMP 比較常用於閘門上，例如當信號到達某一強度後將輸出信號，而 MINUS 比較常用於數字運算上，事實上大部分數字間的運算都是由 MINUS 衍生而來，另外 MINUS 也可以當作閘門使用，不過還是跟 CMP 的閘門存有差異，根據不同的狀況來調整使用即可。

除了 CMP 與 MINUS 外，還有三個重要的基本運算，分別是 “反轉 (REV)”、”取大 (MAX)”、”取小 (MIN)” 運算，REV 可以將弱信號轉換成強信號，強信號轉換成弱信號，且根據系統的進位數不同，轉換效果會有差異，以十六進位的系統來說，REV(A) = MINUS(15， A)，也就是用最強的信號減掉輸入的信號，輸入的信號越強，輸出的信號就越弱。MAX 是以兩個輸入信號中較大的那個作為輸出，它的實現方式非常簡單，只需要將兩個輸入源相接即可，這是因為較強的紅石信號會覆蓋過較弱的信號。MIN 是以兩個輸入信號中較小的那個作為輸出，它的實現方式有兩種，第一種比較直觀，先將兩個輸入源反轉，取較大的後再反轉回來即可，也就是 MIN(A，B) = REV(MAX(REV(A)，REV(B)))。
第二種方式需要稍微思考下，它就是 MIN(A，B) = MINUS(A，MINUS(A，B)) (或者寫作 A – (A – B))，但為什麼這會是對的呢?我們慢慢分析，先假設 A <= B，此時 A – B 的結果會是 0 (因為不會有小於 0 的信號強度)，因此 A – (A – B) 可簡化成 A – 0 = A，所以輸出的會是 A，而當 A > B 時，A – B 的結果必定大於 0，所以算式不可簡化，但當我們把算式中的括弧拆開後，將會變成這樣 A – A + B = B，因此輸出的會是 B，這樣就證明了 MIN(A，B) = MINUS(A，MINUS(A，B))。

看到這邊可能已經有人注意到了，紅石模電中的 REV、MAX、MIN 運算，分別可對應到紅石數電中的 NOT、OR、AND 運算，也就是說擁有紅石數電開發經驗的人，在開發紅石模電時可以運用部分的數電開發經驗，我相信對於入門者來說，先了解數電再來學習模電會有相當大的幫助。

上面已經介紹了基本的模電運算，那接下來會介紹一些模電的簡單應用。第一個應用是信號延遲器，這設備也是作者我進入紅石模電這領域的一個重要契機，當初就是因為看到別人做了一個這樣的設備，才讓我領悟到紅石的真正潛力在模電運算，這個設備巧妙的地方在於它是一個循環運算，紅石信號每轉一圈，它的強度就減弱一階，直到強度為 0 時才輸出信號，哪怕是最小的循環，其延遲的時間長度也可以抵好幾個中繼器，若是增加迴轉單圈的時間長度，其增加的時間長度將會以乘倍成長，遠勝過增加中繼器數量的加法成長，小小一個循環就能有數十個中繼器才能達到的延遲效果。

此外這個設備還有一個特殊的應用，這必須從模電的信號傳輸說起，紅石模電在傳輸速度上一直是個劣勢，這是因為需要大量比較器來維持信號強度的關係，但在長程的模電信號傳輸中，有一種方式可增加傳輸速度，那就是先把模電信號轉成數電信號再進行傳輸，然後在信號接收端再轉換回模電，這就必須用到信號延遲器的循環運算原理，發出信號的一端是會逐漸減少信號強度的循環，而接收信號的一端是會逐漸增強信號強度的循環，最重要的是兩端循環的單圈迴轉時間必須相同，實際設備可參考下圖。

當發送端要傳輸某強度的信號時，它會將該信號轉換成某特定時長的數電信號，而接收端在收到某特定時長的信號時，會將其轉換成特定強度的模電信號，由於發送端與接收端的循環單圈迴轉時間相同，所以接收端的信號強度將會跟發送端相同。

不知道各位有沒有注意到，在上面的信號接收端中有一個用來保存模電信號的電路，跟數電一樣，模電信號也是可以被保存的，根據信號的保存原理，大致可分為 “循環”、”正反器”、”電容” 三種類型，先來說最簡單也最直接的 “循環”，它其實就只是將信號保存在一個迴路中，信號會不斷在迴路中迴轉且不喪失強度，因此就可以用來保存信號。
再來介紹 “正反器”，它是由一對互減的比較器所組成，當對其中一個比較器進行減法時，它會影響到另一個比較器的輸出結果，而這改變又會回頭影響到第一個比較器，使得信號被保存下來。
最後就是 “電容” 了，其實電容又可分成許多細類，其設計更是五花八門，但不論是哪一種電容，它的基本原理都是使用容器 (例如儲物箱、界伏盒) 將信號保存下來，這邊只介紹兩種當作範例。第一種電容是由兩個對接的漏斗構成，當比較器對漏斗進行滿箱檢測的輸出信號強度，與要保存的信號強度不同時，則讓漏斗中的物品往某特定方向移動，而當信號強度相同時，則同時鎖住兩個漏斗來維持信號強度。
第二種電容是用界伏盒作為保存容器，與第一種電容不同的是，保存的信號強度是直接跟容器內物品的數量有關，具體來說是信號強度 = 物品數量 – 1 (減 1 是為了保存強度 0 的信號的關係)，這種電容在不需讀寫數據時，可以將界伏盒存放在其他地方，只有在需要讀寫容器數據時，才需要將界伏盒搬到設備上。

與現實世界中類似的是，”循環” 與 “正反器” 的讀寫速度比 “電容” 快上不少，而 “電容” 具有較高保存密度的潛力，可以根據需求來使用不同的保存方式。

最後再介紹一個實用的紅石模電設備，那就是紅石計數器，先來看一下電路圖。
這邊以 2 比特的計數器作為範例，每輸入一次信號，個位數計數器的信號強度就會增強一階，當個位數計數器的信號強度到達最大值時，下次接收到輸入信號後，將清空個位數計數器，並將十位數計數器的信號強度增強一階。

另外根據電路圖還可以發現，多比特的計數器也只是將一個結構不斷地重複而已，因此擴充起來非常方便。

那為什麼說計數器很實用呢?這是因為在複雜的紅石電路中，經常會將設備拆分成數個階段來運行，這時計數器就可以用作整個設備的中央控制器，由計數器負責記錄設備目前的狀態，並根據設備的狀態，將控制信號分送給各個不同的部件，協調整個設備的運行。

那麼這篇分享文就差不多到這裡了，其實還有許多更複雜的模電設備沒有介紹，像是加法器、內存之類的，不過這篇文章的主要目的是為了讓更多人了解到紅石模電這一領域，所以我只選了些基本電路與實用電路介紹，若各位有興趣做更深入的研究，其實直接動手玩是最快的，我自己也有許多設備是無意間被玩出來的，雖然很難說已最佳化，畢竟紅石的可能性實在太多，但在一次次的優化與開發中一點一滴地累積經驗，然後突然的靈光乍現，就能讓紅石的等級往上抬了一階，這大概就是玩紅石最大的樂趣所在。