在《我的世界》中实现两位CPU(中央处理器)需要利用红石电路模拟逻辑门和计算单元,通过基础门电路构建加法器、寄存器等组件,最终组成可执行简单运算的处理器。以下是具体实现方法和扩展知识:
1. 红石基础元件准备
红石粉:传输信号的基础导线,最大有效传输距离为15格。
红石火把:可作为非门(反向器)或信号源,延迟1游戏刻(0.1秒)。
中继器:延长信号距离、调节延迟(1-4刻),或作为二极管(单向传输)。
比较器:用于信号强度比较、减法或存储(锁存器模式)。
活塞/粘性活塞:配合方块实现机械存储或信号控制。
2. 构建基本逻辑门
与门(AND):用两个串联的红石火把实现,仅当两个输入均为1时输出1。
或门(OR):并联红石线路,任意输入为1时输出1。
非门(NOT):单红石火把,输入1输出0,反之亦然。
异或门(XOR):通过非门和与门组合实现,用于加法器的进位计算。
3. 设计1位全加器
原理:全加器由两个半加器组成,计算本位和(Sum)与进位(Carry)。
本位和:`Sum = A XOR B XOR Cin`(Cin为进位输入)。
进位:`Carry = (A AND B) OR (Cin AND (A XOR B))`。
实现:用红石搭建异或门和与门组合,注意信号同步以减少延迟。
4. 扩展为多位加法器
8位加法器:串联8个1位全加器,将前一位的Carry输出连接到下一位的Cin。
瓶颈:行波进位加法器延迟较高,可通过超前进位加法器(CLA)优化,但红石实现复杂度剧增。
5. 寄存器与内存
D触发器:用比较器的锁存模式或活塞推动方块存储1位数据。
寄存器组:并联多个D触发器存储多位数据(如4位或8位)。
RAM扩展:用红石灯或活塞阵列模拟内存单元,配合地址解码器读写数据。
6. 时钟与控制单元
时钟电路:用中继器循环信号生成脉冲(例如4刻周期)。
指令解码:通过红石逻辑门解析操作码(如MOV、ADD),控制ALU和寄存器。
7. 实际限制与优化
延迟问题:大规模电路需考虑信号同步,可用流水线技术分阶段处理。
空间占用:紧凑设计需垂直堆叠或平面压缩,参考现实CPU的集成电路布局。
功能扩展:添加移位、乘法等指令需更多逻辑单元和状态机设计。
扩展知识
红石计算机:完整CPU需包含ALU、控制器、内存和IO,已有玩家实现图灵完备的16位计算机。
Minecraft模组:如《ComputerCraft》可直接用Lua编程,跳过红石搭建复杂度。
现实对比:红石CPU的时钟频率仅1-10Hz,而现代CPU达GHz级别,但逻辑原理相似。
在《我的世界》中构建CPU是理解计算机底层架构的绝佳实践,尽管受游戏机制限制,但通过模块化设计和耐心调试,完全可以实现基础运算功能。