红石 Minecraft 中的图灵机

在《我的世界》中用红石搭建图灵机

图灵机由无限长的纸带（划分为单元格）、读写头以及充当程序的转换表组成。在《我的世界》中，这些组件通过红石系统进行模拟——红石是一种拥有16个信号强度等级（0至15）的信号传输机制。红石粉最多可传输15格距离，每经过一格信号强度衰减一级。

核心红石元件：

• 红石火把：反转信号（非门/NOT）。
• 拉杆：提供稳定、持续的电源。
• 按钮：产生固定时长的脉冲信号。
• 中继器：增强信号强度、强制单向传输，并增加1至4游戏刻的延迟。
• 比较器：用于比较或相减信号强度。

这些元件可组合成各类逻辑门：非门（火把）、与门（两个中继器输入至火把）、或门（线路汇合）以及与非门/或非门（多种组合）。该机器采用4字符字母表：0、1、空（ε）及一个保留状态。

纸带存储单元

每个单元可存储4位数据（数值0–15），激活后会持续输出对应信号。例如，某单元可存储 0101。左侧按钮用于重置单元。额外的位数为未来扩展预留了空间。

完整纸带由8个此类单元组成，共计提供32位存储空间。

读写头移位寄存器

该寄存器用于追踪读写头在纸带上的位置。点亮的灯指示当前激活的单元格。右侧按钮控制移动方向：左移、右移及重置（将读写头移回最左侧灯）。最左侧可选配一盏指示灯，用于提示移位操作完成，从而在执行循环中最小化时序延迟。

该寄存器通过位移操作控制读写头在纸带上的移动。

程序指令单元

每个程序单元存储10位指令数据：

• 4位用于写入的数值。
• 2位用于读写头偏移量（10 = 左移，01 = 右移）。
• 4位用于下一机器状态。

操作严格遵循“写入 → 移位 → 状态转换”的顺序。完整程序共占用20个单元，覆盖4种状态 × 4种符号（含ε与停机状态）。

二进制转十进制转换器

该模块将二进制地址转换为十进制格式，以便精准定位纸带单元格。信号从右侧输入（例如，二进制 10 会在左侧输出为十进制 2）。这大幅简化了内存寻址过程。

执行循环

采用固定时序延迟（每次操作2秒）来保持系统同步，无需额外的完成信号反馈：

• 读取当前纸带单元格的符号。
• 根据当前状态与符号查找转换规则。
• 从转换表中写入新数值。
• 读写头向左或向右移位。
• 更新为下一机器状态。
• 若达到停机状态则终止；否则重复循环。

一条橙色导线从程序模块连接至执行循环，用于传输停机信号。

整体架构

完整搭建包含以下部分：

• 20个程序指令单元。
• 8个纸带存储单元。
• 读写头移位寄存器。
• 同步执行循环。
• 二进制转十进制地址转换器。

作为实际演示，该机器可成功对纸带上存储的数值执行递增操作。

核心要点

• 红石系统利用标准逻辑门与0–15信号强度，精准模拟了图灵机逻辑。
• 4位存储单元内置冗余设计，便于后续扩展。
• 固定时序延迟简化了执行循环，省去了反馈信号的需求。
• 4字符字母表与4种内部状态共衍生出20种可能的转换路径。
• 该装置在特定场景（如二进制递增）下可完全正常运行。

— Editorial Team