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浏览器中周期精确的1961继电器计算机仿真：WebAssembly实现门级逻辑与时序

利用WebAssembly在浏览器中实现1961年继电器计算机的周期精确仿真，模拟门级逻辑、时序和I/O，支持互动历史计算演示，提升教育与历史保存。

在计算机历史的长河中，1961 年的继电器计算机代表了早期计算技术的巅峰之作。这些机器使用机械继电器作为逻辑门，运行速度缓慢但可靠性高，是从真空管向晶体管过渡的重要桥梁。今天，通过 WebAssembly 技术，我们可以在现代浏览器中实现这些古董计算机的周期精确仿真（cycle-accurate emulation），不仅重现其门级逻辑、时序和输入 / 输出（I/O）行为，还能提供互动演示，让用户亲身体验历史计算的魅力。这种仿真方式的核心优势在于其高效性和可访问性：无需安装插件或专用软件，用户只需打开浏览器即可探索这些经典机器。

为什么选择 WebAssembly 来实现这种仿真？传统浏览器环境下的仿真往往受限于 JavaScript 的解释执行速度，尤其是在模拟低级硬件逻辑时，性能瓶颈明显。WebAssembly 作为一种二进制指令格式，允许将 C/C++、Rust 等语言编译成接近原生速度的代码，直接在浏览器沙箱中运行。这使得门级逻辑的模拟成为可能：每个继电器的开合状态、信号传播延迟和时钟周期都可以精确建模，而不会因浏览器开销而失真。根据 WebAssembly 规范，其栈式虚拟机模型支持高效的整数运算和内存访问，正适合模拟继电器电路的布尔逻辑和时序控制。例如，在一个典型的继电器计算机中，逻辑门（如 AND、OR、NOT）由多个继电器串并联实现，每个门的传播延迟约为 10-50 毫秒；WebAssembly 可以以微秒级精度模拟这些延迟，确保仿真的周期准确性。

实现这种仿真的关键在于门级逻辑的建模。继电器计算机的核心是 combinatorial 和 sequential 逻辑电路。Combinatorial 部分处理即时输入输出，如加法器使用半加器和全加器，由继电器实现 XOR 和 AND 操作。Sequential 部分则涉及时钟同步的触发器和寄存器，用于存储状态。使用 WebAssembly，我们可以将这些电路抽象为函数：例如，一个 AND 门的模拟函数接受两个布尔输入，返回输出并更新状态表。证据显示，这种方法已在类似项目中证明有效，例如浏览器中的 6502 处理器仿真，使用 WebAssembly 实现了数百万周期 / 秒的执行速度。对于 1961 继电器机，我们可以定义一个核心循环函数，每周期更新所有门的输入 / 输出，模拟继电器弹跳（bounce）和噪声干扰，以增加真实感。时序控制是另一个挑战：继电器机的时钟频率通常在 1-10Hz，远低于现代 CPU；仿真需精确控制每个周期的持续时间，使用 WebAssembly 的性能计时器（Performance.now () 集成）来同步浏览器渲染，避免掉帧。

I/O 模拟是互动演示的核心。历史计算机的输入往往通过开关面板或纸带，输出为灯泡或打印机。在浏览器中，我们可以用 HTML 元素模拟这些：键盘事件映射为开关输入，Canvas 或 LED-like DIV 模拟灯泡输出。WebAssembly 模块通过 JavaScript 桥接处理 I/O，例如导出函数 updateIO ()，接收输入位并返回输出位。证据来自现有 WebAssembly I/O 库，如 wasm-bindgen（Rust），它允许无缝传递数组数据，实现实时反馈。例如，用户输入一个简单的算术指令，仿真执行后立即点亮对应灯泡，展示二进制加法过程。这种互动性不仅教育用户计算机原理，还可用于演示早期编程，如汇编指令的步进执行。

要落地这种仿真，以下是关键参数和清单：

  1. 硬件参数：

    • 时钟周期：10ms / 周期（模拟 1Hz 时钟）。
    • 门延迟：AND/OR 门 5ms，NOT 门 2ms；总传播延迟不超过周期的 50%。
    • 内存：模拟磁芯存储，容量 64 字（每个字 16 位），访问延迟 1 周期。
    • I/O 端口：8 位输入开关，8 位输出灯；纸带输入以 1KB/s 速度模拟。

  2. WebAssembly 实现清单：

    • 语言选择：Rust 或 C++，使用 Emscripten 编译。
    • 模块结构：核心模块（logic.wasm）处理门模拟；I/O 模块（io.wasm）桥接 JS。
    • 优化：使用 SIMD 指令加速并行门计算；内存布局为线性数组，避免碎片。
    • 调试：集成 Source Maps，允许浏览器 DevTools 步进 WASM 代码。

  3. 浏览器集成参数：

    • 兼容性：Chrome 57+、Firefox 52+、Safari 11+。
    • 性能阈值：目标 60FPS 渲染，确保仿真不超过浏览器主线程 50% CPU。
    • 回滚策略：若 WASM 失败，回退到 JS 实现（速度降低 10 倍）。
    • 监控点：周期计数器、延迟直方图、I/O 吞吐量。

  4. 部署清单：

    • 打包：WASM 文件 < 1MB，使用 Brotli 压缩传输。
    • 安全：沙箱隔离，防止用户输入导致无限循环（添加周期上限 10000）。
    • 测试：单元测试门逻辑（覆盖率 > 95%）；端到端测试完整指令执行。

这种仿真不仅重现历史，还为教育提供可扩展平台：教师可自定义指令集，学生互动调试电路故障。通过 WebAssembly，我们桥接了过去与现在，让 1961 年的计算遗产在数字时代重生。

资料来源：https://greg.technology（主要来源，提供项目灵感）；WebAssembly.org（技术规范与示例）。（字数：1025）

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