логических схем

Логические схемы

Логические схемы используют два разных значения физической величины, обычно напряжение, для представления логических значений true (или 1) и ложь (или 0). Логические схемы могут иметь входы и один или несколько выходов, которые хотя бы частично зависят от их вложений. В схемах логических цепей соединения от выхода одной схемы к вход другой схемы часто обозначается стрелкой на входе конец.

По своему поведению логические схемы очень похожи на программирование. языковые функции или методы. Их входы аналогичны параметрам функций, а их выходы аналогичны значениям, возвращаемым функцией. Однако логическая схема может иметь несколько выходов.

Существует два основных типа логических схем: комбинационные схемы и государственная схема.

• Комбинационная схема ведет себя как простая функция. Выход комбинационной схемы зависит только от тока значения его входа.
• Схема состояния ведет себя больше как объектный метод. Выход схемы состояния зависит не только от ее входов. — это также зависит от прошлой истории его входов. Другими словами, схема имеет память. Это очень похоже на метод объекта, значение которого зависит от состояние объекта: его переменные экземпляра.

Эти два типа схем работают вместе, чтобы составить процессор. путь к данным.

Процессор Datapath

Путь данных процессора концептуально состоит из двух частей:

• Элементы состояния содержат информацию о состоянии процессора. в течение текущего такта. Все регистры являются элементами состояния.
• Комбинационная логика определяет состояние процессора для следующий такт. АЛУ представляет собой комбинационную логику.

Эта диаграмма, как и большинство диаграмм на этом веб-сайте, соответствует следующие соглашения:

• Тактовые сигналы окрашены апельсин.
• Сигналы управления окрашены в синий цвет.

Комбинированная схема

Выход комбинационной схемы зависит только от тока значения его входа. Комбинационная схема концептуально построена из базовой логики вентили: вентили И, вентили ИЛИ, вентили исключающее ИЛИ и инверторы. Выходы вентилей в комбинационной схеме никогда не возвращаются обратно. непосредственно к более ранним входам.

Базовые логические вентили можно комбинировать для формирования различных логических вентилей более высокого уровня. единицы измерения:

• Маршрутизация
  • мультиплексоры — имеют несколько входных сигналов данных и управляющий вход. Выход идентичен одному из входов. Значение управляющего сигнала определяет какой из них.
  • демультиплексоры — имеют один входной сигнал данных, управляющий входные и несколько выходных сигналов. Все выходные сигналы равны 0 (ложь), кроме одного выбирается управляющим входом. Выбранный выход идентичен вводу данных.
• Вычислительный
  • полные сумматоры — выполняют один столбец двоичного файла добавление. Они являются основным строительным блоком для многоразрядных сумматоров и вычитатели.
  • сумматоры и вычитатели — добавляют или вычитают два двоичных или числа с дополнением до двух. Вычитатель — это просто сумматор с дополнительной схемой для выполнения вычислений. операция дополнения до двух на одном из входов. Обычно они предназначены для сложения или вычитания. по указанию управляющего сигнала.
  • компараторы — сравнивают два двоичных файла или дополнение до двух числа.

Сумматоры, вычитатели и компараторы здесь не описываются. Они описаны в Целочисленное сложение и Вычитание.

Вьетнамки

Триггер является основным элементом схемы состояний. Он имеет три входа:

• D — данные для записи в триггер
• En — позволяет записывать данные в триггер
• Cl — часы, которые определяют, когда данные записываются в триггер

Триггер имеет один выход:

• Q — данные выводятся, самое последнее значение данных записывается в триггер.

Реализация триггера

Регистры

Регистр — это всего лишь многоразрядный аналог триггера. Он имеет три входа:

• D — данные для записи в регистр
• En — разрешает запись данных в регистр
• Cl — часы, определяющие, когда данные записываются в регистр

Регистр имеет один выход:

• Q — данные выводятся, самое последнее значение данных записывается в регистр

Это те же входы и выходы, что и у триггера. Разница лишь в том, что вход D и вход Q Выход — это многобитные сигналы.

Как показано слева, регистр реализован как группа триггеры, которые разделяют свои часы и разрешают сигналы.

Реализация регистра

Регистр реализован как группа триггеров, которые имеют общие часы и разрешающие сигналы.

Процессор Datapath Control

Сигналы управления трактом передачи данных процессора можно классифицировать по какую часть процессора они контролируют:

• Государственный контроль
• Комбинированные элементы управления

Комбинационное логическое управление

Сигналы управления для комбинационной логики часто просто контроль маршрутизации. Часто эти сигналы подаются на мультиплексоры.

Например, многие инструкции записывают результат в регистр. Мультиплексор необходим, чтобы выбрать, поступают ли эти данные из вычисления (арифметические и логические инструкции) или из памяти (загрузка инструкции).

MOSFET, затвор и логика

Дата: 15.12.2016

Этот модуль охватывает фундаментальные идеи, лежащие в основе проектирования современных цифровых систем. Этот модуль объясняет основы элементов схемы, как они взаимосвязаны для формирования цифровых схем, а также неидеальные эффекты дизайна.

Цифровые системы
Слово «цифровые» относится к представлению любой информации всего двумя уровнями напряжения [логический ноль (0) или высокий логический уровень (1)]. Логический ноль означает нулевое напряжение, логический высокий уровень означает некоторый уровень напряжения электрического потенциала, который обычно составляет 3,3 В или 5 В.

Цифровые системы более широко используются, чем аналоговые системы для обработки данных, по следующим причинам: Цифровые системы легче проектировать, поскольку цифровые системы используют цифровые сигналы, которые обеспечивают множество будущих возможностей, таких как очень меньшая подверженность шуму, сигнал может быть легко регенерирован и т. д. Термин «проектирование» относится к систематическому процессу разработки схем, отвечающих заданным требованиям, но при этом удовлетворяющих ограничениям по стоимости, производительности, энергопотреблению, размеру, высоте и другим свойствам.

Давайте начнем обсуждение логических вентилей, работающих с цифровым сигналом.
Существует три основных вентиля, а именно И, НЕ, ИЛИ, из которых получены вентили И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ, Исключающее-ИЛИ. Ворота И-НЕ и ИЛИ-НЕ обычно называют универсальными воротами. Теперь давайте начнем обсуждать, как работают эти ворота.

Ворота НЕ:

В компьютерном мире символом, используемым для обозначения ворот НЕ, является «~» (или) (!) (отрицание). Когда какой-либо высокий логический сигнал входит в вентиль НЕ, выход не будет низким сигналом, и происходит обратная операция, когда низкий сигнал входит в вентиль НЕ. Символ ворот НЕ изображен на рисунке 1, а его работа представлена ​​в таблице истинности.

Рисунок 1: (a) символ инвертора (b) таблица истинности (c) ИС для не вентиля (d) схема инвертора
IC 7404 используется для вентиля НЕ, шесть вентилей НЕ встроены в IC 7404. Схематическая диаграмма для вентиля НЕ показан на рисунке1

Вентиль И
В отличие от вентиля НЕ, вентиль И имеет две входные клеммы. Символ для представления функции И — «&». Выход логического элемента И будет высоким только тогда, когда оба входа будут высокими. Символ вентиля И показан на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2: Логический элемент И, таблица истинности и внутренний вид IC7408 и IC7411

IC 7408 используется для операции И. Он содержит 4 вентиля И, каждый из которых имеет по два входа. У нас может быть 3 входа И вентиль (IC7411). Конфигурация выводов IC 7408 и 7411 показана на рисунке 2.
Мы можем получить 4-х входные логические элементы И с помощью двух входных логических элементов И. Давайте посмотрим, как мы можем это сделать:

Рисунок 3: 4-х входные логические элементы И, полученные из двух входных логических элементов И и их истинности.

На рисунке ниже показана принципиальная схема двухвходового И-затвора, выполненного с использованием полевых МОП-транзисторов.

ИЛИ ворота:

Символ для представления или ворот «|». Ворота ИЛИ выполняют сложение. когда любой из входов вентиля ИЛИ имеет высокий логический уровень, выход будет высоким. Таблица символов и истинности вентиля ИЛИ показана на рисунке 5. IC 7432 используется для операции ИЛИ. он содержит четыре, 2 входных элемента ИЛИ.

Рис. 5: Таблица символов и истинности вентиля ИЛИ.

Рис. 6: Схема вентиля ИЛИ
Примечание. Чтобы узнать больше о номерах микросхем для цифровых схем, посетите: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_7400_series_integrated_circuits

Включение света в комнате, когда в комнате темно, с помощью простого И-ворота :

Вот реальный пример, который всегда прост, И-ворота можно использовать для включения света в комнате, когда в комнате темно. Пожалуйста, смотрите рисунок 7. Это говорит о двух входных логических элементах И, где один вход подключен к переключателю, который либо подключен к +5 В высокого напряжения, либо заземлен к 0 напряжению. Чтобы заставить это устройство работать, вы должны держать переключатель таким образом, чтобы он был подключен к +5 В, чтобы вход на вентиль И всегда был высоким. Другой вход, верхний логический элемент И, подключен к датчику освещенности, который вырабатывает +5 В, когда темно или нет света, в противном случае нулевое напряжение низкого уровня, когда есть свет. Логический элемент И подключен к реле, которое может включать лампочку. Лампочка загорится только тогда, когда на обоих входах и будет высокий уровень. Так бывает только тогда, когда темно.

Рис. 7: Реальный пример с использованием вентиля И.

Приложения настолько просты, что логические вентили управляют современным миром в виде сложных процессорных чипов, которые имеют миллионы таких вентилей. В этом курсе мы познакомим вас с тем, как миллионы логических вентилей или проводных соединений выполняют сложную функцию для использования в режиме реального времени.
Мы начали с логических элементов в основном для того, чтобы объяснить с помощью приведенного выше приложения, где логические схемы могут использоваться для автоматизации многих наших потребностей.

Пример 2:
Рассмотрим завод по производству пластмасс. Установка должна поддерживаться ниже с определенным порогом температуры и давления. Если температура или давление превышают предельные значения, установка должна быть остановлена.

Рисунок 8: реальный пример для вентиля ИЛИ

Пример 3
В реальных инверторах, соединенных встречно-параллельно с нечетными числами, обратная связь передается от выхода к входу для получения колебаний.

Рисунок 9: Кольцевой осциллятор

Примечание. Конструкция должна удовлетворять критериям Баркгаузена для цифровых и смешанных СБИС от Razavi.

Универсальные вентили (НЕ-И и ИЛИ-НЕ)

Вентиль-НЕ является обратным вентилю И. Символ логического элемента И-НЕ показан на рисунке 10. Работа логического элемента И объясняется в таблице истинности.

Рисунок 10: символ вентиля НЕ-И и его таблица истинности

Вентиль НЕ-ИЛИ является обратным вентилю ИЛИ. Символ вентиля ИЛИ-НЕ изображен на рисунке 11. Работа вентиля ИЛИ-ИЛИ объясняется в таблице истинности 9.0009

Рисунок 11: символ вентиля НЕ-ИЛИ и его таблица истинности

Из вентилей НЕ-И и НЕ-ИЛИ мы можем получить любые другие вентили, отсюда и название универсальных вентилей. Давайте посмотрим, как это сделано:

NAND как вентиль AND

NAND как вентиль OR

NOR как вентиль AND

вентиль XOR: Произносится как XOR-операция вентиля4 сумма 9000s OR: 9000s который не включает Carry. Он содержит два входа и один выход. Символ вентиля XOR показан на рисунке 12.

Рисунок 12: символ логического элемента исключающее ИЛИ и его таблица истинности универсальные ворота в реальном мире.

Пример 1: Рассмотрим сценарий Промышленные химикаты хранятся на складах, где происходят химические реакции, приводящие к образованию токсичных паров, которые выбрасываются в атмосферу через вытяжные вентиляторы. В складских помещениях необходимо установить три вытяжных вентилятора для отвода ядовитого воздуха в процессе их работы. Если один или несколько вытяжных вентиляторов выходят из строя, активируется аварийный сигнал.

Рис. выше: Система обнаружения отказа вытяжного вентилятора на основе вентиля И-НЕ

Пример 2: Стиральная машина оснащена тремя датчиками для проверки ее работы. Первая операция — это функционирование двери, вторая — уровень воды, а третья — взвешивание одежды. Если одна из функций выходит из строя, например, открытие или закрытие двери, изменение уровня воды или перегрузка одежды, генерирует соответствующие выходы датчика на 1. Выходы 3 датчиков подключены к 3 входам вентиля ИЛИ-НЕ. Выходы датчиков будут равны 0 при нормальной работе стиральной машины. Выход вентиля ИЛИ-НЕ равен 0, если ошибочное состояние обнаружено любым одним или несколькими датчиками. Выход вентиля ИЛИ-ИЛИ подключен к выключателю стиральной машины.

Булева алгебра:

Булева алгебра используется в качестве основы для цифрового проектирования. Цифровые системы могут быть выражены в терминах логических выражений, которые содержат логические операторы, переменные и логические значения.
Булева алгебра имеет дело с логическим выражением
Пример логического выражения

В приведенном выше примере A, B, C являются переменными , +& . являются операторами, а 0 и 1 — логическими значениями. Аксиомы булевой алгебры перечислены ниже:

Законы тождества
X+0=X
X.1=X

Законы ассоциации
(X+Y)+Z= X+(Y+Z)
(X.Y).Z=X(Y.Z)

Законы коммутации
X+Y=Y+X
X.Y= Y.X

Законы распределения
X+ (Y.Z)= (X+Y).(X+Z)
X.(Y+Z)= (X.Y)+(X.Z)

Дополнительные законы

Ниже перечислены некоторые полезные теоремы, которые можно использовать при работе с булевыми выражениями.

Законы идемпотентности
X+X= X
X.X=X

Законы поглощения
X+(X.Y)=X
X.(X+Y)=X

Другие законы тождества
X+1=1
X.0=0

Законы Де Моргана

Здесь + представляет операцию ИЛИ
. представляет операцию умножения, т.е. операцию И

(2) f= AB+A(B+C)+B(B+C)

(3) f=A(B+CD)

Логические выражения может быть выражена в двух формах, а именно в виде суммы произведений (SOP) и произведения сумм (POS):
Сумма произведений: термины произведения логических выражений суммируются логическим сложением в форме SOP 9. 0143 Пример:- 1. AB+BC+CA
2. AB+B(C+D)
Произведение сумм: сумма переменных умножается на сумму других членов выражения.

(A+B+C)A (D+F)

Мы не можем преобразовать логическое выражение в SOP или POS. Давайте посмотрим, как мы можем этого добиться:

AB+B(CD+EF) преобразуется в SOP
Ans. AB+BCD+BEF
(A+B) (B+C+D) преобразовать в SOP
Ответ. AB+AC+AD

Примечание. Итак, мы уже видели выражения SOP и POS. Приведены примеры нестандартного способа выражения булевых выражений.
Стандартная СОП:
Рассмотрим пример f= AB+BC+CA, давайте преобразуем его в стандартную форму СОП:
>AB+BC+CA

Стандартное выражение СОП — это выражение, в котором все переменные домена появляются в каждом термине продукта в выражении.

Standard POS

Упрощение логических выражений с помощью булевой алгебры

AB+A(B+C)+B(B+C)
=AB+AB+AC+BB+BC
= AB+AC +BC+B
= B+ AC+AB
= B (1+A)+AC
=B+AC

Упрощение логического выражения упростит логику.
Рассмотрим выражение AB+A(B+C)+B(B+C), это эквивалентные логические схемы, а упрощенная принципиальная схема показана ниже и некоторые из них перечислены ниже:

1. Карта Карно
2. Алгоритм Куайна-Маккласки
3. Минимизация переменной состояния

Для получения дополнительной информации об упрощении логики см. приложения и разработки цифровой логики Джона М. Ярбро.

Неидеальные эффекты элементов схемы

(1) Задержка распространения: Задержка распространения обусловлена ​​внутренней коммутационной активностью (т. е. временем, необходимым для зарядки и разрядки паразитной емкости транзисторов)

Уровни сигналов не изменяются мгновенно из-за к переключению деятельности. Время, необходимое для повышения напряжения сигнала от низкого уровня до высокого уровня, называется временем нарастания. Время, необходимое для падения напряжения сигнала с высокого уровня на низкий, называется временем спада.

Рассмотрим схему, показанную на рисунке ниже.

Одним из способов уменьшения задержки распространения является уменьшение паразитной емкости. Если к выходу предыдущего блока подключено более одного логического блока, паразитная емкость суммируется, что приводит к чтобы больше задержка распространения, другими словами разветвление должно быть меньше.

(2)Задержка провода

Мы думаем, что провод ведет себя как чистый проводник без какого-либо сопротивления, но на самом деле провода будут иметь сопротивление, индуктивность и емкость. Когда длина провода слишком мала, этими значениями можно пренебречь. Когда длина проводов слишком велика, они становятся линией передачи с разумной задержкой распространения. Эти задержки следует учитывать при проектировании высокоскоростных систем.

(3)Глюки

Глитчи также известны как недействительные выходные данные, которые возникают из-за задержки распространения на входах, входящих в логический блок, например, возьмем электрическую схему, показанную ниже

В приведенном выше примере мы можем сказать, что неожиданный ноль на выходе схемы. Это называется сбоем, и он вызывает проблемы для остальных цепей, поскольку он распространяется на следующие цепи и приводит к большему количеству сбоев.

Решение этой проблемы: добавление буфера к пути с меньшими задержками распространения. Эти буферы компенсируют задержку, чтобы мы могли ожидать корректных результатов на выходе.

Комбинационные логические схемы и последовательные логические схемы
комбинационные логические схемы выполняют операции над входами, входящими в схему, и определяют выход как логическую функцию входа.
Другими словами, вывод является функцией только ввода. На рисунке ниже показана общая блок-схема комбинационной схемы.

Этим комбинационным логическим схемам не хватает сохранения каких-либо предыдущих выходов. Другими словами, у него нет памяти. Это можно преодолеть, используя последовательные схемы, в которых выход определяется как предыдущим, так и текущим входом. На рисунке ниже показана блок-схема последовательных логических схем.