какое напряжение вентилях трактуется как логическая единица
От транзистора до фреймворка. Логические вентили
Совсем недавно мы затронули транзисторы, однако чтобы понять как их элементарное поведение приводит в движение операционные системы и различные технологии вроде сборки мусора в новомодных языках программирования нужно пройти несколько последовательных шагов. Давайте прямо сейчас сделаем следующий.
Речь пойдет об объединениях транзисторов в простейшие схемы, позволяющие выполнять ряд важных функций цифровой электроники. Самой простой функцией является инверсия. Или отрицание.
Вентиль NOT
Функция изменяет логический уровень входного сигнала на противоположный. Если на вход поступил ноль, то на выходе окажется один. И наоборот, если на входе один, то на выходе ноль.
Функция в цифровой технике имеет несколько форм записи. Одна из них называется уравнением Булевой логики, также популярна запись в виде так называемой таблицы истинности. В ней описывается соответствие между входами и выходами функции. На схемах цифровых устройств функции могут быть изображены по одному из нескольких стандартов. Один из них разработан американским национальным институтом стандартов (сокращенно ANSI). Другой разработан европейской электротехнической комиссией. Сокращенно IEC.
Функция инверсии при помощи транзисторов строится следующим образом:
Пара транзисторов pmos и nmos, называемая комплементарной, своими затворами соединяются со входом. Так как открытие транзисторов происходит от разных логических напряжений, то в один момент времени на выход схемы подключено или напряжение питания (уровень 1)
Работа инвертора при входной «1»
или напряжение земли (уровень 0).
Работа инвертора при входном «0»
Разумеется транзисторы подключены так, чтобы направлять на выход уровень, противоположный входному.
Вентиль NAND
Следующей важной функцией цифровой схемотехники является (И-НЕ). Также она имеет название Штрих Шеффера.
Таблица истинности и обозначение вентиля И-НЕ
Логику работы данной функции легко запомнить. Она выдает ноль только в одном случае, это когда на входах функции все единицы. В остальных случаях функция выдает один. Устройство этой функции немного сложнее. Чтобы выполнять все действия по таблице истинности, необходимо соединить транзисторы следующим образом.
Работа вентиля И-НЕ при входных «0»
Тогда на выход схемы пойдет напряжение логической единицы при появлении логического нуля на любом из входов. Напротив, чтобы на выходе схемы появился ноль, необходимо чтобы открылся каждый из nmos транзисторов, а это произойдет при появлении на входе всех единиц одновременно.
Работа вентиля И-НЕ при входных «1»
Математически доказано, что вот такая схема соединения транзисторов достаточна чтобы из них собирать сколь угодно более сложные схемы. При таком свойстве схемы говорят о ее базисности. Это кирпичик, из которого строится все что угодно. Стандартизация и унификация привели к тому, что эта функция и ей подобные упаковывались в 14 контактные пластиковые корпуса с расстоянием между ножками одна десятая дюйма или 2,54 милиметра.
Внешний вид и устройство 14-контактной микросхемы
Количество контактов позволяет увеличить количество функций в одной микросхеме, в этом конкретном случае до четырех.
Вентиль AND
Если выход рассмотренной функции отрицать еще раз, то получится еще одна функция, называемая конъюнкцией. Выход конъюнкции равен единице тогда и только тогда, когда на входах появятся все единицы.
Таблица истинности и обозначение вентиля И
Вентиль NOR
Следующей важной функцией является стрелка Пирса.
Таблица истинности и обозначение вентиля ИЛИ-НЕ
Таблица истинности данной функции содержит одну единицу, которая возникает только в том случае, если на всех входах функции логические нули. Данная функция еще называется (ИЛИ-НЕ). Функция строится из следующего соединения транзисторов.
Работа вентиля ИЛИ-НЕ при входных «0»
Поскольку pmos транзисторы подключены последовательно в цепочку, то подключение напряжения питания на выход схемы возможно лишь одновременного наличия нулей на всех входах. В любом другом случае единица на входе подключит на выход схемы логический ноль.
Работа вентиля ИЛИ-НЕ при входных «1»
Такая функция также является базисной.
Вентиль OR
Если на выход стрелки пирса добавить инвертор, то получится функция дизъюнкции, иначе называемая функцией — ИЛИ. На выходе этой функции появится логическая единица в случае появления единицы на любом из входов.
Таблица истинности и обозначение вентиля ИЛИ
В следующий раз познакомимся с более крупными объединениями транзисторов. Продолжение следует.
Поддержите статью репостом если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать, а также посетите канал на YouTube c интересными материалами в формате видео.
Что такое логические вентили, комбинационные и последовательные системы
В конструкции процессоров основными элементами являются логические вентили, которые в сочетании используются для создания комбинационных и последовательных систем, которые позволяют создавать сложные запоминающие устройства и процессоры, которые компьютеры использовали с самого начала вычислительной техники. В этой статье мы собираемся дать вам мастер-класс о том, что такое логические вентили вместе с комбинационными и последовательными системами.
Мы уже комментировали вам ранее в статье » Как устроено оборудование? Так работают инженеры-конструкторы »Инструменты, которые используются сегодня для проектирования оборудования. В этой статье, с другой стороны, мы познакомим вас с тем, что такое логические вентили и продукты их комбинации, комбинации и последовательные системы.
Что такое логические ворота?
Все логические элементы имеют определенное количество входов и один выход и отвечают за выполнение определенной операции с входными данными на выводах. На каждом контакте излучается импульс, который является двоичным, поскольку он может иметь только два значения, которые мы называем высоким или логической 1 или низким или логическим 0. Вопреки распространенному мнению, низкий сигнал означает не сигнал без электричества, а сигнал с более низкое напряжение.
Чтобы лучше представить себе логические нули и единицы в уме, представьте их как кнопку, у которой всего две позиции.
Типы логических вентилей
Комбинационные системы
В отличие от последовательных систем, комбинационные системы не работают по тактовым циклам, и выходной сигнал будет получен «немедленно».
Последовательные системы
Для работы последовательным системам требуется тактовый сигнал, который в каждый заданный промежуток времени получает высокий импульс, тактовая частота обратно пропорциональна времени каждого цикла. (1 / время каждого цикла). Например, процессор с частотой 1 МГц переключается с низкого на высокий 1 миллион раз в секунду. Сложная схема может иметь несколько тактовых частот и фаз.
Чтобы визуализировать работу последовательной системы, представьте себе группу людей, которые находятся в комнате и могут перейти в следующую комнату только тогда, когда раздастся свисток, который представляет собой цикл часов. Следовательно, в отличие от комбинационных систем, где выходной сигнал получается за один тактовый цикл, последовательные системы работают по фазам, и сигнал проходит от одной части схемы к другой за тактовый цикл.
Логические вентили ТТЛ, ТТЛШ, МОП и КМОП структур; вентили с тремя состояниями.
Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами (ЛЭ) или логическими вентилями.
По типу сигналов логические элементы делятся на статические, импульсные и фазовые.
В статических элементах выходные сигналы, соответствующие двоичным кодам, представляются в виде статических сигналов. Под статическим понимается сигнал, который после завершения переходных процессов принимает постоянное значение. При устойчивом состоянии элемента такой сигнал удерживается на его выходе неограниченно долго.
Импульсные элементы выдают сигналы в виде импульсов напряжения или тока. Сигналы кодов «1» и «0» на выходах импульсных элементов могут представляться либо одиночными импульсами, либо сериями импульсов (динамичное представление), причем наличие импульса соответствует «1»; отсутствие – «0».
В фазовых элементах кодовые сигналы в выходных цепях представляются электрическими колебаниями, отличающимися по фазе.
Разность уровней UD = U 1 – U 0 называется логическим перепадом. Чем больше логический перепад, тем выше помехоустойчивость.
Логические элементы выпускаются в виде логических полных серий ИМС, включающих базовые элементы и другие схемы, расширяющие возможности построения и облегчающие композицию сложных цифровых устройств различного назначения. Базовыми являются элементы Шеффера (И – НЕ) и Пирса (ИЛИ – НЕ), обладающие свойствами обратимости. Для данной логической серии все ИМС имеют одинаковое напряжение питания и согласованы по входу и выходу, то есть логические 0 и 1 на их входах и выходах представляются физически одинаково. Это позволяет соединить ИМС друг с другом непосредственно.
7.2.1. Типы логических интегральных схем (ИС)
Схемные варианты интегральных логических элементов называются транзисторными логиками (ТЛ). В настоящее время наибольшее распространение получили следующие базовые логические элементы:
ТТЛ – транзисторно–транзисторная логика;
МОП логика – логика на полевых транзисторах с изолированным затвором с каналом n-типа;
КМОП логика – комплементарная логика (на полевых транзисторах с изолированным затвором с каналом n- и р-типа;
Параметры логических ИС
Чем более резким является переход от максимального к минимальному (и наоборот) уровню напряжения, тем выше качество логических ИС.
а) Статистические параметры логических ИС:
– Uип – напряжение источника питания;
– (U 0 вх) и (U 0 вых) – входное и выходное напряжения логического нуля;
– (U 1 вх) и (U 1 вых) – входное и выходное напряжения логической единицы;
– (I 0 вх, I 1 вх) и (I 0 вых, I 1 вых) – токи логического нуля и логической единицы;
– Краз – коэффициент разветвления по выходу;
– Коб – коэффициент объединения по входу (число входов, по которым реализуется логическая функция);
– Uп – допустимое напряжение статистической помехи (с длительностью, большей времени переключения схемы);
– 
– средняя потребляемая мощность.
б) Динамические параметры (характеризуют свойства ИС в режиме переключения):
— время перехода из состояния логического нуля в состояние логической единицы;
— время задержки распространения сигнала при выключении ИС;
— время перехода из состояния логической единицы в состояние логического нуля;
— время задержки распространения сигнала при включении ИС;
— 
– среднее время задержки распространения сигнала
7.2.2. Транзисторно-транзисторная логика
Основой транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) являются биполярные транзисторы. На рис. 7.2,а показана принципиальная схема n-входового типового логического элемента транзисторно-транзисторной логики серии К155. Многоэмиттерный транзистор VT1 образует n-входовую цепь И и выступает в роли комбинатора. В случае присоединения хотя бы одного эмиттера этого транзистора к потенциалу, близкому к нулю, транзистор насыщается током от источника питания и присоединяет к нулевому потенциалу коллектора VT1 вход инвертора (базу VT2). Если же на все входы (эмиттеры) цепи И подан потенциал, близкий к напряжению питания (потенциал лог1), то базо-коллекторный переход многоэмиттерного транзистора VT1 окажется смещенным в прямом направлении. Этот переход открывается, и ток из базовой цепи транзистора VT1 поступает на вход инвертора (на базу VT2).
 |
Таким образом, транзистор VT2 с нагрузочным резистором R2 выполняет функцию инвертора НЕ. Цепь R3, R4, VT3 служит для нелинейной коррекции инвертора, увеличивая быстродействие и улучшая его формирующие свойства. Выходные сигналы инвертора усиливаются двухтактным выходным усилителем на транзисторах VT4 и VT5, резисторе R5 и диоде VDn. При этом если на выходе инвертора будет напряжение U 1 (VT2 заперт), будет заперт VT5 и насыщен VT4. Если на выходе инвертора будет напряжение U 0 (VT2 насыщен), будет насыщен VT5 и заперт VT4.
Во входной цепи многоэмиттерного транзистора VT1 включены дополнительные диоды VD0 – VDn-1, защищающие элемент от появления на его входе недопустимых напряжений обратной полярности. Учитывая обозначения, приведенные на рис.17.2,а можно записать функцию, реализуемую логическим элементом, в виде у= 
, то есть функцию И-НЕ.
Для расширения функциональных возможностей применяются элементы И-НЕ с открытым коллектором. В схеме такого элемента, приведенной на рис. 7.3, выходной усилитель мощности выполнен по однотактной схеме без нагрузочного резистора.
 |
Элемент может согласовывать логические схемы с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например обмотками реле или светодиодными индикаторами подключение нагрузки к напряжению до 30В.
Они хорошо работают на емкостную нагрузку, так как перезарядка конденсаторов осуществляется через низкоомную выходную цепь. Основные параметры ТТЛ:
— напряжение источника питания Uип = +5 В;
— входное напряжение логического нуля 0,4 ≤ U 0 вх 1 вх > 2,4 B;
— токи логического нуля I 0 вх = 1,6 mA, и I 0 вых = 16 mA;
— токи логической единицы I 1 вх и I 1 вых приблизительно составляют 0,4 mA;
— коэффициент разветвления по выходу Краз = I 0 вых / I 0 вх =10.
7.2.3. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки
Наряду с обычными схемами ТТЛ существуют схемы ТТЛШ, в которых базо-коллекторные переходы транзисторов шунтированы диодами Шоттки. Это позволяет существенно повысить быстродействие логических элементов, примерно в два раза по сравнению с ТТЛ. ТТЛШ выпускается в виде интегральной серии К555, которая полностью взаимозаменяема с серией К155. Кроме повышенного быстродействия серия К555 обладает примерно в десять раз меньшим энергопотреблением. Входные и выходные токи логического нуля у ТТЛШ составляют I 0 вх = 0,36 mA, и I 0 вых = 8 mA. Таким образом Краз ≈ 22.
7.2.4. Логические схемы с тремя состояниями
Основой этой логики являются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом проводимости n-типа. Для реализации логических функций используют последовательно-параллельное соединение полевых транзисторов (схемы с непосредственной связью).
Так например, для рис.7.4, а если к одному из входов приложено напряжение высокого уровня, то соответствующий транзистор переходит в открытое состояние и потенциал выходной линии будет равен логическому нулю. Если на обоих входах х1 и х2 будут нулевые потенциалы, то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты и потенциал выхода будет приблизительно равен потенциалу стока, т.е. логической единице. МОП логика реализуется на интегральной серии К176. Основные параметры этой серии:
— напряжение источника питания Uип = +9 В;
— входное напряжение логического нуля 2,4 ≤ U 0 вх 1 вх > 4,7 B;
— токи логического нуля I 0 вх = mA, и I 0 вых = 1,6 mA;
7.2.6. Логические схемы на комплементарных МОП – транзисторах (КМОП логика)
Их работа основана на использовании последовательно включенных и управляемых одним сигналом МОП – транзисторов разных типов проводимости. Когда один из последовательно включенных транзисторов открывается, другой – закрывается. Поэтому такой каскад практически не потребляет мощности в статическом режиме.
В логических схемах на КМОП-транзисторах отсутствуют элементы между выходом одного каскада и входом другого. Это объясняется высоким входным сопротивлением МОП-транзисторов, которое определяется практически только утечками в изоляции и достигает 10 12 – 10 14 Ом. Схемотехника базовых логических элементов КМОП-типа заключается в парном использовании транзисторов р-типа и n-типа. Причем если для реализации заданной функции транзисторы с n-каналом включаются последовательно, то парные им транзисторы с р-каналом включаются параллельно и наоборот.
Защита входов интегральных КМОП-схем от пробоя обычно осуществляется с помощью встроенных диодов, соединяющих входы с шинами источника питания и образующих совместно с выходным сопротивлением источника входного напряжения диодный ограничитель. КМОП логика реализуется на интегральной серии К564. Отличительной особенностью этой серии является плавающее напряжение источника питания Uип = + 3…+ 15 В;
Согласование ТТЛ вентилей с КМОП вентилями можно выполнить различными способами. Можно, например, питать вентиль КМОП малыми напряжениями (+5В). При этом сигналы вентиля ТТЛ переключают транзисторы КМОП. Можно применять преобразователи уровня (564ПУ4 при согласовании уровня серий КМОП с сериями ТТЛ и 511ПУ2, 564ПУ7, 564ПУ8 при согласовании серий ТТЛ с сериями КМОП).
Тесты по дисцпилине «Архитектура ЭВМ и ВС»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Тест: Архитектура ЭВМ. Тест к лекциям.
На сколько уровней обычно делится рассмотрение архитектуры любого объекта?
многие детали в архитектуре не конкретизированы
многие детали архитектуры не упорядочены
многие детали архитектуры не определены
многие детали архитектуры противоречат друг другу
На каком уровне видения архитектуры построена абстрактная машина Фон Неймана?
устройства памяти и арифметико-логического устройства
устройства управления и памяти
ядра и арифметико-логического устройства
устройства управления и арифметико-логического устройства
Как в машине фон Неймана взаимодействуют друг с другом арифметико-логическое устройство и устройство ввода?
АЛУ отсылает потоки и сигналы памяти. Она в свою очередь отсылает сигналы в устройство ввода.
АЛУ отсылает сигналы устройству ввода напрямую.
АЛУ отсылает сигналы устройству управления. Она в свою очередь отсылает сигналы в устройство ввода.
АЛУ отсылает сигналы устройству управления. Она в свою очередь отсылает сигналы в память. Память отсылает сигналы в устройство ввода.
неразличимости комманд и данных
неразличимости комманд и данных
неразличимости комманд и данных
неразличимости комманд и данных
Память при чтении из которого оригинал машинного слова разрушается, и его приходится каждый раз восстанавливать после чтения данных называется
памятью с произвольным доступом
Какие действия выполняет арифметико-логическое устройство машины Фон Неймана?
Выберите несколько из 4 вариантов ответа:
АЛУ может читать машинное слово из памяти на один из своих регистров
Осуществляет обмен машинным словом между регистром и основной памятью ЭВМ
Хранит информацию об адресах регистров
Осуществляет управление работой оперативной памяти
Отличие системных программистов от прикладных програмистов в том, что
Что в списке не является системным программным обеспечением?
На каком уровне видит архитектуру ЭВМ системный программист?
Что такое время доступа к памяти?
минимальная задержка на чтение слова из памяти на некоторый регистр
максимальная задержка на чтение слова из памяти на некоторый регистр
минимальная задержка на запись слова в память из некоторого регистра
максимальная задержка на запись слова в память из некоторого регистра
Что такое время цикла памяти?
минимальная задержка на чтение из памяти
максимальная задержка на чтение из памяти
минимальная задержка на повторное чтение из памяти
максимальная задержка на повторное чтение из памяти
Возможность самомодификации программы является следствием принципа
неразличимости комманд и данных
RAM расшифровывается, как
Random Access Memory
Read Access Memory
Random Adress Memory
Read Adress Memory
в регистр R1 была записана команда из памяти с адресом X.
в память с адресом X была записана команда из регистра R1
в регистр R1 была записана команда из памяти с адресом X+1
в памяти с адресом X+1 была записана команда из регистра R1
в регистр R1 была записана команда из памяти с адресом X.
в память с адресом X была записана команда из регистра R1
в регистр R1 была записана команда из памяти с адресом X+1
в память с адресом X+1 была записана команда из регистра R1
Регистр на котором всегда хранится текущая выполняемая команда называется
В какой регистр ЦП записывается адрес следующей выполняемой команды?
нет верного ответа
С помощью каких сигналов одни узлы компьютера сообщают другим узлам о том, что они выполнили определенные действия, либо зафиксировали ошибки в своей работе?
Какие сигналы заставляют узлы компьютера совершать те или иные действия?
RОM расшифровывается, как
Random Only Memory
Random Other Memory
Как называется простая электронная схема реализующая одну из логических операций?
нет верного ответа
Сколько входов имеет вентиль?
Сколько выходов имеет вентиль?
Какое напряжение в вентилях трактуется, как логическая единица?
Какое напряжение в вентилях трактуется, как логический Ноль?
Сколько входов и выходов имеет вентиль НЕ (транзисторный инвертор)?
Один вход и один выход
Два входа и один выход
Один вход и два выхода
нет верного ответа
Устройство какого вентиля является самым простым?
Вентиль Исключающее ИЛИ
Какую логическую операцию осуществляет вентиль НЕ?
нет верного ответа
Какую логическую операцию осуществляет вентиль ИЛИ?
нет верного ответа
Какую логическую операцию осуществляет вентиль И?
нет верного ответа
Из чего строятся интегральные схемы?
Из логических схем
нет верного ответа
Как называются входы и выходы интегральной схемы?
внутренние контакты схемы
внешние контакты схемы
нет верного ответа
Как называется вентиль, образованный из двух вентилей соединенных параллельно?
Как называется вентиль, образованный из двух вентилей соединенных последовательно?
Сколько транзисторов используется для построения вентиля И?
Нет верного ответа
Сколько транзисторов используется для построения вентиля ИЛИ?
Нет верного ответа
Сколько транзисторов используется для построения вентиля НЕ-ИЛИ?
Нет верного ответа
Сколько транзисторов используется для построения вентиля НЕ-И?
Нет верного ответа
Сколько транзисторов используется для построения вентиля НЕ?
Нет верного ответа
Какие вентили используются при построении логической схемы полусумматор?
нет верного ответа
Какие вентили используются при построении логической схемы сумматор?
нет верного ответа
Сколько выходов имеет логическая схема полусумматор?
Сколько входов имеет логическая схема полусумматор?
Сколько выходов имеет логическая схема сумматор?
Сколько входов имеет логическая схема сумматор?
Сколько выходов имеет логическая схема Функция большинства?
Сколько входов имеет логическая схема Функция большинства?
нет верного ответа
нет верного ответа
нет верного ответа
Сумматор использует большее количество вентилей
Полусумматор умеет складывать биты только нижних разрядов
Они имеют разное количество входов
нет верного ответа
Сколько возможных комбинаций значений переменных имеет булева функция от 3 переменных?
Сколько возможных комбинаций значений переменных имеет булева функция от 2 переменных?
Сколько возможных комбинаций значений переменных имеет булева функция от 10 переменных?
Как называется логическая схема, которая позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при
этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов?
Какой вентиль из перечисленных не используются при построении логической схемы мультиплексор?
Какой вентиль из перечисленных используются при построении логической схемы компаратор?
Сколько видов вентилей использует логичесая схема защелка?
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Курс профессиональной переподготовки
Математика и информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Номер материала: ДВ-454368
Международная дистанционная олимпиада Осень 2021
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
«Спутник» объявили словом года в России
Время чтения: 2 минуты
Москалькова предложила создать рекомендации подросткам по использованию соцсетей
Время чтения: 1 минута
В школе в Пермском крае произошла стрельба
Время чтения: 1 минута
В Минобрнауки разрешили вузам продолжить удаленную работу после 7 ноября
Время чтения: 1 минута
Новый ГОСТ на окна с защитой для детей вступает в силу 1 ноября
Время чтения: 1 минута
Минобрнауки утвердило перечень вступительных экзаменов в вузы
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.