În proiectarea procesoarelor, elementele de bază sunt porțile logice, care, în combinație, sunt utilizate pentru a crea sisteme combinaționale și secvențiale care permit memorii complexe și procesoare pe care computerele le-au folosit încă din zorii computerului. În acest articol vă vom oferi o clasă de master despre ce porți logice sunt împreună cu sistemele combinaționale și secvențiale.
V-am comentat deja anterior, prin intermediul articolului ” Cum este proiectat hardware-ul? Așa funcționează inginerii de proiectare ”Instrumentele utilizate astăzi pentru proiectarea hardware. În acest articol, pe de altă parte, vă vom prezenta ce sunt porțile logice și produsele combinației lor, combinația și sistemele secvențiale.
Ce sunt porțile logice?
Porțile logice sunt combinații de tranzistoare care reprezintă unitățile minime pentru a construi orice semiconductor, vorbim deja despre construcția unei memorii, fie că este volatilă sau nevolatilă, precum și despre orice tip de procesor. Deci, orice semiconductor găsit într-un computer este de tipul care este alcătuit din porți logice, chiar și microcontrolerul care controlează frigiderul din bucătăria dvs. este alcătuit din porți logice.
Toate porțile logice au un anumit număr de intrări și o singură ieșire și sunt responsabile pentru efectuarea unei operațiuni specifice pe datele de intrare de pe pini. În fiecare pin se emite un impuls care este binar, deoarece poate avea doar două valori pe care le numim high sau logic 1 sau low sau logic 0. Contrar credinței populare, un semnal scăzut nu înseamnă un semnal fără electricitate, ci unul cu un tensiune mai mică.
Pentru a vizualiza mai bine zerourile logice și unele mental, gândiți-vă la ele ca la un buton, care are doar două poziții.
Tipuri de porți logice
Porțile logice utilizate în proiectarea amintirilor și a procesoarelor sunt următoarele:
- SAU poartă: ieșirea va fi un zero logic atunci când cel puțin unul dintre pinii de intrare ai porții SA are un 1. În cazul în care toate valorile de intrare sunt 0, atunci valoarea de ieșire va fi 0.
- ȘI poartă: ieșirea poate fi una logică numai dacă toate valorile de intrare sunt logice. În orice alt caz, ieșirea este întotdeauna zero logică.
- Poarta XOR: ieșirea este una logică atunci când doar unul dintre pinii de intrare primește un semnal ridicat și restul sunt scăzute, în alte cazuri pulsul de ieșire va fi scăzut sau zero logic.
- invertor: Nu este o poartă logică, este pur și simplu responsabilă pentru schimbarea semnalului de la mare la mic. Este folosit pentru a crea porțile logice negate.
- NOR poarta: it este inversul porții SAU, ieșirea va fi una logică numai atunci când toate semnalele de intrare sunt logice zero. Spre deosebire de poarta SA, ieșirea va fi logică zero dacă cel puțin unul dintre semnalele de intrare este ridicat sau unul logic.
- Poarta NAND: ea este inversul porții AND, astfel încât ieșirea va fi întotdeauna una logică, cu excepția cazului în care toate valorile de intrare sunt logice, atunci ieșirea va fi logică zero.
- Poarta XNOR: Aceasta este poarta XOR inversată. Ieșirea este zero zero atunci când cel puțin una dintre intrări este una logică, în alte condiții ieșirea va fi întotdeauna una logică.
Sisteme combinaționale
Sistemele combinaționale nu sunt altceva decât combinații complexe de porți logice în care intrările și ieșirile sunt combinate pentru a obține circuite mai complexe. Un exemplu de sisteme combinaționale sunt decodoarele, care convertesc semnalul de intrare în selecția unei ieșiri și care sunt utilizate pentru a accesa datele într-un RAM memorie sau în unitatea de control a unui procesor. Un alt tip de circuite combinaționale sunt ALU-urile unităților de execuție ale CPU-urilor și GPU-urilor care sunt însărcinate cu efectuarea operațiilor aritmetice cu datele de intrare.
Putem împărți circuitele combinaționale în două tipuri diferite:
- Elemente utilizate pentru efectuarea operațiilor aritmetice și logice.
- Elemente care servesc la transmiterea datelor precum multiplexoare, demultiplexoare, codificatoare, decodificatoare etc.
Spre deosebire de sistemele secvențiale, sistemele combinaționale nu funcționează pe cicluri de ceas și semnalul de ieșire va fi obținut „imediat”.
Sisteme secvențiale
Un sistem secvențial este o combinație de porți logice, dar organizat în așa fel încât să amintească trecutul. Cu ele puteți construi elemente precum flip-flop-uri și zăvoare care pot stoca biți de informații. Ca o notă, registrele unui procesor sunt alcătuite din flip-flops.
Sistemele secvențiale au nevoie de un semnal de ceas pentru a funcționa, care fiecare cantitate dată de timp primește un impuls mare, viteza ceasului fiind inversa timpului fiecărui ciclu. (1 / timpul fiecărui ciclu). De exemplu, un procesor de 1 MHz trece de la minim la mare de 1 milion de ori pe secundă. Un circuit complex poate avea mai multe viteze de ceas și faze.
Pentru a vizualiza funcționarea unui sistem secvențial, imaginați-vă un grup de oameni care se află într-o cameră și care pot merge în camera următoare numai când sună un fluier, care este un ciclu de ceas. Prin urmare, spre deosebire de sistemele combinaționale în care ieșirea este obținută într-un singur ciclu de ceas, sistemele secvențiale funcționează în faze și semnalul trece dintr-o parte a circuitului în alta pe ciclu de ceas.
