Stap 4: Logic-poorten
Nu laten we eens kijken hoe MOSFETs worden gebruikt in berekeningen van de logica.
Nou, laat me back-up een stap. Om te begrijpen computing, moet u een basiskennis van Boole-algebra. Als u onbekend met Booleaanse algebra bent, stoppen hier en doe wat onderzoek. Ik zal proberen en vereenvoudigen, maar elektronica-tutorials.ws heeft een grote reeks van lessen daarop gerichte elektronische of digitale, logica. De BBC heeft een coole interactieve site om te leren van de digitale logica ook. Digitale logica is wat we gebruikt om te ontwerpen computerprocessors logica. U kunt ook voor meer informatie over K-kaarten, waarmee u te zien van complexe tabellen van de waarheid in een verschillende (en vaak gemakkelijkere) manier, en De Morgan van stellingen, die het fundament van Boole-algebra. In bredere zin, kan referentiemateriaal in discrete wiskunde, waarin logica maar ook verzamelingenleer, recursie en betrekkingen, ook van pas komen. Wikipedia heeft een lijst met operators die gewoonlijk worden gebruikt voor logica expressies. Ook, ter verduidelijking, in digitale logica gebruiken we 1 (ingeschakeld) en 0 (uit) geven aan de status van de invoer of uitvoer.
NU laten we eens kijken hoe MOSFETs worden gebruikt in berekeningen van de logica, zullen we.
Eerste enige theorie
De eerste logische poort wil ik te voeren is de dubbele invoer en poort, want het is waarschijnlijk de gemakkelijkste logica te begrijpen. De afbeelding hieronder toont het schematisch symbool voor een AND-poort.
De output van de AND poort zal alleen hoog als zowel van de ingangen ook hoog zijn zijn. Als beide input laag is, is de output ook laag. Het symbool (in digitale logica) is "●". Zie de tabel hieronder voor de waarheidstabel van de AND-poort.
| A | B | A • B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Wanneer we kijken naar waarheid tabellen, is het aantal mogelijke uitkomsten in de rechtse kolom gerelateerd aan het aantal ingangen door het verhogen van 2 tot en met een kracht gelijk aan het aantal ingangen. Met andere woorden, als u twee ingangen, hebt u 22 = 4 uitgangen. Met 3 ingangen, krijg je 23 = 8 uitgangen en ingangen met 8 uw krijgen 28 = 256 mogelijke uitgangen.
De tweede poort te overwegen is de NAND poort, of niet en niet is de manier die wij ontkenning beschrijven, of iets te zeggen is het tegenovergestelde. De ontkenning van waar is onwaar, en het niet van en NAND is. Het symbool voor niet (in digitale logica) is de tilde, "~". De waarheidstabel van NAND is vergelijkbaar, maar tegenover de waarheidstabel en. Zie hieronder.
| A | B | ~(A • B) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
De uitvoerkolom is het tegenovergestelde van de output en waarheidstabel, nietwaar? Andere waarheid tabellen (en poorten alsook) zijn OR, noch, XOR, XNOR, en niet. Ik verwijs u naar Deze pagina voor een uitgebreide lijst van waarheid tabellen die worden gebruikt in digitale logica en de bijbehorende schematische symbolen.
Nu enkele toepassing
Dus hoe MOSFETs kom op om te spelen met logic-poorten? Nou, omdat MOSFETs zo makkelijk zijn te verzadigen (draai volledig op) met een lage spanning en bijna te verwaarlozen stroom, we kunnen bouwen van de logica poorten boven met hen en bouwen op zijn beurt uiterst betrouwbare digitale logica systemen om gegevens te verwerken. Laten we kijken hoe een niet-gate aan de binnenkant eruit ziet en kijken als we enig gevoel van dit kunnen maken. Ik ben begonnen met het niet omdat het neemt het minste aantal MOSFETs te bouwen en daarom minder verwarrend moet. Zie het schema hieronder.
De poort niet wordt gebruikt, zoals de naam al impliceert, om te ontkennen of omkeren van het ingangssignaal. PB1 verbindt de twee MOSFET poorten naar + 6V, maar alleen de ZVN zal openen met positieve spanning. Bij het openen van al, het verbindt de uitvoer met GND, zodat de + input wordt GND aan de uitgang. Omgekeerd, wanneer wij GND op de input via PB2 toepassen, alleen de ZVP geopend, die verbindt de output naar + 6V, opnieuw het omkeren van het signaal. (Wanneer geen van beide knop is ingedrukt, de output kan 'zweven' en worden ofwel + V of GND, dus het is gebruikelijk om de kracht van de ingang naar één staat te garanderen dat je weet wat de output is op dat moment in de tijd. Een eenvoudige manier om dit te doen is een van de knoppen vervangen door een weerstand van 1kΩ, de inbreng op dat potentieel forceren wanneer de resterende knop niet is ingedrukt. U krijgt om te kiezen welke staat uw inactief is op deze manier.) Ik moedig u aan dit te bouwen, maar ik zal niet in detail de instructies.
Nu laten we eens kijken wat een NAND poort ziet eruit als binnen. Deze keer gebruiken we 4 MOSFETs. Zie het schema hieronder.
De LED zal pas uitschakelen (logic 0) wanneer zowel SWA en SWB hoog (logic 1). (Let op hoe de LED symbool in het schema is bijna zwart, die aangeeft uit? Vergeet niet dat.) Vergelijk dit resultaat bij de waarheidstabel NAND. Nogmaals ik moedig u aan dit te bouwen, maar ik zal niet worden inclusief bouwen stappen.
Wat krijgen we wanneer we de twee combineren? Als de NAND een niet is en en wij combineren met een tweede niet, wat we? Is dat niet gewoon een dubbel negatief? Dus de NOTs annuleren, logisch, en we zijn vertrokken met een AND-poort. In Booleaanse algebra, de vergelijking ziet eruit als ~ (~(A●B))⇔(A●B). Vrij keurig. Hieronder vindt u de waarheidstabel voor dat in het geval dat het gemakkelijker maakt te begrijpen. Ook is hieronder het schema, waarnaar ik heb toegevoegd sommige labels voor verduidelijking.
| A | B | (A • B) | ~(A • B) | ~(~(A • B)) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
Als u de schema's voor de en, niet vergelijken en NAND-poorten, u zien zult dat ook al aan de buitenkant de NAND de negatie van en aan de binnenkant is de poort en eigenlijk is gemaakt van een NAND poort gevolgd door een niet-gate. Zoals ik al zei hierboven, de poort en is dus eigenlijk een niet-NAND. Maak je geen zorgen, het kostte me een tijdje om te vangen op die ene ook. U ziet ook hoe de LED in het schema is helder rood, waaruit blijkt dat het brandt als de schakelaars zijn op. Vergelijk dat met de NAND poort Schematische afbeelding hierboven.
Hieronder zijn de schema's voor de OR en XOR poorten. Merk op dat beide eigenlijk een combinatie van hun respectieve inverse zijn (NOR en XNOR-) met een niet-gate.
In werkelijkheid kan worden aangetoond dat elke logische poort, en daarom logica circuit, met een eindig aantal NAND-poorten kunnen worden gebouwd. Ook, FPGA chips en de boards ontworpen om hen heen kunnen u code schrijven (met behulp van VHDL of Verilog) die de poorten zal verbinden zoals nodig om te voltooien van het circuit en zijn van een zeer eenvoudige manier om te beginnen met bouwen en implementeren van digitale logica-schakelingen. Gezien het feit hoe moeilijk het kan zijn om de draad van slechts één logische poort, kunt u zich voorstellen willen kabellengte tot een gehele logica circuit met behulp van discrete MOSFETs? Het is alleen mogelijk in de afgelopen jaren voor studenten en hobbyisten als kundig voor lichaamsbouw circuits zoals adders, die eenvoudig zijn in theorie maar complex om te bouwen, vanwege de advancement van technologie en de miniaturisering van de onderdelen die betrokken zijn geweest. Anyways, ik dwaal af. Ik ben net zo dankbaar voor de technologie dat is bij onze vingertoppen, wanneer niet zo lang geleden het was slechts een wens.
Dus nu dat het even duidelijk is als modder, laten we overgaan. Nu dat we poorten hebben, wat kunnen we doen met hen?
