Почему ворота NAND используются для создания И ворот в компьютерах?


41

Почему это стандарт для ворот AND

введите описание изображения здесь

когда это может быть сделано с двумя полевыми транзисторами и резистором вместо этого?

введите описание изображения здесь


21
NAND (и NOR) функционально завершены , то есть любая логическая функция может быть реализована с использованием только NAND (или NOR). Что делает его очень удобным единым строительным блоком для всего. Не уверен, что это единственная (и главная) причина, хотя.
Евгений Ш.

1
VOЧАС

26
В контексте конструкции ИС резисторы физически больше, чем транзисторы. А рассеяние резисторов при проектировании ИС высокой плотности делает резисторы очень нежелательными в качестве компонентов логических элементов.
Mkeith


4
Здесь, кажется, два вопроса. «Почему мы не используем понижающие резисторы вместо двух дополнительных транзисторов, например, в затворе nand?» И «Почему мы используем дополнительные два транзистора для инвертирования, вместо создания неинвертирующего затвора в первом место? »
ctrl-alt-delor

Ответы:


67

Чтобы получить неинвертирующую операцию для логики (т. Е. AND или OR против NAND или NOR), вам необходимо задействовать транзисторы в режиме с общим стоком, также известном как режим «исток-повторитель».

Среди проблем с этим режимом для логики:

  • Нет усиления по напряжению. После более чем нескольких этапов сигнал снижается до нуля.
  • Существует значительное смещение (называемое пороговым напряжением) между входами и выходами. Выход высокого уровня будет ниже, чем соответствующий вход высокого уровня.

Вместе эти проблемы означают, что вы не можете подключить выход этого шлюза к входам другой копии самого себя. Это делает его довольно бесполезным для построения более сложных схем.

Вот почему все успешные логические семейства 1 построены с использованием транзисторов в режиме с общим источником (или с общим эмиттером), который имеет значительное усиление напряжения и не имеет кумулятивных смещений между входами и выходами - но выход инвертирован по отношению к входу. Следовательно, основные функции включают инверсию: NAND или NOR.

В качестве бонуса, шлюзы NAND и NOR «функционально завершены», что означает, что вы можете построить любую логическую функцию (включая элементы хранения, такие как защелки и триггеры) из всех вентилей NAND или всех вентилей NOR.


1 Чтобы быть точным, логические семейства, которые используют напряжения в качестве логических состояний. Это включает RTL, DTL, TTL, PMOS, NMOS и CMOS. Семейства логики текущего режима, такие как ECL , действительно используют комбинацию следящих излучателей и транзисторов с общей базой для достижения тех же целей, избегая насыщения (для скорости).


2
Интересным побочным вопросом было бы то, почему мы не используем это для всех остальных ворот.
Иисус Навин

2
@ Джошуа: Я не уверен, что означает «это», но если это логика в текущем режиме, это во многом связано с относительно большим постоянным энергопотреблением на затвор.
Дэйв Твид

@DaveTweed Я полагаю, что Джошуа имел в виду следующее: делая то, что предлагает ОП, имея 2 NMOS в качестве повторителя напряжения (без усиления по напряжению), и на следующем этапе любой реализуемой логики вы используете усиление высокого напряжения. Таким образом, вы переключаетесь между «повторитель напряжения» / «какой-то инвертор где-то». - Вопрос Джошуа заключается в том , почему этот дизайн (чередующийся последователь / инвертор) специально не используется. - Возможно, ваш комментарий направлен против этого, у меня возникают трудности с пониманием / обоснованием вашего ответа.
Гарри Свенссон

@HarrySvensson: Вы можете быть правы. Я также не был уверен, что Джошуа имел в виду под «любыми другими вратами», но я решил сделать удар в темноте. Так как он никогда не возвращался, чтобы уточнить, мы никогда не узнаем наверняка.
Дэйв Твид

2
@HarrySvensson Вы сделали, и DaveTweed уже сказал, что с ним не так.
Джошуа

24

То, что вы описываете, это логика PMOS . Он имеет некоторые существенные недостатки по сравнению с CMOS:

  • Если значение резистора низкое, затвор будет потреблять значительное количество статической энергии, когда затвор активен. Ворота CMOS практически не потребляют энергии, когда они не переключаются активно.

  • Если значение резистора высокое, затвор медленно отключается, потому что емкость любых затворов, управляемых выходом, должна разряжаться через резистор. Кроме того, высококачественный резистор, вероятно, будет занимать больше площади, чем набор дополнительных транзисторов.

  • По причинам, связанным с процессом, PMOS менее эффективен, чем обратная логика NMOS .


4
Нет, OP показывает N-канальные транзисторы. Сбой по совершенно другой причине.
Дэйв Твид

3
@DaveTweed Я работал, исходя из предположения, что часть была редакционной ошибкой. Если вы хотите объяснить, что они ошиблись в отдельном ответе, это тоже может быть полезно.
августа

5
Это все еще должно было быть очевидным - если бы это были транзисторы с каналом P-типа, он реализовал бы функцию NOR, а не AND.
Дэйв Твид

4
Количество откликов этого ответа меня сильно смущает.
Гарри Свенссон

3
@HarrySvensson Синдром горячей сети-вопрос, возможно. Поток пользователей по всему сайту с 101 представителем, которые мало знают предметную область и могут только повышать , а не понижать. На маленьком сайте, как этот, искажается статистика.
труба

22

Причина, о которой я не думаю, что кто-то упомянул: технологические ограничения:

  1. Резисторы на чипе есть массивными по сравнению с транзисторами. Чтобы получить приличное значение, мы говорим на порядки больше, чем самые маленькие транзисторы. Другими словами, наряду со всеми другими преимуществами, которые вы получаете с надлежащей CMOS (статический ток, уровни привода, размах выходного сигнала), она также намного дешевле.

  2. Паттерны: транзисторы в логике могут быть такими маленькими, потому что они имеют паттерны, повторяющиеся. Это также позволяет им получать более высокую урожайность и более стабильную производительность. Добавление резисторов разрушило бы это.

  3. Емкость. Ограничением скорости в логической системе является емкость следующей ступени. Большая емкость означает меньшую (меньшую производительность) или большую необходимую мощность привода (большие транзисторы, большая площадь, больший статический ток, большее энергопотребление, большая емкость, представленная на предыдущем этапе). Большой резистор, вероятно, даст вам большую емкость для зарядки, поскольку он занимает физически большую площадь. Это может повредить производительность.

Иногда это делается на более специализированных технологиях, где у вас могут не быть хороших логических транзисторов (для аналоговых / радиочастотных приложений).


8

Транзисторная резисторная логика - это область знаний. Свойства логических вентилей, которые опираются на резисторы, очень отличаются от свойств тех, которые используют транзисторы. Например, резисторы понижающего напряжения, которые находятся в высоком состоянии, постоянно рассеивают мощность. Это может быть проблемой для батарей с питанием или высокой плотности. То же самое относится и к другому (для опущенных удержаний).

Другая область, где есть большая разница, - это скорость и сила привода. Двухтактная выходная структура, используемая в CMOS, может быстро переключаться, не рассеивая мощность в статическом режиме.

Обратите внимание, что нарисованная вами схема не будет работать вообще. Вы не можете поместить NMOS в верхнюю ветвь, если входное напряжение не превышает VCC. Если на выходе присутствует большая нагрузка, ваша схема не сможет работать вблизи VCC. Он может даже не быть достаточно высоким, чтобы быть признанным "высоким" некоторыми логическими элементами.

Это не просто придурок. Как выясняется, очень сложно создать нечто, что переключает между железными дорогами за один этап, если только оно не инвертирует природу (как это делают NAND и NOR). И это реальная причина, по которой вентили AND используют NAND, а затем NOT (инвертор). Никто в мире не знает, как сделать КМОП-И общего назначения с затвором менее 6 транзисторов. То же относится и к ИЛИ.


В 5-вольтных устройствах NMOS не редкость переключать сигналы на стороне высокого уровня с помощью транзисторов NMOS без источника смещения затвора выше VDD. Порог переключения ниже 2,4 вольт, поэтому можно позволить себе слабое подтягивание, которое поднимает узел до 4 вольт, а затем использовать его для управления затвором проходного транзистора. Регистры динамического сдвига, содержащиеся в чипе TIA Atari 2600, реализованы таким образом.
Суперкат

Спасибо, @supercat. Я этого не знал. Очевидно, что есть много ограничений. И это не меняет того факта, что схема ОП не является жизнеспособным универсальным И ИЛИ воротами. Это может работать для нагрузок, которые не нуждаются в вводе около VCC, хотя.
18:42

6

Основная причина в логике TTL, и я предположил бы, что в большинстве логических семейств, это то, что элемент усиления инвертируется. Для получения неинвертирующего выхода с хорошими характеристиками привода требуется дополнительный инвертор.

Этот инвертор плохая вещь.

  • Использует энергию
  • Замедляет логическую функцию
  • Обычно вы не заботитесь об инверсии, а иногда вам это нужно.

Поскольку мы обычно боремся со скоростью с дискретными воротами (или мы были, когда они были единственным выбором), день перевернул ворота. Были доступны неинвертирующие ворота (сравните 7400 с 7408).

Основным примером этого является и-или-инвертировать ворота . Для типичных чисел TTL задержка распространения такая же, как NAND и NOR, но она включает в себя два уровня логики.


6

Преимущества использования дизайна CMOS много:

  1. В описанной вами логике NMOS, если выходной сигнал высокий (оба входа высокий), существует прямой (резистивный) путь для протекания тока. Таким образом, в этом случае затвор будет потреблять большое количество энергии (V ^ 2 / R) даже в стационарном состоянии. Однако в CMOS ток может течь только тогда, когда все 4 транзистора включены (т. Е. Когда затвор переключается).
  2. Обычно сопротивления очень трудно достичь на кремнии и занимают много места на кристалле. Также точные значения сопротивления практически не достижимы.
  3. В логике NMOS выходное напряжение не может достигать своего максимального значения (+ 5 В), потому что после достижения некоторого минимального значения транзисторы начнут отключаться (следовательно, отключать зарядную ветвь). Это напрямую приводит к снижению уровня шума.
  4. КМОП-логику можно очень легко использовать для создания любой схемы с очень небольшим количеством транзисторов, потребляющей мало энергии, и для работы на высоких скоростях. Таким образом, создание части схемы как NMOS (с резистивной нагрузкой) очень громоздко и неэффективно.

Таким образом, вентиль NAND, за которым следует инвертор, используется для разработки вентиля AND.


Точка №1 прекрасно показывает, почему NMOS требует больше энергии, чем CMOS.
Камиль Гудесюн

4

Построение AND из NAND позволяет использовать минимальные размеры затвора для логики и размера двух (и только двух) транзисторов в инверторе для управления линией. Это максимизирует скорость и сводит к минимуму потери мощности за счет лишь немного большей площади, используемой для дополнительных транзисторов (учитывая размер резистора, необходимого для возбуждения линии в предполагаемом приложении).

Кроме того, чтобы поделиться некоторой мудростью, которой я научился в колледже (давным-давно в галактике далеко-далеко ...): однажды нам понравилась презентация о логике массива гейтов. В конце студент спросил, почему инженеру следует беспокоиться о том, чтобы минимизировать количество вентилей NAND, используемых, когда все эти вентили NAND были на чипе. Ответ докладчика застрял у меня на 30 лет: потому что, если мы не сделаем, наши конкуренты будут.

Если ваш конкурент может создать более быструю и более энергоэффективную схему без заметной разницы в стоимости, то использование резистора является коммерческой ошибкой, а не просто технической ошибкой.


2

Логический сигнал, который проходит через неусиливающий затвор, в конечном итоге будет значительно слабее, чем это было с самого начала. Хотя в чип можно включить неинвертирующий логический элемент И, но затворы, питаемые слабым выходом, вероятно, будут переключаться гораздо медленнее, чем затворы, питаемые затвором, подаваемым сильным выходом, что время, необходимое для прохождения сигнала через инвертор NAND и еще один вентиль, вероятно, будет меньше, чем если бы NAND и инвертор были заменены на слабый выход AND.

Обратите внимание, что даже если у вас есть как транзисторы NMOS, так и PMOS, и вы хотите построить логический элемент И со слабым выходом, следует создать вентиль аналогично вентилю NOR КМОП, но поменять местами транзисторы NMOS и PMOS, чтобы избежать рассеивание статической мощности. Резисторы очень дороги, поэтому следует избегать их использования, если это не является абсолютно необходимым.

Однако в других ответах не упоминалось о том, что инвертирующий вентиль может содержать смесь последовательных и параллельных выходов. Например, можно иметь практические сложные ворота, которые вычисляют «не ((X и Y) или (X и Z) или (Y и Z))», используя только один уровень инверсии. Хотя нецелесообразно иметь «И», которое подает свой выход на несколько мест в цепи, можно включить вентиль «И» на одном или нескольких входах вентиля «NOR» или вентиль «ИЛИ» на одном или больше входов "NAND" ворот.

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.