Почему Digital 0 не 0V в компьютерных системах?

Я учусь на курсе по разработке компьютерных систем, и мой профессор сказал нам, что в цифровых системах обычные напряжения, используемые для обозначения цифрового 0 и цифрового 1, менялись с годами.

По-видимому, еще в 80-х годах 5 В использовалось в качестве «высокого», а 1 В использовалось для обозначения «низкого». В настоящее время «максимум» составляет 0,75 В, а «минимум» составляет около 0,23 В. Он добавил, что в ближайшем будущем мы можем перейти к системе, где 0,4 В означает максимум, а 0,05 В - минимум.

Он утверждал, что эти значения становятся меньше, чтобы мы могли снизить энергопотребление. Если это так, то почему мы вообще стараемся установить «низкий уровень» на любое положительное напряжение? Почему бы нам просто не установить истинное напряжение 0 В (я думаю, нейтральное от линий электропередач)?

Вы путаете «идеальное» значение с допустимым диапазоном ввода.

В обычной логике, в идеальных условиях логический ноль будет точно 0В. Однако в реальном мире нет ничего идеального, и электронный выход имеет определенный допуск. Реальное выходное напряжение зависит от качества проводов, шума электромагнитных помех, тока, который он должен подавать и т. Д. Для устранения этих недостатков логические входы обрабатывают весь диапазон напряжения как 0 (или 1). Смотрите картинку в ответе Энди.

То, что ваш лектор, вероятно, подразумевал под 0,75 В, является одной из точек, составляющих логический 0 диапазон.

Обратите внимание, что также есть пустой диапазон между 0 и 1. Если входное напряжение падает здесь, входная цепь не может гарантировать правильную работу, поэтому эта область называется запрещенной.

Вы запутались. Посмотрите на TTL, например:

Низкий уровень входного сигнала находится между 0 вольт и небольшим значением выше 0 вольт (0,8 вольт для случая TTL).

почему мы прилагаем все усилия, чтобы установить «низкое» на любое положительное напряжение вообще?

Мы прилагаем все усилия, чтобы убедиться, что оно ниже определенного небольшого значения.

Картинка отсюда .

Невозможно произвести истинную нулевую вольт-логическую сигнализацию. Должен быть допущен некоторый допуск, так как схема не бесконечно совершенна. Тратить деньги, пытаясь сделать его бесконечно совершенным, тоже не будет хорошим вложением средств на дизайн. Цифровая схема развилась и развивается так быстро, потому что она использует огромное количество копий очень простых и устойчивых схем, которые являются логическими элементами.

Двоичные состояния 1 и 0 представлены в цифровых логических схемах логическим высоким и низким логическим напряжением соответственно. Напряжения, представляющие высокий логический и низкий логический значения, попадают в заранее определенные и предварительно согласованные диапазоны для используемого семейства логических устройств.

The ability to work with voltages within these ranges is one of the primary advantages of digital logic circuitry - it's not a failing. Logic gate inputs can easily distinguish between logic high and logic low voltages. Logic gate outputs will produce valid logic high and low voltages. Small signal noise is removed as logic signals pass through gates. Each output is restoring the input signal to a good logic voltage.

With analogue circuits, it is between more difficult and practically impossible to distinguish noise from the signal of interest and to reject the noise entirely.

Additionally to the points that is made by the other answers, there is the issue of parasitic capacities at high switching speeds (the usually ignored capacitance of wires and other components). Wires usually also have a slight resistance. (A very simplified model!)

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

Being an RC network, this results in an exponential falloff curve ( V ~ e^-kt ). If the receiver sets it threshold very low (near 0V) then it would have to wait a significant time for the output voltage drop enough to trigger the threshold. This time might seem insignificant, but for a device supposed to switch a million (billion even) times a second, this is a problem. A solution is to increase the "OFF" voltage, to avoid the long tail of the exponential function.

Because nothing is perfect and you need to provide for this with a margin of error. Those numbers are thresholds. If the lowest possible voltage in your system is 0V and your threshold is 0V, where does that leave you if ALL your components and wiring aren't perfect conductors (i.e. always have some voltage drop) and noiseless in a noiseless environment? It leaves you with a system that can never output 0V reliably, if it can even do it at all.

In a 2 rail system (usually chips powered with just a single positive voltage plus ground), whatever switch or device is pulling the output capacitance down to a low signal level has finite resistance, and thus can’t switch a signal wire to zero Volts in finite time. (Ignoring superconductors). So some realistic lesser voltage swing is chosen which meets performance requirements (switching speed vs. power requirements and noise generation, etc.)

This is in addition to margins needed to cover ground noise (different ground or “zero” voltage levels between the source and destination circuits), other noise sources, tolerances, and etc.

Contrary to some responses here I'm pretty sure that there has been such a thing as a pure 0V low in the past. Relay logic! I don't think we want to go back to that though!