Bramki logiczne

Wykonał:

Adam Kmiotek

Edukacja techniczno-informatyczna I

Bramka logiczna - element konstrukcyjny maszyn i mechanizmów (dziś zazwyczaj: układ scalony)), realizujący fizycznie pewną prostą funkcję logiczną, której argumenty (zmienne logiczne) oraz sama funkcja mogą przybierać jedną z dwóch wartości, np. 0 lub 1.

Parametry bramek logicznych:
a) Średni czas propagacji,
b) Obciążalność,
c) Związek pomiędzy poborem mocy przez bramkę a częstotliwością przełączania.
d) Średni pobór mocy,
e) Poziomy logiczne
f) Obciążalność,
g) Zakres częstotliwości pracy

Rodzaje bramek - opis i symbole, realizacja funkcji(wejścia, wyjścia).

Bramka realizuje funkcje logiczną: NOT, NIE - negacja.

Bramka ma tylko jedno wejście. Neguje, czyli zmienia sygnał wejściowy na przeciwny.

Jest to najprostsza bramka. Gdy na wejściu ustawimy sygnał "1" to na wyjściu otrzymamy "0", a gdy na wejściu ustawimy "0" to na wyjściu pojawi się "1". Bramka ta zawsze ma tylko jedno wejście i wyjście.

Tablica prawdy:

Wejście: Wyjście:

• 1

• 0

Bramka realizuje funkcje logiczną: AND, I - iloczyn

Jeśli na wszystkich wejściach bramki są podane "1" to na wyjściu jest "1". W spoczynku na wyjściu jest "0". Bramka ta posiada co najmniej dwa do ośmiu wejścia i tylko jedno wyjście.

Tablica prawdy:

Wejście1: Wejście2: Wyjście:

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Bramka realizuje funkcje logiczną: OR, LUB - suma

Jeśli na przynajmniej jednym wejściu bramki jest podana "1" to na wyjściu jest "1". W spoczynku na wyjściu jest "0". W przypadku tej bramki wystarczy aby choć na jednym z jej wejść pojawił się stan "1" i wtedy na wyjściu również pojawi się "1".

Tablica prawdy:

Wejście1: Wejście2: Wyjście:

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Bramka realizuje funkcje logiczną: NOR, NIE SUMA - negacja sumy

Bramka jest złożona z bramki NOT i OR. Zasada działania jest taka sama jak bramki OR z tą

różnicą, że sygnał wyjściowy jest jeszcze negowany. Bramka ta stanowi system funkcjonalnie pełny, czyli za jej pomocą można przedstawić każdą złożoną funkcję logiczną.

Tablica prawdy:

Wejście1: Wejście2: Wyjście:

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

Bramka realizuje funkcje logiczną: NAND, NIE I - negacja iloczynu

Bramka jest złożona z bramki NOT i AND. Zasada działania jest taka sama jak bramki AND z tą różnicą, że sygnał wyjściowy jest jeszcze negowany. Bramka ta stanowi system funkcjonalnie pełny, czyli za jej pomocą można przedstawić każdą złożoną funkcję

logiczną. Jest to połączenie bramki AND z inwerterem. Zero logiczne "0" na wyjściu jest ustawiane tylko wtedy gdy na obu wejściach jest jedynka logiczna "1". W pozostałych przypadkach na wyjściu zawsze jest stan "1".

Tablica prawdy:

Wejście1: Wejście2: Wyjście:

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Bramka XOR (Exclusive OR)

Alternatywa wykluczająca (alternatywa rozłączna) to logiczny funktor zdaniotwórczy (dwuargumentowa funkcja boolowska).

BUDOWA BRAMEK LOGICZNYCH

Bramka AND

Bramka OR

Przerzutnik typu D (ang. Flip-flop) - jeden z podstawowych rodzajów przerzutników synchronicznych, nazywany układem opóźniającym. Jest on modyfikacją przerzutnika typu JK. Modyfikacja ta polega na połączeniu wejścia J z zanegowanym wejściem K. Zmiana danych następuje tylko w momencie zmiany zbocza zegara (zbocze narastające lub opadające - zależy od typu przerzutnika D). Na wyjście Q w momencie zmiany zbocza następuje przepisanie wartości z wejścia D.

Bloki funkcjonalne:

- bloki komutacyjne,

- bloki arytmetyczne,

- rejestry i pamięci,

- liczniki.

Bramki logiczne są realizowane w układach scalonych.

Układ scalony jest półprzewodnikowym kryształem krzemu, inaczej zwanym modułem (ang. chip), zawierającym elektroniczne części, takie jak: tranzystory, diody, rezystory i kondensatory. Elementy te są połączone wewnątrz modułu, realizując żądany układ elektroniczny. Moduł jest zamontowany w ceramicznej lub plastykowej obudowie z przymocowanymi zewnętrznymi końcówkami. Złożoność układów scalonych określa tzw. skala integracji. Przyjęto, że układem scalonym o małej skali integracji SSI jest układ zawierający do 10 bramek. Układ scalony o średniej skali integracji MSI zawiera od 10 do 100 bramek. Układ scalony o dużej skali integracji LSI zawiera od 100 do kilku tysięcy bramek. Układy scalone zawierające więcej niż kilka tysięcy bramek są układami o bardzo dużej skali integracji VLSI. Superduży stopień scalenia, wielki stopień scalenia, olbrzymi stopień scalenia, SLSI, ULSI oznacza największy stopień scalenia układu elektronicznego w obiegowej klasyfikacji. Układy  ULSI zawierają w jednej strukturze krzemowej miliony tranzystorów. Tyle elementów zawierają np. architektury procesorów 32 i 64 bitowych. 

Układy TTL, wprowadzone na początku lat sześćdziesiątych, wciąż jeszcze są najbardziej rozpowszechnioną rodziną układów logicznych bipolarnych małego i średniego stopnia scalenia. Na początku bramki TTL były wytwarzane w trzech wersjach.

Układy logiczne MOS są to, najogólniej biorąc, układy zbudowane z tranzystorów polowych MOS. W tej klasie układów logicznych, ze względu na technologię wytwarzania, rozróżnia się trzy główne grupy układów: PMOS, NMOS, CMOS. Główną zaletą NMOS w porównaniu z PMOS jest większa szybkość działania, między innymi z uwagi na większą ruchliwość elektronów niż dziur. Układy scalone unipolarne, podobnie jak układy bipolarne, są wytwarzane w krzemie technologią polarną. Najbardziej charakterystyczną cechą układów MOS jest to, że tranzystory spełniają w tych układach wszystkie funkcje elementów czynnych i biernych, są więc jedynymi elementami układów. Ponadto, w odróżnieniu od elementów w układach bipolarnych, tranzystor MOS nie wymaga specjalnej izolacji, gdyż w sposób naturalny, wynikający z istoty jego działania, jest odizolowany od innych tranzystorów wytworzonych na wspólnym podłożu.

Układy MOS w porównaniu z układami bipolarnymi mają szereg zalet:

- prosta technologia wytworzenia (mniejsza liczba operacji technologicznych)
- większa gęstość upakowania, gdyż tranzystor MOS zajmuje powierzchnię mniejszą niż tranzystor bipolarny oraz istnieje samoizolacja tranzystorów, czyli zbędne są wyspy izolacyjne, które zajmują dużo miejsca w układach bipolarnych.

Układy kombinacyjne

Układem kombinacyjnym - nazywamy układ, w którym każda kombinacja sygnałów wejściowych jednoznacznie określa kombinację sygnałów wyjściowych. Kombinacja sygnałów wejściowych nazywana jest stanem wejść, natomiast kombinacja sygnałów wyjściowych - stanem wyjść.

Bramy, multipleksery i demultipleksery

Bramy - układy przepuszczające lub zatrzymujące informację. Znajdują zastosowanie przy sterowaniu przesyłaniem informacji. Do tych samych celów mogą zostać zastosowane multipleksery i demultipleksery.

Multiplekserem nazywamy układ kombinacyjny wybierający informację dwójkową na jednej z linii wejściowych i kierujący ją na jedną linię wyjściową. Wybór linii wejściowej jest określany przez linie sterujące.

Demultiplekser kieruje informację z wejścia X na jedno z wyjść Yi, w zależności od kombinacji bitów na wejściu adresowym.

Układ kombinacyjny dodający dwie cyfry dwójkowe jest nazywany półsumatorem. Wynik dodawania dwóch liczb jednobitowych w ogólnym przypadku jest liczbą dwubitową (np. 1 B+1 B = 10 B). Zmiennymi wejściowymi półsumatora są bity składników (A, B). Zmiennymi wyjściowymi są bity sumy S i przeniesienia C (bardziej znaczący bit wyniku).

Wejścia		Wyjścia
A	B	C	S
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

 Tablica prawdy dla półsumatora. 

Układ kombinacyjny dodający trzy cyfry dwójkowe jest nazywany sumatorem pełnym. Ma trzy wejścia. Dwie ze zmiennych wejściowych (A, B) reprezentują bity składników sumy. Trzecie wejście (C1) reprezentuje przeniesienie z poprzedniej, mniej znaczącej pozycji. Zmiennymi wyjściowymi są bity sumy S i przeniesienia C.

Wejścia			Wyjścia
A	B	C1	C	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

 Tablica prawdy dla sumatora.

Dekodery

      Dekoderem (konwerterem kodu) nazywamy układ kombinacyjny realizujący funkcję logiczną zmieniającą informację dwójkową z jednej postaci na drugą (z jednego kodu na inny).

Układy sekwencyjne

Układ sekwencyjny - jest jednym z rodzajów układów cyfrowych. Charakteryzuje się tym, że stan wyjść y zależy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu, zwanego stanem wewnętrznym, pamiętanego w zespole rejestrów (pamięci).

Jeżeli stan wewnętrzny nie ulega zmianie pod wpływem podania różnych sygnałów X, to taki stan nazywa się stabilnym.

Rozróżnia się dwa rodzaje układów sekwencyjnych:

-asynchroniczne,

-synchroniczne.

---