Le 7 porte logiche elementari
Ad un certo livello di astrazione, le porte logiche possono essere considerate l’unità elementare di qualsiasi dispositivo elettronico. Proprio come i pezzi di un Lego, possono essere combinate per costruire blocchi e creare nuove funzionalità. Anche se non è possibile interpretare gli integrati moderni in termini di porte, è utile possedere almeno una conoscenza di base del principio di funzionamento delle sette porte logiche elementari.
Argomenti chiave:
- Applicazione delle sette porte logiche elementari;
- Evoluzione tecnologica delle famiglie logiche;
- Logica combinatoria e logica sequenziale.
Applicazione delle 7 porte logiche elementari
Ad eccezione della porta NOT, che inverte il valore logico del suo unico ingresso, le porte logiche elementari elaborano due ingressi. La seguente tabella di verità applica le sette porte logiche elementari a quattro diverse combinazioni di input.
Evoluzione tecnologica delle famiglie logiche
- Logica Resistore-Transistore (RTL). Utilizza resistenze e transitori bipolari. Storicamente impiegava componenti discreti, ma la RTL è stata anche la prima famiglia logica ad essere implementata come circuito integrato. Dal momento che questa logica minimizza il numero di transitori necessari, ha avuto grande successo all’epoca in cui questi erano costosi e difficili da produrre. Oggi è invece una tecnologia obsoleta, soprattutto a causa dell’alto consumo dei transistori in configurazione sempre attiva o interdetta. Inoltre, è limitata a tre ingressi.
- Logica Diodo-Transistore (DTL). Subentra alla logica RTL, sostituendo le resistenze con dei diodi. Rispetto alla RTL, consente di gestire un numero più alto di ingressi. Confrontata con le famiglie più moderne, la logica DTL potrebbe non risultare veloce, ma è possibile apportarne miglioramenti impiegando diodi Shottky che velocizzano la saturazione durante la polarizzazione diretta.
- Logica Transistore-Transistore. La logica TTL rappresenta un momento di svolta nella progettazione elettronica, ed è imprescindibile anche per i dispositivi più recenti. Grazie alla sua scalabilità, regge il confronto con le tecnologie moderne. Tuttavia, la sua asimmetria nell’impedenza di uscita la rende inadatta a pilotare linee di trasmissione, anche se è possibile ovviare a questo difetto con dei driver. Inoltre, i transistori superiori e inferiori potrebbero entrare contemporaneamente in conduzione, richiedendo alti picchi di corrente al generatore, e peggiorando le prestazioni. È comunque possibile migliorare la situazione impiegando condensatori di disaccoppiamento.
- PMOS. I PMOS, e i MOSFET in generale, sono in grado di offrire prestazioni paragonabili ai transitori bipolari, ma in package relativamente più piccoli. Grazie alla rapidità di commutazione, il loro consumo energetico è ridotto. Tuttavia, l’alimentazione di un PMOS è complicata, in quanto richiede una tensione sia positiva che negativa. Inoltre, i PMOS hanno velocità di commutazione peggiori rispetto agli NMOS, soprattutto nella transizione alto-basso.
- NMOS. Inizialmente considerati i MOSFET più veloci, gli NMOS hanno il vincolo che l’assorbimento di potenza è statico, con conseguente minore efficienza.
- CMOS: Combina NMOS e PMOS per ovviare ai singoli difetti di ciascuno. Adatta alle alte prestazioni, questa logica ha un consumo di gran lunga inferiore rispetto alle altre famiglie. Ad oggi, domina il panorama del disegno elettronico. L’alta efficienza riduce al minimo il calore dissipato, rendendo questa tecnologia adatta anche a chip e schede ad alta densità.
Logica combinatoria e logica sequenziale
La logica combinatoria rappresenta una valutazione della logica del circuito in un punto e in un determinato istante, indipendentemente da ciò che il circuito ha subito in precedenza.
La logica combinatoria trova applicazione in diversi circuiti, tra cui:
- Sommatori: per implementare somme parziali e complete.
- Sottrattori: come per i sommatori di cui sopra.
- Multiplexers: per trasmettere selettivamente un qualsiasi input sulla base di un segnale di selezione.
- Demultiplexers: per implementare l’operazione inversa al multiplexing, e generare più uscite da singolo ingresso sulla base di più segnali di selezione.
In generale, qualsiasi dispositivo associato all’unità logica aritmetica (ALU) appartiene al dominio della logica combinatoria.
La logica sequenziale invece, è più complessa. Tuttavia, sblocca funzionalità aggiuntive, come le funzioni di memoria. In un particolare ciclo di clock, la valutazione della logica di un circuito sequenziale non può essere determinata senza conoscere la storia degli stati precedenti. I circuiti sequenziali sono infatti macchine a stati finiti, poiché sono vincolati ad assumere una serie di stati sulla base delle condizioni precedenti.
Rispetto al segnale di clock, i circuiti sequenziali possono essere sincroni oppure asincroni. Per esempio, i flip-flop, i più semplici dispositivi di memoria, possono funzionare sia in modo sincrono che asincrono. C’è comunque difficoltà ad interpretare i dispositivi di memoria asincroni, poiché il loro stato dipende dagli input; e senza un segnale di clock che blocca questi ingressi prima del loro campionamento, lo stato di uscita potrebbe essere influenzato dal tempo di arrivo dei segnali di ingresso. E nei casi più gravi, ciò può portare a situazioni di corsa, in cui l’uscita logica della porta è in uno stato errato rispetto a quanto previsto.
Come detto, le porte logiche rappresentano un concetto fondamentale nella progettazione elettronica e, sebbene sia del tutto improbabile che un progettista debba valutare o addirittura costruire le porte proprie, comprenderne il funzionamento aiuta a prevenire l’instabilità del circuito.
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