Rökrás

Rökrás framkvæmir rökaðgerðir á einum eða fleiri inngöngum og skila merki á einn útgang. Þessar rökaðgerðir eru booleískar aðgerðir og eru nýttar í stafrænum rásum. Rökrásir eru aðallega útfærðar rafrænt með díóðum eða smárum, einnig er hægt að útfæra þær með rafliðum, vökvakerfum, ljóskerfum og vélrænum hlutum.

Merkið.

Rökrásirnar eru mest útfærðar með rafmerki sem er hátt eða lágt og standur fyrir 0 og 1 í booleísku algebrunni þessar stöður geta verið kallaðar á/af, hátt/lágt, einn/núll, satt/ósatt og fl.

Rásin.

Rökrás hefur einn eða fleiri inngang og skilar merki á einn útgang. Vegna þess að útgangurinn er alltaf aðeins 0 eða 1 er hægt að tengja hann á inngang á einni eða fleiri öðrum rökrásum, einnig er hægt að tengja tvo eða fleiri útganga saman en þá verður að passa að það verði ekki skammhlaup.

Bakgrunnurinn.

Einfaldasta gerð rafrænnar rökrásar er díóða. Hún er eingöngu AND eða OR hlið og er því ekki fullgerð rökrás. Til að fullgera rökrásina getum við notað lampa eða smára.

Einfaldasta framleiðslulína rökrása sem notar tvípóla smára er kölluð resistor-transistor logic eða RTL rásir. Ólíkt díóðu rásunum er hægt að raðtengja RTL rásirnar og búa til mjög flóknar rásir. Þessar rásir voru notaðar í fyrstu IC (integrated circut) rásirnar. Til að auka hraðann var viðnámunum í RTL rásunum skipt út fyrir díóður sem gaf okkur diode-transsitor logic eða bara DTL rásir. Þá uppgötvuðu menn að einn smári gat unnið verk tveggja díóða á sama plássi og ein díóða tók og þá varð til transsistor-transistor logic eða TTL rásir. Í sumum gerðum rása til að minnka stærð og afl þörf , var tvípóla smáranum skipt út fyrir field-effect smára (MOSFET) sem gaf okkur complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) rásirnar.

Fyrir smærri rásir nota hönnuðir staðlaðar rásir sem tilheyra framleiðslulínum eins og TTL 7400 línan sem Texas Instruments hannaði og CMOS 4000 sem RCA hannaði og seinni afbrigði af þeim. Þessar rásir eru venjulega með smára með fjöltengdan emitter til að búa til AND hliðið, en það er ekki til sem sér íhlutur. Forritanlegar rökrásir eru að taka við af þessum rásum, sem gerir hönnuðum kleift að setja saman í eina IC rás mjög mörgum blönduðum rásum. Forritunareðli Forritanlegu rökrásanna eins og FPGA hefur rutt úr vegi harðkóðuðum vélbúnaði, því nú er mögulegt að breyta hönnun vélbúnaðar kerfanna með því að endurforrita suma hluta þeirra, og breyta þannig útfærslu þeirra og virkni.

Rafrökrásir eru allt öðruvísi en rafliða- og vélbúnaðar rásir. Þær eru mun hraðvirkari, nota mun minna afl, og eru mun minni í stærð (allir liðir hafa margfaldar sem er um það bil 1.000.000 eða meira í flestum tilfellum). Einnig er um grundvallar byggingarlegan mun að ræða. Rofa rás býr til samfellda opna rás úr málmi þar sem straumur getur farið óhindrað í báðar áttir á milli inngangs og útgangs. Hálfleiðara rökrás aftur á móti hegðar sér eins og spennu magnari, sem notar mjög lítinn straum á inngangnum en myndar mjög háa spennu á útgangnum. Það er ekki mögulegt að straumur geti farið á milli inngangs og útgangs í hálfleiðara rökrás.

Annar mikilvægur kostur staðlaðra rása eins og 7400 og 4000 línanna, er að það er hægt að raðtengja þær, það er útgangurinn á einni rás getur tengst inngangnum á einni eða fleiri rásum nánast í það óendanlega, sem gerir það að verkum að hönnuðir geta hannað rásir að vild, hversu flóknar sem þær kunna að vera án þess að þekkja innri virkni rásarinnar.

Í raun getur útgangur á einni rás aðeins keyrt á einhvern ákveðinn fjölda innganga á aðrar rásir, þetta er kallað fanout mark útgangsins, en þessum mörkum er nánast aldrei náð í nýrri gerðum CMOS rása miðað við TTL rásirnar. Einnig höfum við útbreiðslutöf, frá því að merki kemur á inngang þar til að við fáum breytingu á útgang. Þegar rásir eru raðtengdar er heildar útbreiðslu töfin um það bil summa tafanna í einstökum rásum, sem veldur því að í háhraða rásum getur þetta orðið vandamál.

Rökrásir og vélbúnaður.

NAND og NOR hlið eru grunn hliðin sem öll önnur booleísk hlið (þ.e. AND, OR, NOT, XOR, XNOR) eru búin til úr. Þau geta verið gerð úr rafliðum smárum eða hverri þeirri tækni sem getur myndað invertir það er snúið merki við (þ. e. 0 verður 1 og öfugt) og tveggja innganga AND og OR hlið. Þess vegna eru NAND og NOR hliðin sögð alhliða (universal) hlið.

Með tveimur inngöngum er hægt að fá 16 mismunandi útganga en í booleískum rásum eru aðeins 12 notaðir. Í töflunni hér fyrir neðan eiga tvær efstu línurnar að tákna inngangana og síða hinar 16 útgangana, og samsvarandi virkni.

A er: 0 0 1 1

B er: 0 1 0 1

0 er: 0 0 0 0

A AND B er: 0 0 0 1

A er: 0 0 1 1

B er: 0 1 0 1

A XOR B er: 0 1 1 0

A OR B er: 0 1 1 1

A NOR B er: 1 0 0 0

A XNOR B er:1 0 0 1

NOT B er: 1 0 1 0

NOT A er: 1 1 0 0

A NAND B er:1 1 1 0

1 er: 1 1 1 1

Rökrásir eru grunn einingin í mörgum stafrænum rásum og fáanlegar sem IC kubbur eins og 4000 línan af CMOS rásum eða 700 línan. Með tákn og sanntöflur hliðana skal vísað á rökaðgerðir.

Heimild.

Unnið úr ensku wikipedia.