¿Todos los circuitos secuenciales están basados en compuertas NAND o NOR de acoplamiento cruzado?

Por secuencia asumo que te refieres a una celda de almacenamiento (bit)?

Una celda de almacenamiento estática debe tener dos elementos:

• comentarios positivos, para mantener un estado estable para siempre

• una entrada que puede anular la retroalimentación (en ambas direcciones)

Las puertas NAND o NOR de acoplamiento cruzado tienen ambas propiedades. (El acoplamiento cruzado es la ruta de retroalimentación positiva). Hay bloques de construcción más complejos que también pueden tener estas propiedades (dos multipexers, por ejemplo), pero se podría argumentar que éstas están compuestas por puertas NAND y NOR.

Un otro circuito que tiene esta propiedad es un amplificador (llámelo una compuerta que no invierte, o dos inversores en serie) con una retroalimentación débil, y una entrada que puede proporcionar un fuerte impulso a alto o bajo (o estar en Alta impedancia, dejando que la retroalimentación haga su trabajo). Si esto cuenta como una doble puerta NAND con retroalimentación es, en mi opinión, una pregunta filosófica.

En el mundo no estático, hay opciones que almacenan algo durante un tiempo limitado y luego lo leen antes de que desaparezca, y lo restauran a su nivel original. Podría ver esto como un bucle de retroalimentación positiva en la dimensión de tiempo. Las DRAM funcionan de esta manera, pero también existen varias técnicas antiguas, como pantallas de almacenamiento y ciclos de retardo de mercurio.

En el mundo físico hay algunas construcciones que son biestables sin un ciclo de retroalimentación obvio. Piense en un núcleo de ferrita que puede magnetizarse en una de dos direcciones, o en un relé de enclavamiento que utiliza una bobina de tracción para mantenerse estable en dos posiciones. La esencia aquí es que hay dos niveles de energía más bajos, separados por una barrera de alta energía.

Dentro del mundo digital, creo que la respuesta a su pregunta es SÍ, pero los ejemplos anteriores muestran que hay otras implementaciones.

Muchos diseños de lógica CMOS (y también los diseños NMOS y PMOS, por cierto) hacen uso de un elemento de circuito llamado "puerta de paso". En su forma más simple, una puerta de paso es simplemente un solo transistor NMOS o PMOS (también llamado NFET o PFET). Un NFET conectará su fuente y drenará cuando la puerta esté alta y se desconectará cuando esté bajo; un PFET conectará la fuente y el drenaje cuando la puerta esté baja y se desconectará cuando esté alto.

Muchos circuitos usan compuertas de paso de un solo transistor, pero tienen una limitación importante: los NFET no son muy buenos para obtener señales altas y los PFET no son muy buenos para hacerlos bajos. En consecuencia, los circuitos que usan un montón de puertas de paso solo NFET para, por ejemplo, Es posible que la ruta de una de las varias señales a un inversor deba ajustar el diseño del inversor para que cambie a bajo si su entrada es incluso algo "alta". Tal ajuste puede valer la pena en algunas formas de lógica de alta velocidad y baja densidad, pero en general es mejor evitar confiar en la capacidad de un NFET para tirar de algo alto o un PFET para tirar de él bajo ...

Un estilo más común de puerta de paso utiliza un PFET y un NFET en paralelo. Dichas compuertas se conducirán limpiamente cuando la entrada PFET sea baja y la entrada NFET sea alta, y no se conducirá cuando la entrada PFET sea alta y la entrada NFET sea baja. Un buen diseño evitará confiar en el comportamiento de la puerta de paso en los momentos en que ambas entradas sean altas o ambas sean bajas; en la mayoría de los casos, uno siempre será el inverso del otro.

Agregar compuertas de paso al repertorio de uno hará posible construir muchos tipos de circuitos secuenciales de manera más compacta de lo que sería posible utilizando solo inversores, compuertas NAND y NOR [un inversor requiere dos transistores, mientras que las compuertas NAND y NOR requieren dos transistores por entrada; como se señaló, las puertas de paso requieren uno o dos transistores]. Un pestillo transparente que requeriría tres compuertas NAND y un NOR para cada bit, junto con un inversor para la habilitación [que podría ser compartido entre muchos pestillos] en muchos casos puede ser reemplazado por dos inversores, dos compuertas de paso y un inversor compartible para el reloj La implementación anterior requeriría dieciséis transistores más dos para el reloj; este último requeriría ocho.

Además, vale la pena señalar que es posible construir una compuerta con tres o más entradas que combine las funciones NAND y NOR a un costo de dos transistores por entrada; Básicamente, cualquier función que represente la inversión de cualquier combinación de puertas AND y OR, todas cuyas entradas son distintas, puede realizarse a un costo de dos transistores por entrada del circuito en su totalidad. Por ejemplo, un circuito que calcula not((A and B) or (C and D)) tendría un costo total de ocho transistores ya que hay cuatro entradas. Por el contrario, implementarlo con compuertas e inversores NAND requeriría tres compuertas NAND de dos entradas y un inversor, por un costo total de catorce. Se podría implementar un pestillo con un inversor para calcular Q = not Qlo y una compuerta híbrida que calcula Qlo = not (D and ClkHi) or (Q and ClkLo) . Al igual que con el seguro de la puerta de paso, ocho transistores más un inversor que se puede compartir para el reloj.     

Las puertas NAND y NOR son los componentes básicos de toda la lógica.

Usando solo puertas NAND, o solo puertas NOR, puede crear cualquier otra puerta que desee. Por ejemplo, la computadora de guía Apollo fue creada completamente a partir de las puertas NOR.

NAND y NOR son las únicas puertas comunes * con las que puede hacer esto, ya que tienen una salida inversora y se pueden organizar simplemente uniendo las entradas para formar una puerta NOT. Así que dos puertas NAND pueden hacer una puerta AND, pero no hay forma de que cualquier número de puertas AND pueda crear una puerta NAND.

Para chips individuales, la forma en que el fabricante decida implementar la función real (flip-flop, gate genérico, multiplexor, etc.) depende totalmente de ellos. Pueden decidir sobre un circuito que no se parezca al circuito equivalente construido completamente a partir de puertas NAND, ya que puede ser más óptimo colapsar varias puertas en un circuito más pequeño (¿por qué tener 2 entradas a una puerta cuando solo quieres use 1?), pero cosas como las conexiones de retroalimentación (la conexión cruzada de la que habla) todavía estarán en evidencia de alguna forma.

* Aparentemente hay algo que se llama una puerta "A y NO B", aunque nunca he visto una.

La Respuesta corta es SÍ , es posible y, de hecho, es muy común NO usar puertas de acoplamiento cruzado. De hecho, la mayoría de los circuitos activos (en forma de microprocesadores, ASIC de SOC, etc.) no utilizan esta forma (acoplamiento cruzado) de pestillo o memoria.

El requisito mínimo absoluto para una celda de memoria es la histéresis, y en los diseños que solo usan transistores, la forma más fácil de memoria es usar retroalimentación. Un diseño de acoplamiento cruzado es solo una forma de retroalimentación que es estática. Hay muchas otras formas que son dinámicas o usan otras formas de retroalimentación para mantener la señal estática.

El bloque de construcción fundamental de la lógica es transistores. Si crees que el bloque fundamental es la puerta NOR o NAND, pensarás que la única forma de crear un registro es cruzar puertas. De hecho, la mayoría de los flip-flops y registros y pestillos (por el número que se ha producido) nunca son un diseño de nivel de compuerta de acoplamiento cruzado.

Ciertamente, en los libros de texto / cursos de licenciatura, el diseño acoplado es el más fácil de enseñar. Sospecho que es porque no requiere conocimiento de transistores. Por lo general, los diseños avanzados solo están disponibles en los cursos de posgrado.

El pestillo básico que se basa en la retroalimentación es el diseño del "marcador de bus":

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Dibujé esto como puramente una prueba de existencia. Es un diseño pésimo pero ... usa solo 6 transistores en comparación con un pestillo formado por NOR que usa 8, tendrá menos disparos a través de la corriente y se distribuye de manera más eficiente. La clave aquí es hacer que algunos de los transistores de realimentación sean largos para que no luchen contra el conjunto y descansen tan duro. Pero eso es una cuestión de sintonía.

En general, un diseño de acoplamiento cruzado basado en compuerta siempre tendrá más transistores, consumirá más energía en la conmutación y será menos compacto en el diseño.

De hecho, al evaluar bibliotecas de terceros para el diseño de IC, reviso los diseños de las celdas, los flip-flops y los registros, etc.

Ahora a la verdadera razón por la que escribí esto ...

Todas las imágenes de abajo son de:  " 1 J. Yuan y C. Svensson,“ Nuevos pestillos y chanclas CMOS de un solo reloj con velocidad y potencia mejoradas ahorros, "Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 32, no. 1, pp. 62–69, 1997."

y pertenezca a una familia de chanclas y cierres que se llaman TSPC (reloj monofásico verdadero).

Notará que surge en estos circuitos el acoplamiento cruzado que notó en los diseños de nivel de puerta. Esto surge debido a la necesidad de evitar conflictos entre transistores en ciertos diseños.

Hay diseños mucho más interesantes en ese documento y ha sido fundamental y altamente referenciado en diseño y trabajo académico. También proporciona el marco de trabajo para futuros desarrollos. Ha influido en el diseño de elementos de memoria más moderno de IC.

Léalo si está interesado.

Pero debes admitir que hay algunas soluciones increíblemente elegantes.

Y este es solo uno de los muchos enfoques diferentes que se toman.

Si los IC se crearan utilizando NAND y NOR, habría muchos transistores desaprovechados. Nands y Nors pueden crear cualquier circuito, pero casi siempre hay una mejor manera de usar menos transistores y espacio.

El flip-flop básico D implementado en la tecnología CMOS es un excelente ejemplo de esto.

CompareesoconlaimplementacióndeNand:

Con cada Nand ocupando 4 transistores por pieza (sin contar los transistores adicionales Nands de 3 entradas), obtendrías 24 transistores para la misma funcionalidad frente a 12 en la implementación típica de CMOS.

Para responder a su pregunta, sí , la mayoría de los circuitos integrados digitales tienden a alejarse de las nandas de acoplamiento cruzado porque es un uso ineficiente de los transistores. El elemento de almacenamiento en el caso del flip-flop CMOS D es la capacitancia inherente de los transistores. Esta pequeña señal se amplifica luego por la topología de los transistores.

Las puertas "de acoplamiento cruzado" no son la única forma de mantener el estado de un poco por un tiempo, pero son muy convenientes porque puedes sacarlas del mismo material que el resto de un chip, lo que hace Son rápidos y eficientes, y ahorran espacio.

Los métodos alternativos incluyen:

• op-amp con comentarios positivos
• líneas de retardo, dispositivos de brigada de cubo
• eco de frecuencia de audio
• escribe en el disco duro
• lógica de relé
• RAM resistiva
• memoria principal

La lista continúa, limitada solo por tu imaginación y los tipos de penalizaciones de rendimiento que estás dispuesto a sufrir.