Perché Digital 0 non è 0V nei sistemi informatici?

32

Sto seguendo un corso di progettazione di sistemi informatici e il mio professore ci ha detto che nei sistemi digitali le tensioni convenzionali utilizzate per indicare uno 0 digitale e uno digitale sono cambiate nel corso degli anni.

Apparentemente, negli anni '80, 5 V veniva usato come "alto" e 1 V veniva usato per indicare un "basso". Al giorno d'oggi, un "alto" è 0,75 V e un "basso" è circa 0,23 V. Ha aggiunto che nel prossimo futuro, potremmo passare a un sistema in cui 0,4 V indica un alto e 0,05 V, un basso.

Ha sostenuto che questi valori stanno diminuendo in modo da poter ridurre il consumo di energia. In tal caso, perché ci prendiamo la briga di impostare il "basso" su qualsiasi tensione positiva? Perché non lo impostiamo solo sulla vera tensione di 0 V (neutra dalle linee di alimentazione, immagino)?

computer-architecture

— Anirudh Ajith
fonte

9

Penso che la spiegazione più semplice sia che ci sono resistenze parassite nei fili / tracce / "interruttori" (transistor) in modo da non raggiungere mai veramente 0 V, quindi è necessario un margine. Man mano che la tecnologia migliora, i margini possono aumentare.

— Wesley Lee,

26

La logica non ha mai avuto assoluti valori singoli per alta e bassa; TTL ha una gamma assoluta e il CMOS puro ha una gamma definita dalla power rail.

— Peter Smith,

8

Il limite inferiore non è mai stato di 1 V, controlla la risposta di Andy che afferma che è 0,4 V o 0,8 V a seconda che tu stia inviando o ricevendo (parla con precisione, ascolta perdonatamente)

— Neil_UK

4

La tensione che stai citando è il limite superiore (soglia) per uno zero logico.

— CramerTV,

3

Non esiste nulla come 0 V, solo in un mondo perfetto ne parliamo.

— Albero

45

Stai confondendo il valore "ideale" con l'intervallo di input valido.

Nella logica usuale, in condizioni ideali, lo zero logico sarebbe precisamente 0V. Tuttavia, nulla è perfetto nel mondo reale e un'uscita elettronica ha una certa tolleranza. La tensione di uscita reale dipende dalla qualità dei cavi, dal rumore EMI, dalla corrente che deve fornire, ecc. Per soddisfare queste imperfezioni, gli ingressi logici trattano un intero intervallo di tensione come 0 (o 1). Vedi l'immagine nella risposta di Andy.

Ciò che il tuo docente probabilmente intendeva per 0,75 V è uno dei punti che fanno la gamma logica 0.

Si noti che esiste anche un intervallo vuoto tra 0 e 1. Se la tensione di ingresso scende qui, il circuito di ingresso non può garantire il corretto funzionamento, quindi si dice che quest'area è vietata.

— akwky
fonte

76

Ti stai confondendo. Guarda TTL per esempio: -

Un livello di input basso è compreso tra 0 volt e un valore piccolo superiore a 0 volt (0,8 volt per il caso del TTL).

perché prendiamo il disturbo di impostare il "basso" su qualsiasi tensione positiva?

Ci prendiamo la briga di assicurarci che sia inferiore a un certo piccolo valore.

Foto da qui .

— Andy aka
fonte

Per espandere questo, gli intervalli di tensione di ingresso validi sono diversi per la segnalazione TTL rispetto alla segnalazione CMOS rispetto a quella LVCMOS. La ragione di ciò è che la logica TTL (e il NMOS compatibile che l'ha seguita) hanno avuto molte più difficoltà a salire sulla rotaia positiva che a terra. La moderna logica CMOS può funzionare altrettanto bene in entrambi i modi ed è anche più semplice costruire uno stadio di input CMOS simmetricamente. Un'uscita CMOS guiderà felicemente un ingresso TTL, ma è necessario utilizzare speciali ingressi compatibili TTL con un'uscita TTL.

— Chromatix,

C'è una spiegazione valida e dettagliata su questo argomento da TI, qui: ti.com/lit/an/scla011/scla011.pdf

— Chromatix

16

È impossibile produrre segnali logici a zero volt reali. Ci deve essere una certa tolleranza consentita, poiché i circuiti non sono infinitamente perfetti. Spendere soldi cercando di renderlo infinitamente perfetto non sarebbe neanche un buon investimento in fondi di design. La circuiteria digitale è proliferata e avanzata così rapidamente perché utilizza un numero enorme di copie dei circuiti molto semplici e tolleranti che sono porte logiche.

Gli stati binari 1 e 0 sono rappresentati nei circuiti logici digitali rispettivamente da alta e bassa tensione logica. Le tensioni che rappresentano la logica alta e la logica bassa rientrano in intervalli predefiniti e concordati per la famiglia di logica in uso.

La capacità di lavorare con tensioni all'interno di questi intervalli è uno dei principali vantaggi dei circuiti logici digitali - non è un fallimento. Gli ingressi di gate logici possono facilmente distinguere tra alta tensione logica e bassa tensione logica. Le uscite del gate logico producono alte e basse tensioni logiche valide. Il rumore di piccolo segnale viene rimosso quando i segnali logici passano attraverso le porte. Ogni uscita ripristina il segnale di ingresso a una buona tensione logica.

Con i circuiti analogici, è più difficile e praticamente impossibile distinguere il rumore dal segnale di interesse e rifiutarlo del tutto.

— TonyM
fonte

4

Soglie molto acute (senza isteresi) significano anche amplificatori di guadagno ridicolmente elevati. Conosciuto anche per essere ridicolmente feedback e oscillazione incline, incline alla deriva e generalmente nervoso.

— Rackandboneman,

Si noti inoltre che la logica 1 e 0 possono essere utilmente rappresentate rispettivamente come basse e alte tensioni laddove ha più senso che il circuito lo faccia. In effetti, segnali come i reset globali sono tradizionalmente attivi bassi, e nell'era nmos (una tecnologia che era notoriamente cattiva nel tirare su) e, in misura minore, nell'era TTL (stesso problema) era comune per gli IO maschili attivi bassi solo perché quello era l'unico modo per far fluire la corrente.

— Dan Mills,

Da notare anche la logica in modalità corrente in cui i valori logici sono definiti in termini di corrente anziché di tensione. Ciò consente una commutazione più rapida e una migliore tolleranza al rumore nella trasmissione (a causa dell'attuale legge di Kirchhoff) al costo di un maggiore consumo di energia (anche se Wikipedia afferma che Picoamp CML è stato realizzato, quindi non sarebbe un problema).

— John Dvorak,

8

Oltre ai punti sollevati dalle altre risposte, esiste il problema delle capacità parassite a velocità di commutazione elevate (la capacità normalmente ignorata di cavi e altri componenti). I cavi di solito hanno anche una leggera resistenza. (Un modello molto semplificato!)

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Essendo una rete RC, questo si traduce in una curva di caduta esponenziale (V ~ e ^ -kt). Se il ricevitore imposta una soglia molto bassa (vicino a 0 V), dovrebbe attendere un tempo significativo per la caduta della tensione di uscita sufficiente per attivare la soglia. Questa volta potrebbe sembrare insignificante, ma per un dispositivo che dovrebbe cambiare un milione (miliardi di volte) al secondo, questo è un problema. Una soluzione è aumentare la tensione "OFF", per evitare la coda lunga della funzione esponenziale.

— antipattern
fonte

6

Perché niente è perfetto e devi provvedere con un margine di errore. Quei numeri sono soglie. Se la tensione più bassa possibile nel tuo sistema è 0 V e la soglia è 0 V, dove ti lascia se TUTTI i componenti e i cavi non sono conduttori perfetti (ovvero hanno sempre una caduta di tensione) e silenziosi in un ambiente silenzioso? Ti lascia con un sistema che non può mai produrre 0 V in modo affidabile, se non riesce a farlo.

— DKNguyen
fonte

3

In un sistema a 2 binari (di solito chip alimentati con una sola tensione positiva più terra), qualunque interruttore o dispositivo stia abbassando la capacità di uscita a un livello di segnale basso ha una resistenza finita, quindi non è possibile passare un filo di segnale a zero Volt a tempo finito. (Ignorando i superconduttori). Quindi viene scelta un'oscillazione realistica di tensione inferiore che soddisfa i requisiti di prestazione (velocità di commutazione rispetto ai requisiti di alimentazione e generazione di rumore, ecc.)

Ciò si aggiunge ai margini necessari per coprire il rumore di terra (diversi livelli di tensione di terra o "zero" tra i circuiti di origine e di destinazione), altre fonti di rumore, tolleranze, ecc.

— hotpaw2
fonte

0

Contrariamente ad alcune risposte qui, sono abbastanza sicuro che ci sia stata una cosa come un minimo di 0 V in passato. Logica dei relè! Non penso che vogliamo tornare a quello però!

— user3042526
fonte

6

I tuoi relè hanno usato superconduttori? Io non la penso così.

— Elliot Alderson,

1

+1 a causa di critiche ingiuste. Uno 0 V puro può essere facilmente raggiunto. Può quasi essere raggiunto con un relè e semplicemente con accesso a dispositivi collegati a materiali di alimentazione negativi e feedback se lo si desidera. Il fatto che sia stato usato come valore di progettazione richiesto per le comunicazioni digitali sembra improbabile, ma ciò non dovrebbe essere un motivo per votare in negativo questa risposta.

— KalleMP,

2

@ElliotAlderson No, non posso, ho scritto specificamente che era improbabile che esistesse, il che significa che non ho modo di dimostrarlo. Tuttavia, puoi dimostrare che tale valore progettuale non è mai stato richiesto? Non la pensavo così. Ora vai e dai un voto alto al nuovo ragazzo (per riportarlo a zero) in modo che non venga demoralizzato dal pignolo e vada via e perdiamo una mente più giovane (brillante) a causa di nessuna buona ragione.

— KalleMP

1

@ElliotAlderson Penso che se si mette un oscilloscopio su una bobina di relè reale, si vedrebbe la tensione passare attraverso lo zero sulla sua strada per un valore negativo molto grande quando i contatti si aprono. Ma non mi è chiaro se stai parlando di un circuito reale o di un circuito ideale. I contatti ideali sono arcuati? In caso contrario, la tensione deve andare all'infinito negativo. In ogni caso, dopo che i contatti si sono aperti e l'arco si è spento, la resistenza nel circuito ideale sarà infinita . Non sono sicuro di ciò che fa per la tua costante di tempo.

— Solomon Slow,

1

@SolomonSlow Il comportamento transitorio è reale ma è facilmente modellabile con un circuito ideale. La resistenza che controlla il comportamento della tensione della bobina dopo l'apertura dei contatti è la resistenza della bobina stessa (dandoti il vantaggio del dubbio che non vi siano correnti di dispersione di alcun tipo). È un circuito RL parallelo in quel punto, che richiede un tempo infinito affinché la corrente dell'induttore scenda esattamente a zero. Anche nel mondo pratico, c'è un po 'di tempo in cui la tensione attraverso la bobina è diversa da zero ma i contatti del relè si aprono ... uno "0" logico con una tensione diversa da zero.

— Elliot Alderson,