Fonctionnement d'un ordinateur/Les portes logiques

Grâce au chapitre précédent, on sait enfin comment sont représentées nos données les plus simples avec des bits. On n'est pas encore allés bien loin : on ne sait pas comment représenter des bits dans notre ordinateur ou les modifier, les manipuler, ni faire quoi que ce soit avec. On sait juste transformer nos données en paquets de bits (et encore, on ne sait vraiment le faire que pour des nombres entiers, des nombres à virgule et du texte...). C'est pas mal, mais il reste du chemin à parcourir ! Rassurez-vous, ce chapitre est là pour corriger ce petit défaut. On va vous expliquer quels traitements élémentaires notre ordinateur va effectuer sur nos bits.

Les portes logiques de base modifier

Les portes logiques sont des circuits qui reçoivent plusieurs bits en entrée, et fournissent un bit en guise de résultat. Tous les composants d'un ordinateur sont fabriqués avec ce genre de circuits. Elles possèdent des entrées sur lesquelles on va placer des bits, et une sortie sur laquelle se trouve le bit de résultat. Les entrées ne sont rien d'autre que des morceaux de « fil » conducteur sur lesquels on envoie un bit (une tension). La sortie est similaire, si ce n'est qu'on récupère le bit de résultat.

Sur les schémas qui vont suivre, les entrées des portes logiques seront à gauche et les sorties à droite !

Les portes logiques ont différent symboles selon le pays et l'organisme de normalisation :

  • Commission électrotechnique internationale (CEI) ou International Electrotechnical Commission (IEC),
  • Deutsches Institut für Normung (DIN, Institut allemand de normalisation),
  • American National Standards Institute (ANSI).

La porte OUI/BUFFER modifier

La première porte fondamentale est la porte OUI, qui agit sur un seul bit : sa sortie est exactement égale à l'entrée. En clair, elle recopie le bit en entrée sur sa sortie. Pour simplifier la compréhension, je vais rassembler les états de sortie en fonction des entrées pour chaque porte logique dans un tableau que l'on appelle table de vérité.

Entrée Sortie
0 0
1 1
Symboles d'une porte OUI(BUFFER).
CEI DIN ANSI
     

Mine de rien, la porte OUI est parfois utile. Elle sert surtout pour recopier un signal électrique qui risque de se dissiper dans un fil trop long. On place alors une porte OUI au beau milieu du fil, pour éviter tout problème, la porte logique régénérant le signal électrique, comme on le verra dans le chapitre suivant. Cela lui vaut parfois le nom de porte BUFFER, ce qui veut dire tampon. Les portes OUI sont aussi utilisées dans certaines mémoires RAM (les mémoires SRAM), comme nous le verrons dans quelques chapitres.

La porte NON modifier

La seconde porte fondamentale est la porte NON, qui agit sur un seul bit : la sortie d'une porte NON est exactement le contraire de l'entrée. Son symbole ressemble beaucoup au symbole d'une porte OUI, la seule différence étant le petit rond au bout du triangle.

Entrée Sortie
0 1
1 0
Symboles d'une porte NON (NOT).
CEI DIN ANSI
     

La porte ET modifier

La porte ET possède plusieurs entrées, mais une seule sortie. Cette porte logique met sa sortie à 1 quand toutes ses entrées valent 1.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Symboles d'une porte ET (AND).
CEI DIN ANSI
     

La porte NAND modifier

La porte NAND donne l'exact inverse de la sortie d'une porte ET. En clair, sa sortie ne vaut 1 que si au moins une entrée est nulle. Dans le cas contraire, si toutes les entrées sont à 1, la sortie vaut 0.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Symboles d'une porte NON-ET (NAND).
CEI DIN ANSI
     

Au fait, si vous regardez le schéma de la porte NAND, vous verrez que son symbole est presque identique à celui d'une porte ET : seul un petit rond (blanc pour ANSI, noir pour DIN) ou une barre (CEI) sur la sortie de la porte a été rajouté. Il s'agit d'une sorte de raccourci pour schématiser une porte NON.

La porte OU modifier

La porte OU est une porte dont la sortie vaut 1 si et seulement si au moins une entrée vaut 1. Dit autrement, sa sortie est à 0 si toutes les entrées sont à 0.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Symboles d'une porte OU (OR).
CEI DIN ANSI
     

La porte NOR modifier

La porte NOR donne l'exact inverse de la sortie d'une porte OU.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Symboles d'une porte NON-OU (NOR).
CEI DIN ANSI
     

La porte XOR modifier

Avec une porte OU, deux ET et deux portes NON, on peut créer une porte nommée XOR. Cette porte est souvent appelée porte OU exclusif. Sa sortie est à 1 quand les deux bits placés sur ses entrées sont différents, et vaut 0 sinon.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Symboles d'une porte OU-exclusif (XOR).
CEI DIN ANSI
     

La porte XNOR modifier

La porte XOR possède une petite sœur : la XNOR. Sa sortie est à 1 quand les deux entrées sont identiques, et vaut 0 sinon (elle est équivalente à une porte XOR suivie d'une porte NON).

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Symboles d'une porte NON-OU-exclusif (XNOR).
CEI DIN ANSI
     

Interlude propédeutique : combien il y a-t-il de portes logiques différentes ? modifier

Les portes logiques que nous venons de voir ne sont pas les seules. En fait, il existe un grand nombre de portes logiques différentes, certaines ayant plus d'intérêt que d'autres. Mais avant toute chose, nous allons parler d'un point important : combien y a-t-il de portes logiques en tout ? La question a une réponse très claire, pour peu qu'on précise la question. Les portes que nous avons vu précédemment ont respectivement 1 et 2 bits d'entrée, mais il existe aussi des portes à 3, 4, 5, bits d’entrée, voire plus. Il faut donc se demander combien il existe de portes logiques, dont les entrées font N bits. Par exemple, combien y a-t-il de portes logiques avec un bit d'entrée ? Avec deux bits d'entrée ? Avec 3 bits ?

Pour cela, un petit raisonnement peut nous donner la réponse. Vous avez vu plus haut qu'une porte logique est définie par une table de vérité, qui liste le bit de sortie pour chaque combinaison possible des entrées. Le raisonnement se fait en deux étapes. La première détermine, pour n bits d'entrée, combien il y a de lignes dans la table de vérité. La seconde détermine combien de tables de vérité à c lignes existent.

 
Les 16 portes logiques à deux entrées possibles.

Le nombre de lignes de la table de vérité se calcule facilement quand on se rend compte qu'une porte logique reçoit en entrée un "nombre" codé sur n bits, et fournit un bit de résultat qui dépend du "nombre" envoyé en entrée. Chaque ligne de la table de vérité correspond à une valeur possible pour le "nombre" envoyé en entrée. Pour n bits en entrée, la table de vérité fait donc   lignes.

Ensuite, calculons combien de portes logiques en tout on peut créer c lignes. Là encore, le raisonnement est simple : chaque combinaison peut donner deux résultats en sortie, 0 et 1, le résultat de chaque combinaison est indépendant des autres, ce qui fait :

 .

Pour les portes logiques à 1 bit d’entrée, cela fait 4 portes logiques. Pour les portes logiques à 2 bits d’entrée, cela fait 16 portes logiques.

Les portes logiques à un bit d'entrée modifier

Il existe quatre portes logiques de 1 bit. Il est facile de toutes les trouver avec un petit peu de réflexion, en testant tous les cas possibles.

  • La première donne toujours un zéro en sortie, c'est la porte FALSE ;
  • La seconde recopie l'entrée sur sa sortie, c'est la porte OUI, aussi appelée la porte BUFFER ;
  • La troisième est la porte NON vue plus haut ;
  • La première donne toujours un 1 en sortie, c'est la porte TRUE.
Tables de vérité des portes logiques à une entrée
Entrée FALSE OUI NON TRUE
0 0 0 1 1
1 0 1 0 1

On peut fabriquer une porte OUI en faisant suivre deux portes NON l'une à la suite de l'autre. Inverser un bit deux fois redonne le bit original.

 
Porte OUI/Buffer fabriquée à partie de deux portes NON.

Les portes logiques TRUE et FALSE sont des portes logiques un peu à part, qu'on appelle des portes triviales. Elles sont absolument inutiles et n'ont même pas de symbole attitré. Il est possible de fabriquer une porte FALSE à partir d'une porte TRUE suivie d'une porte NON, et inversement, de créer une porte TRUE en inversant la sortie d'une porte FALSE. Pour résumer, toutes les portes à une entrée peuvent se fabriquer en prenant une porte NON, couplée avec soit une porte FALSE, soit une porte TRUE. C'est étrange que l'on doive faire un choix arbitraire, mais c'est comme ça et la même chose arrivera quand on parlera des portes à deux entrées.

Les portes logiques à deux bits d'entrée modifier

Les portes logiques à 2 bits d'entrée sont au nombre de 16. Nous avions déjà vu les portes OU, NOR, ET, NAND, XOR et NXOR. À part ces 6 là, peu de portes logiques sont réellement utiles. La liste complète des tables de vérité est regroupée dans le tableau ci-dessous.

Entrée FALSE NOR NCONVERSE NON A NIMPLY NON (B) XOR NAND ET NXOR OUI (B) IMPLY OUI (A) CONVERSE OU TRUE
00 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
01 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
10 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
11 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Dans ce tableau, on retrouve les deux portes logiques triviales, à savoir la porte FALSE et TRUE, qui donnent toujours respectivement 0 et 1 en sortie. De plus, on retrouve aussi les portes OUI et NON, mais elles sont chacune en double. En cherchant dans le tableau, on trouve une porte qui recopie l'entrée A, une autre qui recopie l'entrée B. De même, on trouve une porte qui inverse l'entrée A et une autre qui inverse l'entrée B.

En clair, sur les 16 portes logiques à deux entrées, 6 d'entre elles sont de fausses portes à deux entrées : elles ont deux entrées, mais l'une d'entre elle ne sert à rien et l'est pas prise en compte pour calculer le résultat. Seules 10 sont de vraies portes à deux entrées, et non des portes à une entrée déguisées. Le tout est illustré dans le tableau ci-dessous, avec les portes à une entrée illustrées en jaune.

Entrée FALSE NOR NCONVERSE NON A NIMPLY NON (B) XOR NAND ET NXOR OUI (B) IMPLY OUI (A) CONVERSE OU TRUE
00 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
01 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
10 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
11 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

On vient de voir que sur les 16 portes logiques à deux entrées, 6 d'entre elles sont des portes à une entrée déguisées. Reste à étudier les portes logiques restantes. Toutes les portes logiques peuvent se fabriquer en combinant d'autres portes logiques de base.

Par exemple, certaines portes sont l'inverse l'une de l'autre. La porte ET et la porte NAND sont l'inverse l'une de l'autre : il suffit d'en combiner une avec une porte NON pour obtenir l'autre. Même chose pour les portes OU et NOR, ainsi que les portes XOR et NXOR.

Porte ET  
Porte OU  

De fait, si on dispose de la porte NON, on peut diviser par 2 le nombre de portes logique, la moitié des portes logiques étant l'inverse de l'autre. Il ne reste alors que les portes logiques suivantes, appelées portes de base :

  • TRUE ou FALSE (le choix ne change pas grand chose)
  • NON ;
  • ET/OU/XOR ;
  • CONVERSE ;
  • IMPLY.

Mais d'autres possibilités existent et nous allons les voir dans le détail dans ce qui suit. Nous allons voir que certaines de ces portes logiques ne sont en fait que des dérivées des portes ET et des portes OU. En combinant une porte ET/OU avec une ou plusieurs portes NON, on arrive à émuler ces portes logiques restantes. Les portes logiques dérivées de la porte ET sont illustrées en rouge dans le tableau suivant, celles dérivées de la porte OU sont en vert, les portes XOR/NXOR sont en jaune, le reste est les portes à une entrée.

Entrée FALSE NOR NCONVERSE NON A NIMPLY NON (B) XOR NAND ET NXOR OUI (B) IMPLY OUI (A) CONVERSE OU TRUE
00 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
01 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
10 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
11 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Les portes dérivées de la porte OU modifier

Les portes dérivées de la porte OU regroupent les deux portes OU et NAND, ainsi que deux nouvelles portes : IMPLY et CONVERSE.

La porte CONVERSE a la table de vérité suivante :

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 0
1 0 1
1 1 1

La porte IMPLY a la table de vérité suivante :

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 1

Leur comportement se comprend facilement quand on sait qu'elles sont équivalentes à une porte OU dont on aurait inversé une des entrées. La porte CONVERSE met sa sortie à 1 soit quand l'entrée 1 est à 1, soit quand l'entrée 2 est à 0. La porte IMPLY fait la même chose, sauf qu'il faut que l'entrée 2 soit à 1 et l'entrée 1 à 0. Leurs symboles trahissent cet état de fait, jugez-en vous-même :

 
Porte CONVERSE.
 
Porte IMPLY.

Vous vous demandez certainement ce qui se passe quand on inverse les deux entrées avant le OU. Pour cela, regardons ce que fait le circuit en étudiant sa table de vérité.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

C'est la table de vérité d'une porte NAND. En clair, une porte NAND est équivalente à une porte OU dont on aurait inversé les deux entrées.

 
Porte NOR fabriquée avec une porte ET et deux portes NON.

Les portes dérivées d'un OU mettent leur sortie à 1 pour trois lignes de la table de vérité, pour trois entrées possibles. Aussi, on les appellera des portes 3-combinaisons.

Entrée NAND OR CONVERSE IMPLY
00 1 0 1 1
01 1 1 0 1
10 1 1 1 0
11 0 1 1 1

Les portes dérivées de la porte ET modifier

Les portes dérivées de la porte ET regroupent les deux portes NOR et ET, ainsi que deux nouvelles portes : NCONVERSE et NIMPLY, qui sont respectivement l'inverse des portes CONVERSE et IMPLY.

La porte NCONVERSE a la table de vérité suivante :

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 0
0 1 1
1 0 0
1 1 0

La porte NIMPLY a la table de vérité suivante :

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 0
0 1 0
1 0 1
1 1 0

Vous pouvez le voir, elles ont une sortie à 1 à condition que l'une des entrées soit à 1, et l'autre entrée soit à 0. On devine rapidement que ces deux portes peuvent se fabriquer en prenant une porte ET et une porte NON. Il suffit de mettre la porte NON devant l'entrée devant être à 0, et de mettre un ET à la suite. Au passage, cela se ressent dans les symboles utilisés pour ces deux portes, qui sont les suivants :

 
Porte NCONVERSE.
 
Porte NIMPLY.

Vous vous demandez certainement ce qui se passe quand on inverse les deux entrées avant le ET. Pour cela, regardons ce que fait le circuit en étudiant sa table de vérité.

Entrée 1 Entrée 2 Sortie
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

C'est la table de vérité d'une porte NOR. En clair, une porte NOR est équivalente à une porte ET dont on aurait inversé les deux entrées.

 
Porte NOR fabriquée avec une porte ET et deux portes NON.

Les portes dérivées d'un ET mettent leur sortie à 1 pour une seule combinaison d'entrée, une seule ligne de la table de vérité. Aussi, nous allons les appeler des portes 1-combinaison.

Entrée NOR NCONVERSE NIMPLY ET
00 1 0 0 0
01 0 1 0 0
10 0 0 1 0
11 0 0 0 1

Les liens entre portes 1 et 3-combinaisons modifier

La section précédente a montré qu'on pouvait en théorie créer toute porte logique avec seulement des portes NON, ET et OU. Mais en réalité, on peut faire avec beaucoup moins. Dans cette section, nous allons montrer que toute porte peut être créée avec seulement des portes ET et NON, sans porte OU. Et il est possible de faire de même, mais avec seulement des portes NON et des portes OU, sans porte ET.

Pour comprendre pourquoi, regardez le tableau suivant, qui liste les portes 1 et 3-combinaison en paires. On voit que chaque porte 1-combinaison est l'exact inverse d'une porte 3-combinaison et inversement ! La conséquence est que l'on peut créer n'importe quelle porte 3-combinaison à partie d'une porte 1-combinaison et inversement.

Entrée NOR OU NCONVERSE CONVERSE IMPLY NIMPLY ET NAND
00 1 0 0 1 0 1 0 1
01 0 1 1 0 0 1 0 1
10 0 1 0 1 1 0 0 1
11 0 1 0 1 0 1 1 0

Par exemple, nous avions vu plus haut que la porte NOR est une porte dérivée d'une porte ET. On peut créer une porte OU en ajoutant une porte NON à une porte NOR basée sur un ET, ce qui donne le circuit ci-dessous.

 
Porte OU fabriquée avec des portes NON et ET.

Ou encore, nous avions vu plus haut que la porte NAND est une porte dérivée d'une porte OU. On peut créer une porte ET en ajoutant une porte NON à une porte NAND basée sur un OU, ce qui donne le circuit ci-dessous.

 
Porte ET fabriquée avec des portes NON et OU.

Les portes XOR/NXOR sont "superflues" modifier

Dans cette section, nous allons montrer que les portes XOR/NXOR peuvent se fabriquer à partir d'autres portes logiques. Il y a deux grandes manières pour concevoir une porte XOR/NXOR à partir de portes plus simples. Les deux méthodes peuvent servir à créer n'importe quelle porte logique, pas seulement les XOR/NXOR. Aussi, il est intéressant de les étudier. La première méthode combine plusieurs portes 1-combinaison, leur résultat étant combiné avec une porte OU. L'autre méthode fait l'inverse : on prend plusieurs portes 3-combinaisons, on combine les résultats avec une porte ET. Voyons en détail ces deux techniques.

La première méthode : combiner des portes dérivée d'un ET avec un OU modifier

La première technique part d'un raisonnement assez simple, qui se comprend bien quand on étudie quelques exemples.

Commençons par le cas d'une porte XOR. La sortie d'une porte XOR est à 1 dans deux situations : soit la première entrée est à 1 et l'autre à 0, soit c'est l'inverse. Les deux cas correspondent respectivement aux portes NCONVERSE et NIMPLY, vue précédemment.

Entrée 1 Entrée 2 NCONVERSE NIMPLY (NCONVERSE) OU (NIMPLY) = XOR
0 0 0 0 0
0 1 0 1 1
1 0 1 0 1
1 1 0 0 0

La sortie des deux circuits est combinée avec une porte OU, car une seule des deux situations rencontrées met la sortie à 1. Les deux portes sont conçues à partir d'une porte ET et de portes NON. Le circuit obtenu est le suivant :

 
Porte XOR fabriquée à partir de portes ET/OU/NON.
Notons que ce circuit nous donne une idée pour créer une porte NXOR : il suffit de remplacer la porte OU finale par une porte NOR.

La porte NXOR peut se concevoir à parti du même raisonnement. La porte NXOR sort un 1 dans deux cas : soit quand ses deux entrées sont à 1, soit quand elles sont toutes deux à 0. La porte ET a sa sortie à 1 dans le premier cas, alors que la porte NOR (une OU suivie d'une NOT) a sa sortie à 1 dans le second cas.

Entrée 1 Entrée 2 NOR ET NXOR
0 0 1 0 1
0 1 0 0 0
1 0 0 0 0
1 1 0 1 1

Il faut ajouter une porte pour combiner le résultat de la porte NOR avec celui de la porte ET pour obtenir un résultat valide. Vu que la sortie doit être à 1 dans l'un des deux cas, c’est-à-dire quand l'une des deux portes ET/NOR est à 1, la porte finale est naturellement une porte OU. Le circuit obtenu est le suivant :

 
Porte NXOR fabriquée à partir de portes ET/OU/NON, alternative.
Notons que ce circuit nous donne une troisième possibilité pour créer une porte XOR : il suffit de remplacer la porte OU finale par une porte NOR.

Il s'agit là d'une technique qui marche au-delà des portes XOR, et qui marche pour toutes les portes logiques. L'idée est de lister toutes les lignes de la table de vérité où la porte sort un 1. Pour chaque ligne, on prend la porte 1-combinaison adéquate : celle qui sort un 1 pour cette ligne. On effectue ensuite un OU entre toutes les portes dérivées d'un ET.

Prenons comme exemple la porte logique qui met la sortie à 1 pour la seconde et quatrième ligne de la table de vérité. On peut la concevoir en prenant deux portes 1-combinaison : celle qui a sa sortie à 1 pour la seconde ligne de la table de vérité, et celle pour la quatrième ligne. En faisant un OU entre ces deux portes, le résultat sera la porte demandé. Et on peut appliquer le même raisonnement pour n'importe quelle porte logique. Il suffit alors d'utiliser un OU à 2, 3 ou 4 entrées.

Entrée 1 Entrée 2 NCONVERSE ET Porte voulue
0 0 0 0 0
0 1 1 0 1
1 0 0 0 0
1 1 0 1 1

Cette technique permet de fabriquer directement toutes les portes logiques à deux entrées, sauf la porte FALSE. C'est la seule qui ne puisse être fabriquée à partir de portes 1-combinaison seules et qui demande d'utiliser une porte NON pour. On peut donc, en théorie, fabriquer toutes les portes logiques à partir de seulement les portes ET, OU et NON.

La seconde méthode : combiner des portes dérivées d'un OU avec un ET modifier

Une autre possibilité fait l'inverse de la méthode précédente. Elle conçoit une porte logique en prenant plusieurs portes logiques, mais la combinaison des résultats de celles-ci est différente. Au lieu de procéder par addition, on procède par soustraction. Cette méthode demande de prendre des portes 3-combinaison et de les combiner avec une porte ET. Elle permet de fabriquer toutes les portes logiques, sauf la porte TRUE.

Par exemple, prenons la porte XOR. On part du principe qu'un XOR est un OU, sauf dans le cas où les deux entrées sont à 1, cas qui peut se détecter avec une porte ET. Voici ce que cela donne :

Entrée 1 Entrée 2 OU ET XOR
0 0 0 0 0
0 1 1 0 1
1 0 1 0 1
1 1 1 1 0

La porte à choisir pour combiner les deux résultats n'est pas évidente en regardant le tableau. Une alternative est de remplacer la porte ET par une porte NAND :

Entrée 1 Entrée 2 OU NAND XOR
0 0 0 1 0
0 1 1 1 1
1 0 1 1 1
1 1 1 0 0

On voit qu'en faisant un ET entre les sortie des portes OU et NAND, on obtient le résultat voulu.

 
Porte XOR fabriquée à partir de portes ET/OU/NON, alternative.
Notons que ce circuit nous donne une idée pour créer une porte NXOR : il suffit de remplacer la porte ET finale par une porte NAND.

Les portes NAND et NOR permettent de fabriquer toutes les autres portes modifier

Dans la section précédente, nous avons vu qu'il existe deux possibilités : soit on supprime les portes ET/NAND et on garde les portes OU/NOR, soit on fait l'inverse. Les deux possibilités sont équivalentes et permettent chacune de fabriquer toutes les portes logiques restantes. Cependant, supposons que je conserve les portes ET/NAND : dois-je conserver la porte ET, ou la porte NAND ? Les deux solutions ne sont pas équivalentes, car l'une permet de se passer de porte NON et pas l'autre ! Pour comprendre pourquoi, nous allons essayer de créer toutes les portes à une entrée à partir de portes ET/OU/NAND/NOR.

Il est possible de créer une porte OUI en utilisant une porte ET ou encore une porte OU, comme illustré ci-dessous. La raison est que si on fait un ET/OU entre un bit et lui-même, on retrouve le bit initial. Il s'agit d'une propriété particulière de ces portes sur laquelle nous reviendrons rapidement dans le chapitre sur les circuits combinatoires, et qui sera très utile dans le chapitre sur les opérations bit à bit. De plus, elle sera très utile vers la fin du chapitre.

 
Porte Buffer faite à partir d'un OU.
 
Porte Buffer faite à partir d'un ET.

Il est aussi possible de créer des portes TRUE et FALSE en modifiant les montages précédents. D'ailleurs, en guise d'exercice, essayez de créer des portes TRUE et FALSE à partir des deux montages précédents. Un indice : vous aurez besoin d'une à deux portes NON. Par contre, impossible de créer une porte NON facilement.

Mais que se passe-t-il si on utilise une porte NAND/NOR ? La réponse est simple : on obtient une porte NON ! Pour comprendre pourquoi cela marche, il faut imaginer que la porte NAND/NOR est composée d'une porte ET/OU suivie par une porte NON. Le bit d'entrée va subir un ET/OU avec lui-même, avant d'être inversé. Mais le passage dans le ET/OU ne changera pas le bit (cette étape se comporte comme une porte OUI), alors que la porte NON l'inversera.

Porte NON fabriquée avec des portes NAND/NOR
Circuit équivalent avec des NAND Circuit équivalent avec des NOR
Porte NON
 
NOT from NAND
 
NOT from NOR
Vous vous demandez peut-être ce qu'il se passe quand on fait la même chose avec une porte XOR, en faisant un XOR entre un bit et lui-même. Et bien le résultat est une porte FALSE. En effet, la porte XOR fournit un zéro quand les deux bits d'entrée sont identiques, ce qui est le cas quand on XOR un bit avec lui-même. Et inversement, une porte TRUE peut se fabriquer en utilisant une porte NXOR. Il s'agit là d'une propriété particulière de la porte XOR/NXOR sur laquelle nous reviendrons rapidement dans le chapitre sur les circuits combinatoires, et qui sera très utile dans le chapitre sur les opérations bit à bit.

Créer les autres portes logiques est alors un jeu d'enfant avec ce qu'on a appris dans les sections précédentes. Il suffit de remplacer les portes NON et ET par leurs équivalents fabriqués avec des NAND.

Circuit équivalent avec des NAND Circuit équivalent avec des NOR
Porte ET
 
AND from NAND
 
AND from NOR
Porte OU
 
OR from NAND
 
OR from NOR
Porte NOR
 
NOR from NAND
Porte NAND
 
NAND from NOR
Porte XOR
 
XOR from NAND
 
XOR from NOR
 
XOR from NAND
 
XOR from NOR
Porte NXOR
 
NXOR from NAND
 
NXOR from NOR
 
NXOR from NAND
 
NXOR from NOR

On vient de voir qu'il est possible de fabriquer tout circuit avec seulement un type de porte logique : soit on construit le circuit avec uniquement des NAND, soit avec uniquement des NOR. Pour donner un exemple, sachez que les ordinateurs chargés du pilotage et de la navigation des missions Appollo étaient intégralement conçus avec des portes NOR.

Les portes logiques à plus de deux entrées modifier

En théorie, les portes logiques regroupent tous les circuits à une ou deux entrées, mais pas au-delà. Mais dans les faits, certains circuits assez simples sont considérés comme des portes logiques, même s'ils ont plus de deux entrées. En fait, une porte logique est un circuit simple, qui sert de brique de base pour d'autres circuits. Il doit être raisonnablement simple et doit se fabriquer sans recourir à des portes logiques plus simples. En clair, les portes logiques sont des circuits élémentaires, et sont aux circuits électroniques ce que les atomes sont aux molécules. Dans ce qui suit, nous allons voir des portes logiques qui ont plus de 2 entrées, et en ont 3, 4, 5, voire plus. S'il est difficile d'expliquer en quoi ce sont des portes logiques, tout deviendra plus évident dans le chapitre suivant, quand nous verrons comment sont fabriquées ces portes logiques avec des transistors. Nous verrons que les circuits que nous allons voir se fabriquent très simplement en quelques transistors, sans recourir à des portes ET/OU/NAND/NOR. De plus, beaucoup de ces circuits sont très utiles et reviendront régulièrement dans la suite du cours.

Les portes ET/OU/NAND/NOR à plusieurs entrées modifier

Les premières portes logiques à plusieurs entrées que nous allons voir sont les portes ET/OU/NAND/NOR à plus de 2 entrées.

Il existe des portes ET qui ont plus de deux entrées. Elles peuvent en avoir 3, 4, 5, 6, 7, etc. Comme pour une porte ET normale, leur sortie ne vaut 1 que si toutes les entrées valent 1 : dans le cas contraire, la sortie de la porte ET vaut 0. Dit autrement, si une seule entrée vaut 0, la sortie de la porte ET vaut 0.

 
Porte ET à trois entrées, symbole ANSI
 
Porte ET à trois entrées, symbole CEI

De même, il existe des portes OU/NOR à plus de deux entrées. Pour les portes OU à plusieurs entrées, leur sortie est à 1 quand au moins une de ses entrées vaut 1. Une autre manière de le dire est que leur sortie est à 0 si et seulement si toutes les entrées sont à 0.

 
Porte OU à trois entrées, symbole CEI
 
Porte ET à trois entrées, symbole DIN

Les versions NAND et NOR existent elles aussiet leur sortie/comportement est l'inverse de celle d'une porte ET/OU à plusieurs entrées. Pour les portes NAND, leur sortie ne vaut 1 que si au moins une entrée est nulle : dans le cas contraire, la sortie de la porte NAND vaut 0. Dit autrement, si toutes les entrées sont à 1, la sortie vaut 0.

 
Porte NOR à trois entrées, symbole CEI
 
Porte NAND à trois entrées, symbole CEI
 
Porte ET à trois entrées conçue à partir de portes ET à deux entrées.
 
Porte OU à quatre entrées conçue à partir de portes OU à deux entrées.

Bien sur, ces portes logiques peuvent se créer en combinant plusieurs portes ET/OU/NOR/NAND à deux entrées. Cependant, faire ainsi n'est pas la seule solution et nous verrons dans le chapitre suivant que l'on peut faire nettement mieux avec quelques transistors. Elles sont très utiles dans la conception de circuits électroniques, mais elles sont aussi fortement utiles au niveau pédagogique. Nous en ferons un grand usage dans la suite du cours, car elles permettent de simplifier fortement les schémas et les explications pour certains circuits complexes. Sans elles, certains circuits seraient plus compliqués à comprendre et certains schémas seraient trop chargés en portes ET/OU pour être lisibles.

Les portes ET-OU-NON modifier

Les portes ET/OU/NON sont des portes logiques qui combinent plusieurs portes ET et une porte NOR en une seule porte logique. Il en existe de nombreux types, mais nous allons voir les deux principaux : les portes 2-2 et 2-1.

La porte 2-1 est une porte à 3 entrées, que nous allons appeler A, B, C, D. Elle fait un ET entre les entrées A et B, puis fait un NOR entre le résultat et la troisième entrée. Et le tout peut encore une fois s'implémenter en une seule porte logique, pas forcément en enchainant deux ou trois portes à la suite.

 
Porte ET-OU-NON de type 2-1, symbole.

La porte 2-2 est une porte à 4 entrées, que nous allons appeler A, B, C, D. Elle fait un ET entre les entrées A et B, un autre ET entre C et D, puis fait un NOR entre le résultat des deux ET. Et le tout peut s'implémenter en une seule porte logique, pas forcément en enchainant deux ou trois portes à la suite.

 
Porte ET-OU-NON de type 2-2, symbole.

Et il s'agit là des versions les plus simples de la porte, mais on peut imaginer des versions plus complexes, où les ET et les OU sont à 3, 4, voire 5 entrées.

 
Exemple de porte ET-OU-NON à huit entrées.

Il existe aussi des portes OU-ET-NON, où la position des portes ET et OU sont inversées.

Nous verrons dans le chapitre sur les circuits combinatoires que ces portes logiques sont très utiles ! En effet, les situations où on a une couche de portes ET suivi d'une couche de portes OU est très fréquente. Dans le chapitre sur les circuits combinatoires, nous verrons des méthodes pour concevoir n'importe quel circuit électronique (sans mémoire). La première méthode, dite des minterms, donne toujours un circuit composé d'une couche de portes NON, suivie d'une couche de portes ET, suivie d'une couche de portes OU. A l'inverse, la seconde méthode, celle des maxterms, donne toujours une couche de portes NON, suivie d'une couche de portes OU, suivie d'une couche de portes ET. Autant dire que de nombreux circuits peuvent se fabriquer avec une porte ET-OU-NON, ou du moins en combinant la sortie de plusieurs portes de ce type.

La porte à majorité modifier

La porte à majorité est une porte à plusieurs entrées, qui met sa sortie à 1 quand une plus de la moitié des entrées sont à 1, et sort un 0 sinon. En général, le nombre d'entrée de cette porte est toujours impair, afin d'éviter une situation où exactement la moitié des entrées sont à 1 et l'autre à 0. Avec un nombre impair d'entrée, il y a toujours un déséquilibre des entrées, pas une égalité parfaite. Il existe cependant des portes logiques à 4, 6, 8 entrées, mais elles sont plus rares. Dans tous les cas, une porte à majorité est actuellement fabriquée à partir de portes logiques simples (ET, OU, NON, NAND, NOR). Mais on considère que c'est une porte logique car c'est un circuit simple et assez utile. De plus, il est possible de créer une grande partie des circuits électroniques possibles en utilisant seulement des portes à majorité ! C'est surtout cette possibilité qui fait que la porte à majorité est considérée comme une porte logique, pas comme un circuit simple et utile.

Une porte à majorité à trois entrées mettra sa sortie quand deux sorties sont à 1. Il existe plusieurs possibilités pour cela, qui sont presque toutes plus simples que le circuit précédent. La plus simple utilise une couche de portes ET suivie par une porte OU à plusieurs entrées. En voici une autre :

 
Porte à majorité à trois bits d'entrée.

Voici le circuit d'une porte à majorité à 4 bits d'entrées :

 
Porte à majorité à quatre bits d'entrée.

Les deux circuits précédents nous disent comment fabriquer une porte à majorité générale. Pour la porte à trois entrée, on prend toutes les paires d'entrées possibles, on fait un ET entre les bits de chaque paire, puis on fait un OU entre le résultat des ET. Pareil pour la porte à 4 entrées : on prend toutes les combinaisons de trois entrées possibles, on fait un ET par combinaison, et on fait un OU entre tout le reste. Pour une porte à 5 entrées, on devrait utiliser là encore les combinaisons de trois entrées possibles. En fait, la recette générale est la suivante : pour une porte à N entrées, on toutes les combinaisons de (N+1)/2 entrées, on fait un ET par combinaison, puis on fait un OU entre les résultats des ET.