Fonctionnement d'un ordinateur/Les transistors et portes logiques
Dans le chapitre précédent, nous avons abordé les portes logiques. Dans ce chapitre, nous allons voir qu'elles sont fabriquées avec des composants électroniques que l'on appelle des transistors. Ces derniers sont reliés entre eux pour former des circuits plus ou moins compliqués. Pour donner un exemple, sachez que les derniers modèles de processeurs peuvent utiliser près d'un milliard de transistors.
Les transistors MOS modifier
Les transistors possèdent trois broches, des pattes métalliques sur lesquelles on connecte des fils électriques. On peut appliquer une tension électrique sur ces broches, qui peut représenter soit 0 soit 1. Sur ces trois broches, il y en a deux entre lesquelles circule un courant, et une troisième qui commande le courant. Le transistor s'utilise le plus souvent comme un interrupteur commandé par sa troisième broche. Le courant qui traverse les deux premières broches passe ou ne passe pas selon ce qu'on met sur la troisième.
Il existe plusieurs types de transistors, mais les deux principaux sont les transistors bipolaires et les transistors MOS. De nos jours, les transistors utilisés dans les ordinateurs sont tous des transistors MOS. Les raisons à cela sont multiples, mais les plus importantes sont les suivantes. Premièrement, les transistors bipolaires sont plus difficiles à fabriquer et sont donc plus chers. Deuxièmement, ils consomment bien plus de courant que les transistors MOS. Et enfin, les transistors bipolaires sont plus gros, ce qui n'aide pas à miniaturiser les puces électroniques. Tout cela fait que les transistors bipolaires sont aujourd'hui tombés en désuétude et ne sont utilisés que dans une minorité de circuits.
Les types de transistors MOS : PMOS et NMOS modifier
Sur un transistor MOS, chaque broche a un nom, nom qui est indiqué sur le schéma ci-dessous.On distingue ainsi le drain, la source et la grille On l'utilise le plus souvent comme un interrupteur commandé par sa grille. Appliquez la tension adéquate et la liaison entre la source et le drain se comportera comme un interrupteur fermé. Mettez la grille à une autre valeur et cette liaison se comportera comme un interrupteur ouvert.
Il existe deux types de transistors CMOS, qui diffèrent entre autres par le bit qu'il faut mettre sur la grille pour les ouvrir/fermer :
- les transistors NMOS qui s'ouvrent lorsqu'on envoie un zéro sur la grille et se ferment si la grille est à un ;
- et les PMOS qui se ferment lorsque la grille est à zéro, et s'ouvrent si la grille est à un.
Voici les symboles de chaque transistor.
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L'anatomie d'un transistor MOS modifier
À l'intérieur du transistor, on trouve simplement une plaque en métal reliée à la grille appelée l'armature, un bout de semi-conducteur entre la source et le drain, et un morceau d'isolant entre les deux. Pour rappel, un semi-conducteur est un matériau qui se comporte soit comme un isolant, soit comme un conducteur, selon les conditions auxquelles on le soumet. Dans un transistor, son rôle est de laisser passer le courant, ou de ne pas le transmettre, quand il faut. C'est grâce à ce semi-conducteur que le transistor peut fonctionner en interrupteur : interrupteur fermé quand le semi-conducteur conduit, ouvert quand il bloque le courant. La commande de la résistance du semi-conducteur (le fait qu'il laisse passer ou non le courant) est réalisée par la grille, comme nous allons le voir ci-dessous.
Suivant la tension que l'on place sur la grille, celle-ci va se remplir avec des charges négatives ou positives. Cela va entrainer une modification de la répartition des charges dans le semi-conducteur, ce qui modulera la résistance du conducteur. Prenons par exemple le cas d'un transistor NMOS et étudions ce qui se passe selon la tension placée sur la grille. Si on met un zéro, la grille sera vide de charges et le semi-conducteur se comportera comme un isolant : le courant ne passera pas. En clair, le transistor sera équivalent à un interrupteur ouvert. Si on met un 1 sur la grille, celle-ci va se remplir de charges. Le semi-conducteur va réagir et se mettre à conduire le courant. En clair, le transistor se comporte comme un interrupteur fermé.
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La technologie CMOS modifier
Les portes logiques que nous venons de voir sont actuellement fabriquées en utilisant des transistors. Il existe de nombreuses manières pour concevoir des circuits à base de transistors, qui portent les noms de DTL, RTL, TLL, CMOS et bien d'autres. Les techniques anciennes concevaient des portes logiques en utilisant des diodes, des transistors bipolaires et des résistances. Mais elles sont aujourd'hui tombées en désuétudes dans les circuits de haute performance.De nos jours, on n'utilise que des logiques MOS (Metal Oxyde Silicium), qui utilisent des transistors MOS vus plus haut dans ce chapitre, parfois couplés à des résistances. On distingue :
- La logique NMOS, qui utilise des transistors NMOS associés à des résistances.
- La logique PMOS, qui utilise des transistors PMOS associés à des résistances.
- La logique CMOS, qui utilise des transistors PMOS et NMOS, sans résistances.
Dans cette section, nous allons montrer comment fabriquer des portes logiques en utilisant la technologie CMOS. Avec celle-ci, chaque porte logique est fabriquée à la fois avec des transistors NMOS et des transistors PMOS. On peut la voir comme un mélange entre la technologie PMOS et NMOS. Tout circuit CMOS est divisé en deux parties : une intégralement composée de transistors PMOS et une autre de transistors NMOS. Chacune relie la sortie du circuit soit à la masse, soit à la tension d'alimentation.
La première partie relie la tension d'alimentation à la sortie, mais uniquement quand la sortie doit être à 1. Si la sortie doit être à 1, des transistors PMOS vont se fermer et connecter tension et sortie. Dans le cas contraire, des transistors s'ouvrent et cela déconnecte la liaison entre sortie et tension d'alimentation. L'autre partie du circuit fonctionne de la même manière que la partie de PMOS, sauf qu'elle relie la sortie à la masse et qu'elle se ferme quand la sortie doit être mise à 0
Dans ce qui va suivre, nous allons étudier la porte NON, la porte NAND et la porte NOR. La porte de base de la technologie CMOS est la porte NON, les portes NAND et NOR ne sont que des versions altérées de la porte NON qui ajoutent des entrées et quelques transistors. Les autres portes, comme la porte ET et la porte OU, sont construites à partir de ces portes. Nous parlerons aussi de la porte XOR, qui est un peu particulière.
La porte NON modifier
Cette porte est fabriquée avec seulement deux transistors, comme indiqué ci-dessous.
Si on met un 1 en entrée de ce circuit, le transistor du haut va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du bas comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée au zéro volt, et vaut donc 0. Inversement, si on met un 0 en entrée de ce petit montage électronique, le transistor du bas va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du haut comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée à la tension d'alimentation, et vaut donc 1.
Les portes logiques à deux entrées modifier
Passons maintenant aux portes logiques à deux entrées. Pour celles-ci, on devra utiliser plus de transistors, au moins deux par entrée. Il existe plusieurs manières de relier deux transistors, mais celle qui va nous intéresser en premier lieu est la suivante : deux transistors en série, c'est-à-dire l'un à la suite de l'autre. On peut mettre deux transistors PMOS en série ou deux transistors NMOS en série. Il y aura un transistor PMOS par entrée, un NMOS par entrée. Étudions plus en détail les deux cas.
On rappelle que les transistors se ferment si l'entrée vaut 0 pour des transistors PMOS, 1 pour des NMOS. Prenons deux transistors PMOS en série, chacun associé à son entrée. Pour que la connexion se fasse entre tension d'alimentation et sortie, il faudra que les deux transistors se ferment, ce qui demande que les deux entrées soient à 0. C'est la seule possibilité, et cela laisse de côté le cas où une seule entrée est à 0, ainsi que le cas où les deux entrées sont à 1. Pour gérer ces trois cas, il suffit d'inverser une entrée, voire les deux, avec des portes logiques NON.
Avec les transistors NMOS, c'est la même chose. Avec deux transistors NMOS, la connexion est fermée quand les deux entrées sont à 1. On peut gérer les autres cas avec des portes NON. Le tout est illustré ci-dessous.
Mine de rien, avec ces 8 montages de base, on peut créer n'importe quelle porte logique à deux entrées. Nous allons notamment voir dans la section suivante comment faire une porte XOR avec. Il suffit de prendre les 4 montages adéquats par les 8 précédents pour obtenir la porte logique voulue. Rappelons que d'après les règles du CMOS, les deux transistors PMOS se placent entre la tension d'alimentation et la sortie, et servent à mettre la sortie à 1. Pour les deux transistors NMOS, ils sont reliés à la masse et mettent la sortie à 0. Pour mieux comprendre, prenons l'exemple d'une porte XOR.
Un exemple d'application avec la porte XOR modifier
Il est possible de créer une porte XOR en combinant d'autres portes logiques, mais la méthode que je vais expliquer donne un résultat plus économe en circuit, sans compter que la méthode en question marche pour toute porte logique à deux entrées. L'idée est très simple : on prend la table de vérité de la porte logique, et on associe deux transistors en série pour chaque ligne. Regardons d'abord la table de vérité ligne par ligne :
| Entrée 1 | Entrée 2 | Sortie |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
La première ligne a ses deux entrées à 0 et sort un 0. La sortie est à 0, ce qui signifie qu'il faut regarder sur la ligne des transistors NMOS, qui connectent la sortie à la masse. Le montage qui se ferme quand les deux entrées sont à 0 est celui tout en bas à droite du tableau précédent, à savoir deux transistors NMOS avec deux portes NON.
Les deux lignes du milieu ont une entrée à 0 et une à 1, et leur sortie à 1. La sortie à 1 signifie qu'il faut regarder sur la ligne des transistors PMOS, qui connectent la tension d'alimentation à la sortie. Les deux montages avec deux entrées différentes sont les deux situés au milieu, avec deux transistors PMOS et une porte logique.
La dernière ligne a ses deux entrées à 1 et sort un 0. La sortie est à 0, ce qui signifie qu'il faut regarder sur la ligne des transistors NMOS, qui connectent la sortie à la masse. Le montage qui se ferme quand les deux entrées sont à 1 est celui tout en bas à gauche du tableau précédent, à savoir deux transistors NMOS seuls.
En combinant ces quatre montages, on trouve le circuit suivant. Notons qu'il n'y a que deux portes NON marquées en vert et bleu : on a juste besoin d'inverser la première entrée et la seconde, pas besoin de portes en plus. Les portes NOn sont en quelque sorte partagées entre les transistors PMOS et NMOS.
Si les deux entrées sont à 1, alors les deux transistors en bas à gauche vont se fermer et connecter la sortie au 0 volt, les trois autres groupes ayant au moins un transistor ouvert. Si les deux entrées sont à 0, alors les deux transistors en bas à droite vont se fermer et connecter la sortie au 0 volt, les autres quadrants ayant au moins un transistor ouvert. Et pareil quand les deux bits sont différents : un des deux quadrants aura ses deux transistors fermés, alors que les autres auront au moins un transistor ouvert, ce qui connecte la sortie à la tension d'alimentation.
On peut construire la porte NXOR sur la même logique. Et toutes les portes logiques peuvent se construire avec cette méthode. Le nombre de transistors est alors le même : on utilise 12 transistors au total : 4 paires de transistors en série, 4 transistors en plus pour les portes NON. Que ce soit pour la porte XOR ou NXOR, on économise beaucoup de transistors comparés à la solution naïve, qui consiste à utiliser plusieurs portes NON/ET/OU. Si on ne peut pas faire mieux dans le cas de la porte XOR/NXOR, sachez cependant que les autres portes construites avec cette méthode utilisent plus de transistors que nécessaire. De nombreuses simplifications sont possibles, comme on le verra plus bas.
Les portes NAND et NOR modifier
Pour simplifier une porte NOR/NAND en CMOS, on doit câbler les transistors d'une certaine façon. On retrouve des transistors en série (l'un après l'autre, sur le même fil), mais on trouve aussi des transistors en parallèle (sur des fils différents). Le tout est illustré ci-dessous. Les transistors en série ferment la connexion quand toutes les entrées sont à 1 (NMOS) ou 0 (PMOS). A l'inverse, pour les transistors en parallèle, il faut qu'une seule entrée soit à la bonne valeur pour que la connexion se fasse. L'usage de transistors PMOS/NMOS en parallèle permet de faire de nombreuses simplifications.
Une porte NOR met sa sortie à 1 si toutes les entrées sont à 0, à 0 si une seule entrée vaut 1. Pour reformuler, il faut connecter la sortie à la tension d'alimentation si toutes les entrées sont à 0, ce qui demande d'utiliser des transistors PMOS en série. Le second cas (une seule entrée à 1) peut théoriquement se faire en combinant plusieurs transistors en séries : deux NMOS en série pour le cas avec les deux entrées à 1, deux pour le cas où la première entrée est à 1 et l'autre à 0, etc. Mais on peut faire autrement et directement utiliser deux transistors en parallèle. Il y a alors deux cas : soit la première entrée vaut 1, soit l'autre vaut 1. On place alors un transistor NMOS pour chaque possibilité, là encore entre la masse et la sortie.
Le circuit obtenu est donc celui obtenu dans le premier schéma. Le même raisonnement pour une porte NAND donne le second schéma.
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Leur fonctionnement s'explique assez bien si on regarde ce qu'il se passe en fonction des entrées. Suivant la valeur de chaque entrée, les transistors vont se fermer ou s'ouvrir, ce qui va connecter la sortie soit à la tension d'alimentation, soit à la masse.
Voici ce que cela donne pour une porte NAND :
Voici ce que cela donne pour une porte NOR :
Les autres portes logiques : ET/OU/XOR/NXOR modifier
En logique CMOS, les portes logiques ET et OU sont construites en prenant une porte NAND/NOR et en mettant une porte NON sur sa sortie. Il est théoriquement possible d'utiliser uniquement des transistors en série et en parallèle, mais cette solution utilise plus de transistors.
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Avec ces portes, il est possible de créer d'autres portes. Par exemple, on peut construire une porte XOR avec seulement 10 transistors, et non 12 avec la méthode de base.
Les portes logiques à trois entrées ou plus modifier
Tout ce qui a été dit plus haut sur les transistors en série et en parallèle vaut aussi pour les portes logiques à trois entrées ou plus. Il est possible de créer des portes logiques à 3 entrées avec uniquement des paquets de 3 transistors en série, mais c'est rarement une bonne idée. La quasi-totalité de ces portes gagnent à utiliser des transistors en parallèle.
Les portes NAND/NOR/ET/OU à plusieurs entrées modifier
Les portes NOR/NAND à plusieurs entrées sont construites comme les portes ET et OU à deux entrées, mais en rajoutant des transistors. Il y a autant de transistors en série que d'entrée, pareil pour les transistors en parallèle. Leur fonctionnement est similaire à leurs cousines à deux entrées. Les portes ET et OU à plusieurs entrées sont construites à partie de NAND/NOR suivies d'une porte NON.
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En théorie, on pourrait créer des portes avec un nombre arbitraire d'entrées avec cette méthode. Cependant, au-delà d'un certain nombre de transistors en série/parallèle, les performances s'effondrent rapidement. Le circuit devient alors trop lent, sans compter que des problèmes purement électriques surviennent. En pratique, difficile de dépasser la dizaine d'entrées. Dans ce cas, les portes sont construites en assemblant plusieurs portes NAND/NOR ensemble. Et faire ainsi marche nettement mieux pour fabriquer des portes ET/OU que pour des portes NAND/NOR.
On s'attend à ce qu'une porte ET/OU avec beaucoup d'entrées soit construite en combinant plusieurs portes ET/OU. Il existe cependant une alternative qui se marie nettement mieux avec la logique CMOS. Rappelons qu'en logique CMOS, les portes NAND et NOR sont les portes à plusieurs entrées les plus simples à fabriquer. L'idée est alors de combiner des portes NAND/NOR pour créer une porte ET/OU.
Voici la comparaison entre les deux solutions pour une porte ET :
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Voici la comparaison entre les deux solutions pour une porte OU :
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D'autres portes mélangent transistors en série et en parallèle d'une manière différente. Les portes ET-OU-NON et OU-ET-NON en sont un bon exemple.
Les portes ET-OU-NON et OU-ET-NON modifier
Il est possible de créer des portes ET-OU-NON et OU-ET-NON assez simplement en CMOS. La solution la plus simple est de combiner des portes ET et une porte NOR, mais il est possible de faire beaucoup plus simple, comme indiqué dans le schéma ci-dessous.
Le schéma ci-contre montre l'implémentation d'une porte OU-ET-NON, où l'on fait un OU entre les trois premières entrées, avant de faire un ET avec la quatrième, puis un NON sur le résultat. On voit qu'on arrive à se débrouiller avec seulement quatre transistors, ce qui est une sacrée économie comparé à une implémentation naïve avec trois portes logiques.
Le schéma suivant compare l'implémentation d'une porte ET-OU-NON de type 2-1, à savoir qu'elle fait un ET entre les deux premières entrées, puis un NOR entre le résultat du ET et la troisième entrée. L'implémentation à droite du schéma avec une porte ET et une porte NOR prend 10 transistors. L'implémentation la plus simple, à gauche du schéma, prend seulement 6 transistors.
La logique pass transistor logic modifier
La pass transistor logic est une forme particulière de technologie CMOS, une version non-conventionnelle. Avec le CMOS normal, la porte de base est la porte NON. En modifiant celle-ci, on arrive à fabriquer des portes NAND, NOR, puis les autres portes logiques. Les transistors sont conçus de manière à connecter la sortie, soit la tension d'alimentation, soit la masse. Avec la pass transistor logic, le montage de base est un circuit interrupteur, qui fonctionne autrement. Cette version du CMOS a été utilisée dans des processeurs commerciaux, comme dans l'ARM1. Dans la suite du cours, nous verrons quelques circuits qui utilisent cette technologie, mais ils seront rares. Nous l'utiliserons quand nous parlerons des additionneurs, ou les multiplexeurs, guère plus. Mais il est sympathique de savoir que cette technologie existe.
La porte à transmission modifier
Le circuit de base est un interrupteur construit avec deux transistors. Pourquoi ne pas utiliser un seul transistor par interrupteur ? C'est parce que la logique CMOS fait que tout transistor PMOS doit être associé à un transistor NMOS et réciproquement. Donc, deux transistors. Le montage interrupteur de base est appelé une porte à transmission. C'est un petit circuit avec trois entrées : une entrée de commande, une entrée et une sortie. Le circuit peut soit connecter l'entrée et la sortie, soit déconnecter la sortie de l'entrée. Le choix entre les deux dépend de l’entrée de commande. Le montage de base est le suivant :
- Les deux entrées A et /A sont l'inverse l'une de l'autre, ce qui fait qu'il faut en théorie rajouter une porte NON CMOS normale, pour obtenir le circuit complet. Mais dans les faits, on arrive souvent à s'en passer. Ce qui fait que la porte à transmission est définie comme étant le circuit à deux transistors précédents.
Le schéma ci-dessous nous permet de comprendre quels sont les défauts de la pass transistor logic. Il n'y a ni tension d'alimentation, ni masse (O Volts). Par contre, la sortie d'une porte à transmission est alimentée par la tension d'entrée, ce qui fait qu'il n'y a pas d'amplification de la tension d'entrée. Et vu que les transistors ne sont pas parfaits, on a toujours une petite perte de tension en sortie d'une porte à transmission. Le résultat est que si on enchaine les portes à transmission, la tension de sortie a tendance à diminuer, et ce d'autant plus vite qu'on a enchainé de portes à transmission. le résultat est qu'il faut souvent rajouter des portes amplificatrices pour restaurer les tensions adéquates, à divers endroits du circuit. Ces portes amplificatrices sont composées d'une ou de deux portes NON en CMOS normal. La pass transistor logic mélange donc porte NON CMOS normales avec des portes à transmission. De plus, afin de faire des économies de circuit, on n'utilise souvent qu'une seule porte NON CMOS comme amplificateur, ce qui fait que de nombreux signaux sont inversés dans le circuit.
Par contre, ce défaut entraine aussi des avantages. Notamment, la consommation d'énergie est fortement diminuée. Seules les portes amplificatrices, les portes NON CMOS, sont alimentées en tension/courant. Le reste des circuits n'est pas alimenté, car il n'y a pas de connexion à la tension d'alimentation et la masse.
Les portes à transmission sont très utilisés dans certains circuits très communs, que nous aborderons dans quelques chapitres, comme les multiplexeurs ou les démultiplexeurs.
La porte XOR en pass transistor logic modifier
Il est facile d'implémenter une porte XOR avec des portes à transmission. Cela demande deux portes à transmission, plus quelques portes NON, pas plus.
La version précédente est une porte XOR où les signaux d'entrée sont doublés : on a le bit d'entrée original, et son inverse. C'est quelque chose de fréquent dans les circuits en pass transistor logic, où les signaux/bits sont doublés. Mais il est possible de créer des versions normales, sans duplication des bits d'entrée. La solution la plus simple de rajouter deux portes NON, pour inverser les deux entrées. Le circuit passe donc de 4 à 8 transistors, ce qui reste peu. Mais on peut ruser, ce qui donne le circuit ci-dessous. Comme vous pouvez les voir, il mélange porte à transmission et portes NON CMOS normales.
Dans les deux cas, l'économie en transistors est drastique comparé au CMOS normal. Plus haut, nous avons illustré plusieurs versions possibles d'une porte XOR en CMOS normal, toutes de 12 transistors. Ici, on va de 6 transistors maximum, à seulement 4 ou 5 pour les versions plus simples. Le gain est clairement significatif, suffisamment pour que les circuits avec beaucoup de portes XOR gagnent à être implémentés avec la pass transistor logic.
Les technologies PMOS et NMOS modifier
Dans ce qui va suivre, nous allons voir la technologie NMOS et POMS. Pour simplifier, la technologie NMOS est équivalente aux circuits CMOS, sauf que les transistors PMOS sont remplacés par une résistance. Pareil avec la technologie PMOS, sauf que c'est les transistors NMOS qui sont remplacés par une résistance. Les deux technologies étaient utilisées avant l'invention de la technologie CMOS, quand on ne savait pas comment faire pour avoir à la fois des transistors PMOS et NMOS sur la même puce électronique, mais sont aujourd'hui révolues. Nous en parlons ici, car nous évoquerons quelques circuits en PMOS/NMOS dans le chapitre sur les cellules mémoire, mais vous pouvez considérer que cette section est facultative.
Le fonctionnement des logiques NMOS et PMOS modifier
Avec la technologie NMOS, les portes logiques sont fabriqués avec des transistors NMOS intercalés avec une résistance.
Leur fonctionnement est assez facile à expliquer. Quand la sortie doit être à 1, tous les transistors sont ouverts. La sortie est connectée à la tension d'alimentation et déconnectée de la masse, ce qui fait qu'elle est mise à 1. La résistance est là pour éviter que le courant qui arrive dans la sortie soit trop fort. Quand au moins un transistor NMOS qui se ferme, il connecte l'alimentation à la masse, les choses changent. Les lois compliquées de l'électricité nous disent alors que la sortie est connectée à la masse, elle est donc mise à 0.
Les circuits PMOS sont construits d'une manière assez similaire aux circuits CMOS, si ce n'est que les transistors NMOS sont remplacés par une résistance qui relie ici la masse à la sortie. Rien d'étonnant à cela, les deux types de transistors, PMOS et NMOS, ayant un fonctionnement inverse.
Les portes logiques en NMOS et PMOS modifier
Que ce soit en logique PMOS ou NMOS, les portes de base sont les portes NON, NAND et NOR. Les autres portes sont fabriquées en combinant des portes de base. Voici les circuits obtenus en NMOS et PMOS:
| NMOS | ||||
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| PMOS | ||||
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Les portes logiques de base en NMOS modifier
Le circuit d'une porte NON en technologie NMOS est illustré ci-dessous. Le principe de ce circuit est similaire au CMOS, avec quelques petites différences. Si on envoie un 0 sur la grille du transistor, il s'ouvre et connecte la sortie à la tension d'alimentation à travers la résistance. À l'inverse, quand on met un 1 sur la grille, le transistor se ferme et la sortie est reliée à la masse, donc mise à 0. Le résultat est bien un circuit inverseur.
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La porte NOR est similaire à la porte NON, si ce n'est qu'il y a maintenant deux transistors en parallèle. Si l'une des grilles est mise à 1, son transistor se fermera et la sortie sera mise à 0. Par contre, quand les deux entrées sont à 0, les transistors sont tous les deux ouverts, et la sortie est mise à 1. Le comportement obtenu est bien celui d'une porte NOR.
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La porte NAND fonctionne sur un principe similaire au précédent, si ce n'est qu'il faut que les deux grilles soient à zéro pour obtenir une sortie à 1. Pour mettre la sortie à 0 quand seulement les deux transistors sont ouverts, il suffit de les mettre en série, comme dans le schéma ci-dessous. Le circuit obtenu est bien une porte NAND.
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Les avantages et inconvénients des technologies CMOS, PMOS et NMOS modifier
La technologie PMOS et NMOS ne sont pas totalement équivalentes, niveau performances. Ces technologies se distinguent sur plusieurs points : la vitesse des transistors et leur consommation énergétique.
La vitesse des circuits NMOS/PMOS/CMOS dépend des transistors eux-mêmes. Les transistors PMOS sont plus lents que les transistors NMOS, ce qui fait que les circuits NMOS sont plus rapides que les circuits PMOS. Les circuits CMOS ont une vitesse intermédiaire, car ils contiennent à la fois des transistors NMOS et PMOS.
Pour la consommation électrique, les résistances sont plus goumandes que les transistors. En PMOS et NMOS, la résistance est traversée par du courant en permanence, peu importe l'état des transistors. Et résistance traversée par du courant signifie consommation d'énergie, dissipée sous forme de chaleur par la résistance. Il s'agit d'une perte sèche d'énergie, une consommation d'énergie inutile. En CMOS, l'absence de résistance fait que la consommation d'énergie est liée aux transistors, et celle-ci est beaucoup plus faible que pour une résistance.
Les transistors PMOS sont plus simples à fabriquer que les NMOS, ils sont plus simples à sortir d'usine. Les premiers processeurs étaient fabriqués en logique PMOS, plus simple à fabriquer. Puis, une fois la fabrication des circuits NMOS maitrisée, les processeurs sont tous passés en logique NMOS du fait de sa rapidité. La logique CMOS a mis du temps à remplacer les logiques PMOS et NMOS, car il a fallu maitriser les techniques pour mettre à la fois des transistors NMOS et PMOS sur la même puce. Les premières puces électroniques étaient fabriquées en PMOS ou en NMOS, parce qu'on n’avait pas le choix. Mais une fois la technologie CMOS maitrisée, elle s'est imposée en raison de deux gros avantages : une meilleure fiabilité (une meilleure tolérance au bruit électrique), et une consommation électrique plus faible.
La logique TTL : quelques remarques superficielles modifier
Tous ce que nous avons vu depuis le début de ce chapitre porte sur les transistors MOS et les technologies associées. Mais les transistors MOS n'ont pas été les premiers inventés. Ils ont été précédés par les transistors bipolaires. Nous ne parlerons pas en détail du fonctionnement d'un transistor bipolaire, car celui-ci est extraordinairement compliqué. Cependant, nous devons parler rapidement de la logique TTL, qui permet de fabriquer des portes logiques avec ces transistors bipolaires. Là encore, rassurez-vous, nous n'allons pas voir comment fabriquer des portes logiques en logique TTL, cela serait trop compliqué, sans compter que le but n'est pas de faire un cours d'électronique. Mais nous devons fait quelques remarques et donner quelques explications superficielles.
La raison à cela est double. La première raison est que certains circuits présents dans les mémoires RAM sont fabriqués avec des transistors bipolaires. C'est notamment le cas des amplificateurs de lecture ou d'autres circuits de ce genre. De tels circuits ne peuvent pas être implémentés facilement avec des transistors CMOS et nous expliquerons rapidement pourquoi dans ce qui suit. La seconde raison est que ce cours parlera occasionnellement de circuits anciens et qu'il faut quelques bases sur le TTL pour en parler.
Dans la suite du cours, nous verrons occasionnellement quelques circuits anciens, pour la raison suivante : ils sont très simples, très pédagogiques, et permettent d'expliquer simplement certains concepts du cours. Rien de mieux que d'étudier des circuits réels pour donner un peu de chair à des explications abstraites. Par exemple, pour expliquer comment fabriquer une unité logique de calcul bit à bit, je pourrais utiliser l'exemple du Motorola MC14500B, un processeur 1 bit qui est justement une unité logique sous stéroïdes. Ou encore, dans le chapitre sur les circuits additionneurs, je parlerais du circuit additionneur présent dans l'Intel 8008 et dans l'Intel 4004, les deux premiers microprocesseurs commerciaux. Malheureusement, malgré leurs aspects pédagogiques indéniables, ces circuits ont le défaut d'être des circuits TTL. Ce qui est intuitif : les circuits les plus simples ont été inventés en premier et utilisent du TTL plus ancien. Beaucoup de ces circuits ont été inventés avant même que le CMOS ou même les transistors MOS existent. D'où le fait que nous devons faire quelques explications mineures sur le TTL.
Les transistors bipolaires modifier
Les transistors bipolaires ressemblent beaucoup aux transistors MOS. Les transistors bipolaires ont trois broches, appelées le collecteur, la base et l'émetteur. Notez que ces trois termes sont différents de ceux utilisés pour les transistors MOS, où on parle de la grille, du drain et de la source.
Là encore, comme pour les transistors PMOS et NMOS, il existe deux types de transistors bipolaires : les NPN et les PNP. Là encore, il est possible de fabriquer une puce en utilisant seulement des NPN, seulement des PNP, ou en mixant les deux. Mais les ressemblances s'arrêtent là. La différence entre PNP et NPN tient dans la manière dont les courants entrent ou sortent du transistor. La flèche des symboles ci-dessous indique si le courant rentre ou sort par l'émetteur : il rentre pour un PNP, sort pour un NPN. Dans la suite du cours, nous n'utiliserons que des transistors NPN, les plus couramment utilisés.
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Plus haut nous avons dit que les transistors CMOS sont des interrupteurs. La réalité est que tout transistor peut être utilisé de deux manières : soit comme interrupteur, soit comme amplificateur de tension/courant. Pour simplifier, le transistor bipolaire NPN prend en entrée un courant sur sa base et fournit un courant amplifié sur l'émetteur. Pour s'en servir comme amplificateur, il faut fournir une source de courant sur le collecteur. Le fonctionnement exact est cependant plus compliqué.
Les transistors bipolaires sont de bons amplificateurs, mais de piètres interrupteurs. A l'inverse, les transistors CMOS sont généralement de bons interrupteurs, mais de moyens amplificateurs. Pour des circuits numériques, la fonction d'interrupteur est clairement plus adaptée, car elle-même binaire (un transistor est fermé ou ouvert : deux choix possibles). Aussi, les circuits modernes privilégient des transistors CMOS aux transistors bipolaires. A l'inverse, la fonction d'amplification est adaptée aux circuits analogiques.
C'est pour ça que nous rencontrerons les transistors bipolaires soit dans des portions de l'ordinateur qui sont au contact de circuits analogiques. Pensez par exemple aux cartes sons ou au vieux écrans cathodiques, qui gèrent des signaux analogiques (le son pour la carte son, les signaux vidéo analogique pour les vieux écrans). On les croisera aussi dans les mémoires DRAM, dont la conception est un mix entre circuits analogiques et numériques. Nous les croiserons aussi dans de vieux circuits antérieurs aux transistors MOS. Les anciens circuits faisaient avec les transistors bipolaires car ils n'avaient pas le choix, mais ils ont été partiellement remplacés dès l'apparition des transistors CMOS.
Les portes logiques complexes en TTL modifier
Le détail le plus important qui nous concernera dans la suite du cours est le suivant : on peut créer des portes logiques exceptionnellement complexes en TTL. Pour comprendre pourquoi, sachez qu'il existe des transistors bipolaires qui possèdent plusieurs émetteurs. Ils sont très utilisés pour fabriquer des portes logiques à plusieurs entrées. Les émetteurs correspondent alors à des entrées de la porte logique. Ainsi, une porte logique à plusieurs entrées se fait non pas en ajoutant des transistors, comme c'est le cas avec les transistors MOS, mais en ajoutant un émetteur sur un transistor. Cela permet à une porte NAND à trois entrées de n'utiliser que deux transistors bipolaires, au lieu de quatre transistors MOS.
De plus, là où les logiques PMOS/NMOS/CMOS permettent de fabriquer les portes de base que nous avons précédemment, elles ne peuvent pas faire plus. Au pire, on peut implémenter des portes ET/OU/NAND/NOR à plusieurs entrées, mais pas plus. En TTL, on peut parfaitement créer des portes de type ET/OU/NON ou OU/ET/NON, avec seulement quatre transistors. Par exemple, une porte ET/OU/NON de type 2-2 entrées (pour rappel, qui effectue un ET par paire d’entrée puis fait un NOR entre le résultat des deux ET) est bien implémenté en une seule porte logique, pas en enchainant deux ou trois portes à la suite.
Les désavantages et avantages des circuits TTL modifier
Pour résumer, le TTL à l'avantage de pouvoir fabriquer des portes logiques avec peu de transistors comparé au CMOS, surtout pour les portes logiques complexes. Et autant vous dire que les concepteurs de puce électroniques ne se gênaient pas pour utiliser ces portes complexes, capables de fusionner 3 à 5 portes en une seule : les économies de transistors étaient conséquentes.
Et pourtant, les circuits TTL étaient beaucoup plus gros que leurs équivalents CMOS. La raison est qu'un transistor bipolaire prend beaucoup de place : il est environ 10 fois plus gros qu'un transistor MOS. Autant dire que les économies réalisées avec des portes logiques complexes ne faisaient que compenser la taille énorme des transistors bipolaires. Et encore, cette compensation n'était que partielle, ce qui fait que les circuits PMOS/NMOS/CMOS se miniaturisent beaucoup plus facilement. Un avantage pour le transistor MOS !
De plus, les schémas précédents montrent que les portes logiques en TTL utilisent une résistance, elle aussi difficile à miniaturiser. Et cette résistance est parcourue en permanence par un courant, ce qui fait qu'elle consomme de l'énergie et chauffe. C'est la même chose en logique NMOS et PMOS, ce qui explique leur forte consommation d'énergie. Les circuits TTL ont donc le même problème.
Un autre défaut est lié à la une tension d'alimentation. Les circuits TTL utilisent une tension d'alimentation de 5 volts, alors que les circuits CMOS ont une tension d'alimentation beaucoup plus variable. Les circuits CMOS vont de 3 volts à 18 volts pour les circuits commerciaux, avec des tensions de 1 à 3 volts pour les circuits optimisés. Les circuits CMOS sont généralement bien optimisés et utilisent une tension d'alimentation plus basse que les circuits TTL, ce qui fait qu'ils consomment moins d'énergie et de courant.
De plus, rappelons que coder un zéro demande que la tension soit sous un seuil, alors que coder un 1 demande qu'elle dépasse un autre seuil, avec une petite marge de sécurité entre les deux. Les seuils en question sont indiqués dans le diagramme ci-dessous. Il s'agit des seuils VIH et VIL. On voit que sur les circuits TTL, la marge de sécurité est plus faible qu'avec les circuits CMOS. De plus, les marges sont bien équilibrées en CMOS, à savoir que la marge de sécurité est en plein milieu entre la tension max et le zéro volt. Avec le TTL normal, la marge de sécurité est très proche du zéro volt. Un 1 est codé par une tension entre 2 et 5 volts en TTL ! Une version améliorée du TTL, le LVTTL, corrige ce défaut. Elle baisse la tension d'alimentation à 3,3 Volts, mais elle demande des efforts de fabrication conséquents.
