منطق رباعي المراحل

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

المنطق رباعي الأطوار هو نوع من أنواع المنطق الديناميكي ومنهجية تصميم له . وقد مكّن المهندسين غير المتخصصين من تصميم دوائر متكاملة معقدة للغاية ، باستخدام عمليات PMOS أو NMOS . ويستخدم إشارة ساعة رباعية الأطوار لتنظيم توصيل الطاقة وتحسين زمن التبديل لترانزستورات MOS. [ 1 ] [ 2 ]

تاريخ

ابتكر آر كي "بوب" بوهر، وهو مهندس في شركة أوتونيتكس ، منطقًا رباعي الأطوار، وعرض الفكرة على فرانك وانلاس في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ؛ فقام وانلاس بالترويج لهذا النوع من المنطق في قسم الإلكترونيات الدقيقة في شركة جنرال إنسترومنت . [ 3 ] صنع بوهر أول شريحة عاملة رباعية الأطوار، وهي مُكامل DDA من أوتونيتكس ، خلال شهر فبراير من عام 1966؛ وصمم لاحقًا العديد من الشرائح، وبنى حاسوب أوتونيتكس D200 المحمول جوًا باستخدام هذه التقنية. [ 4 ]

في أبريل 1967، نشر جويل كارب وإليزابيث دي أتلي مقالًا بعنوان "استخدام منطق الدوائر المتكاملة MOS رباعي الأطوار" في مجلة التصميم الإلكتروني . [ 5 ] وفي العام نفسه، نشر كوهين وروبنشتاين ووانلاس بحثًا بعنوان "أنظمة الساعة MTOS رباعية الأطوار". [ 6 ] وكان وانلاس يشغل منصب مدير البحث والهندسة في قسم الإلكترونيات الدقيقة في شركة جنرال إنسترومنت في نيويورك منذ مغادرته شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات عام 1964.

ألقى لي بويسل ، أحد تلاميذ وانلاس [ 7 ] ومصمم في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، ومؤسس شركة فور-فيز سيستمز لاحقًا ، محاضرةً بعنوان "آخر الأخبار" حول جهاز جمع رباعي الأطوار ذي 8 بتات في أكتوبر 1967 في اجتماع الأجهزة الإلكترونية الدولي. [ 8 ] كما كتب جيه. إل  .  سيلي، مدير عمليات MOS في قسم الإلكترونيات الدقيقة لشركة جنرال إنسترومنت، عن منطق رباعي الأطوار في أواخر عام 1967. [ 9 ]

في عام 1968، نشر بويسل مقالًا بعنوان "جامع على شريحة: الدوائر المتكاملة واسعة النطاق تساعد في خفض تكلفة الآلات الصغيرة" في مجلة إلكترونيكس ؛ [ 10 ] كما نُشرت في ذلك العام أوراق بحثية عن الدوائر المتكاملة رباعية المراحل من تأليف واي.  تي. ين. [ 11 ] [ 12 ] وتلتها أوراق بحثية أخرى بعد فترة وجيزة. [ 13 ] 

يتذكر بويسل أن المنطق الديناميكي رباعي المراحل سمح له بتحقيق كثافة تعبئة أكبر بعشر مرات، وسرعة أكبر بعشر مرات، واستهلاك طاقة أقل بعشر مرات مقارنة بتقنيات MOS الأخرى المستخدمة في ذلك الوقت ( منطق PMOS ذو البوابة المعدنية المشبعة )، باستخدام عملية MOS من الجيل الأول في شركة فيرتشايلد. [ 14 ]

بناء

يوجد نوعان من البوابات المنطقية: بوابة "1" وبوابة "3". ويكمن الاختلاف بينهما في مراحل الساعة المستخدمة لتشغيلهما. يمكن أن تؤدي البوابة أي وظيفة منطقية، وبالتالي، من الممكن أن يكون لكل بوابة تصميم مخصص. يوضح الشكل أدناه مثالاً على بوابة NAND ثنائية المدخلات من النوع "1" وبوابة  عاكسة من النوع "3"  ، بالإضافة إلى مراحل الساعة الخاصة بهما (يستخدم هذا المثال ترانزستورات NMOS).

يجب ألا تتداخل إشارات الساعة Φ1 وΦ3، وكذلك إشارات الساعة Φ2 وΦ4. عند النظر إلى  البوابة 1، خلال فترة ارتفاع إشارة الساعة Φ1 (المعروفة أيضًا بفترة الشحن المسبق )، يتم شحن المكثف C مسبقًا إلى V(Φ1)  −  Vth ، حيث يمثل Vth عتبة ترانزستور الشحن المسبق. خلال ربع دورة الساعة التالية ( فترة أخذ العينات )، عندما تكون إشارة الساعة Φ1 منخفضة، وإشارة الساعة Φ2 مرتفعة، إما أن تبقى إشارة المكثف C مرتفعة (إذا كانت إشارة A أو B منخفضة) أو يتم تفريغها إلى مستوى منخفض (إذا كانت إشارة A وB مرتفعة).

يجب أن تكون مدخلات A وB مستقرة طوال فترة أخذ العينات هذه. يصبح المخرج C صالحًا خلال هذه الفترة، وبالتالي، لا يمكن لمخرج بوابة 1 أن يُغذي مدخلات بوابة  1 أخرى . لذا ، يجب أن تُغذي بوابات 1 بوابات 3، وهذه بدورها تُغذي بوابات 1.    

هناك أمر آخر مفيد – البوابتان 2 و 4. تقوم البوابة 2 بشحن مسبق على Φ1 وأخذ عينات على Φ3:

و 4 عمليات شحن مسبقة للبوابة على Φ3 وعينات على Φ1.

قواعد ربط البوابات هي:  يمكن لبوابة واحدة تشغيل  بوابتين و/أو 3  بوابات؛  يمكن لبوابتين تشغيل 3  بوابات فقط؛  يمكن لـ 3 بوابات تشغيل 4  بوابات و/أو  بوابة واحدة؛  يمكن لـ 4 بوابات تشغيل  بوابة واحدة فقط:

الاستخدام

يعمل المنطق رباعي الأطوار بكفاءة عالية؛ وعلى وجه الخصوص، لا توجد مخاطر تضارب الإشارات لأن كل بوابة منطقية توافقية تتضمن مسجلاً. ومن الجدير بالذكر أن هذا التصميم لا يتطلب توصيل أي مصادر طاقة عبر ناقل ، بل يتم توصيل خطوط الساعة فقط. كما أن تقنية التصميم هذه لا تعتمد على النسب (على عكس المنطق الثابت )، مما يسمح للعديد من التصاميم باستخدام ترانزستورات صغيرة الحجم. 

هناك بعض الصعوبات:

  • مخرج البوابة ديناميكي، أي أن حالته تُحفظ على مكثف عند مخرج البوابة. لكن مسار المخرج قد يتقاطع مع خطوط الساعة ومخارج البوابات الأخرى، ما قد يُغير شحنة المكثف. ولضمان بقاء جهد مخرج البوابة عند مستوى آمن (0 أو 1) خلال الدورة، يجب حساب مقدار التغيير، وإذا لزم الأمر، إضافة سعة (انتشار) إضافية إلى عقدة المخرج.
  • بالنسبة لجهد تغذية محدد، وعملية تصنيع، وتردد ساعة معين، يتعين على المصمم إجراء بعض الحسابات لتمكين مهندسي التخطيط من إجراء حساباتهم الخاصة لتحديد سعة المكثفات الإضافية اللازمة لكل بوابة. قد تحتاج البوابة ذات سعة المكثفات العالية إلى ترانزستورات إدخال أكبر من الحد الأدنى (لضمان تفريغ الحمل في الوقت المناسب). وهذا بدوره يزيد الحمل على البوابات التي تُشغّل مداخل تلك البوابة. لذا، قد يحدث، خاصة في التصاميم عالية التردد، أن يستمر حجم البوابة في الازدياد إذا كان هدف السرعة مرتفعًا للغاية.

استخدمت أول آلة حاسبة إلكترونية بُنيت باستخدام الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (LSI)، وهي آلة شارب QT-8D من عام 1969، منطقًا رباعي الأطوار، والذي صنعته شركة روكويل الدولية لأن اليابان لم تكن تمتلك آنذاك تقنية LSI اللازمة لتصنيعه محليًا. [ 15 ] كما تم النظر في استخدام منطق رباعي الأطوار في معالج إنتل 4004 ، ولكن روكويل وحدها كانت تمتلك أدوات التصميم والخبرة اللازمة لتصنيع دوائر متكاملة واسعة النطاق رباعية الأطوار في ذلك الوقت، لذا استقرت إنتل على منطق ديناميكي ثنائي الأطوار بدلاً من ذلك. [ 16 ]

تطور

مع ظهور تقنية CMOS ، أصبح من الممكن استبدال ترانزستور الشحن المسبق بترانزستور منطقي مكمل، مما يسمح بشحن خرج البوابة بسرعة إلى مستوى عالٍ من خط الساعة، وبالتالي تحسين السرعة، ونطاق الإشارة، واستهلاك الطاقة، وهامش الضوضاء. تُستخدم هذه التقنية في منطق الدومينو .

مراجع

  1. ↑ "تحميل Bootstrap" . www.intel4004.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 مايو 2025 .
  2. ↑ وورستيل، إيرل (1 يناير 1969). "التصميم الأساسي لدوائر MOSFET المتكاملة الرقمية رباعية الأطوار" . رسائل الماجستير .
  3. ↑ باسيت، روس نوكس (2007). إلى العصر الرقمي: مختبرات الأبحاث، والشركات الناشئة، وصعود تقنية MOS . مطبعة جامعة جونز هوبكنز. الصفحات 129-130 . ISBN  978-0-8018-8639-3.
  4. ↑ بوهر، ر. (1968). "حاسوب MOS GP" . وقائع مؤتمر الخريف المشترك للحاسوب لعام 1968. ص 877. doi : 10.1109/AFIPS.1968.126 . مؤرشف من الأصل في 29 يونيو 2011. 
  5. ↑ كارب، ج.؛ ديتلي، إي. (1967). "استخدام منطق الدوائر المتكاملة MOS رباعي الأطوار". التصميم الإلكتروني . 15 (7): 62-66 .فين، برنارد؛ باد، روبرت؛ تريشلر، هيلموت (2000). كشف الإلكترونيات . مطبعة سي آر سي. ص  133. ISBN 978-90-5823-057-7.
  6. ↑ كوهين، ل.؛ روبنستين، ر.؛ وانلاس، ف. (1-3 نوفمبر 1967)، "أنظمة الساعة رباعية المراحل MTOS"، سجل اجتماع شمال شرق الولايات المتحدة لأبحاث وهندسة الإلكترونيات (NEREM) ، المجلد 9، الصفحات 170-171  .
  7. ↑ باسيت، روس نوكس (2007). إلى العصر الرقمي: مختبرات الأبحاث، والشركات الناشئة، وصعود تقنية MOS . مطبعة جامعة جونز هوبكنز. ص 122. ISBN  978-0-8018-8639-3.
  8. ↑ بويسل، ل.؛ كيلي، ج.؛ كول، ر. (أكتوبر 1967)، "مُجمِّع متوازي 8 بت بتقنية MOS/LSI"، المؤتمر الدولي لأجهزة الإلكترونيات (IEDM) ، المجلد 15، العدد 6، الصفحات 2-3 ، رمز Bibcode : 1968ITED...15..410B ، doi : 10.1109/T-ED.1968.16205   
  9. ↑ سيلي، جيه إل (مارس 1967). "تطورات في أحدث تقنيات أجهزة MOS" . تكنولوجيا الحالة الصلبة . 10 : 55-62 . ISBN 9780070231498.
  10. ↑ بويسل، لي ل. (18 مارس 1968). "جامع على شريحة: الدوائر المتكاملة واسعة النطاق تساعد في خفض تكلفة الآلات الصغيرة". الإلكترونيات . 41 (6): 119-123 . ISSN 0013-5070 . 
  11. ↑ ين، واي تي (سبتمبر 1968). "نموذج رياضي يصف دوائر MOS رباعية الأطوار لمحاكاة المنطق". معاملات IEEE للحواسيب (9): C-17. doi : 10.1109/TC.1968.229140 . S2CID 27138705 . 
  12. ↑ ين، واي تي (يونيو 1969). "مشاكل الأعطال المتقطعة في دوائر MOS رباعية الأطوار". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . SC-4 (3): 107-110 . Bibcode : 1969IJSSC...4..107 . doi : 10.1109/JSSC.1969.1049972 .
  13. ↑ هات، آر جيه؛ جاكيتس، إيه إي؛ جارفيس، دي بي (مايو 1969). "دوائر منطقية رباعية الأطوار باستخدام ترانزستورات MOSFET المتكاملة". مولارد للاتصالات التقنية (99). الرقم الدولي الموحد للدوريات 0027-3139 . OCLC 2448783 .  
  14. ↑ بويسل، لي (12 أكتوبر 2007). "كيفية تحقيق مليونك الأول (ونصائح أخرى لرواد الأعمال الطموحين)" . جامعة ميشيغان، قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب / تسجيلات قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب . مؤرشف من الأصل في 15 نوفمبر 2012.
  15. ↑ "Sharp QT-8D" . آلات حاسبة عتيقة.
  16. ↑ "المنهجية الجديدة لتصميم المنطق العشوائي المستخدمة في معالج 4004 وجميع معالجات إنتل الدقيقة المبكرة: منهجية تصميم البوابات السيليكونية" . معالج إنتل 4004 وتقنية البوابات السيليكونية .