Войти
A логический вентиль является идеализированным или физическим электронное устройство, реализующее логическую функцию, логическую операцию, выполняемую на одном или нескольких двоичных входах, которая производит один двоичный выход. В зависимости от контекста, термин может относиться к идеальному логическому элементу, который имеет, например, нулевое время нарастания и неограниченное разветвление, или он может относятся к неидеальному физическому устройству (см. Идеальные и реальные операционные усилители для сравнения).
Логические вентили в основном реализованы с использованием диодов или транзисторов, действующих как электронные переключатели, но также могут быть сконструированы с использованием электронных ламп, электромагнитные реле (релейная логика ), жидкостная логика, пневматическая логика, оптика, молекулы или даже механические элементы. С усилением логические вентили можно каскадировать так же, как могут быть составлены булевы функции, что позволяет построить физическую модель всей логики и, следовательно, всех алгоритмов и математики., который можно описать с помощью булевой логики.
Логические схемы включают такие устройства, как мультиплексоры, регистры, арифметико-логические блоки (ALU) и компьютерная память, вплоть до полных микропроцессоров , которые могут содержать более 100 миллионов вентилей. В современной практике большинство затворов состоит из полевых МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов ).
Составные логические вентили И-ИЛИ-Инвертировать (AOI) и ИЛИ-И-Инвертировать (OAI) часто используются в схемотехнике, поскольку их конструкция с использованием полевых МОП-транзисторов проще и эффективнее, чем сумма отдельных вентилей.
В обратимой логике используются вентили Тоффоли.
A функционально завершенная логика Система может состоять из реле, клапанов (вакуумные лампы) или транзисторов. В простейшем семействе логических вентилей используются биполярные транзисторы, и оно называется резисторно-транзисторной логикой (RTL). В отличие от простых логических вентилей на диодах (которые не имеют элемента усиления), вентили RTL можно каскадировать бесконечно для создания более сложных логических функций. Затворы RTL использовались в ранних интегральных схемах. Для более высокой скорости и лучшей плотности резисторы, используемые в RTL, были заменены диодами, что привело к диодно-транзисторной логике (DTL). Транзисторно-транзисторная логика (TTL) затем вытеснила DTL. По мере того, как интегральные схемы становились более сложными, биполярные транзисторы были заменены меньшими полевыми транзисторами (MOSFETs ); см. PMOS и NMOS. Для дальнейшего снижения энергопотребления в большинстве современных микросхем цифровых систем используется логика CMOS. КМОП использует дополнительные (как n-канальные, так и p-канальные) полевые МОП-транзисторы для достижения высокой скорости при низком рассеянии мощности.
Для маломасштабной логики разработчики теперь используют готовые логические вентили из семейств устройств, таких как TTL 7400 series от Texas Instruments, CMOS 4000 серии от RCA и их более поздние потомки. Все чаще эти логические вентили с фиксированной функцией заменяются программируемыми логическими устройствами, которые позволяют разработчикам упаковать множество смешанных логических вентилей в единую интегральную схему. Программируемая природа устройств с программируемой логикой, таких как FPGA, снизила «жесткость» аппаратных средств; теперь возможно изменить логическую схему аппаратной системы, перепрограммировав некоторые из ее компонентов, что позволяет изменять характеристики или функции аппаратной реализации логической системы. Другие типы логических вентилей включают, но не ограничиваются:
| Семейство логических схем | Сокращение | Описание |
|---|---|---|
| Диодная логика | DL | |
| Туннельная диодная логика | TDL | Точно так же, как диодная логика, но может работать с более высокой скоростью. |
| Неоновая логика | NL | Использует неоновые лампы или трехэлементные неоновые триггерные лампы для выполнения логики. |
| Диодная логика с сердечником | CDL | Выполняется с помощью полупроводниковых диодов и небольших ферритовых тороидальных сердечников для умеренной скорости и умеренного уровня мощности. |
| 4Layer Device Logic | 4LDL | Использует тиристоры и тиристоры для выполнения логических операций там, где требуется высокий ток или высокое напряжение. |
| Транзисторная логика с прямой связью | DCTL | Использует транзисторы, переключающиеся между состояниями насыщения и отсечки для выполнения логики. Транзисторы требуют тщательно контролируемых параметров. Экономичен, потому что требуется несколько других компонентов, но он подвержен шуму из-за более низких уровней напряжения. Часто считается отцом современной логики TTL. |
| Металл-оксид-полупроводник логика | MOS | Использует MOSFET (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник), основу для большинства современных логические ворота. Семейство логики MOS включает в себя логику PMOS, логику NMOS, дополнительную MOS (CMOS) и BiCMOS (биполярную CMOS). |
| Логика токового режима | CML | Использует транзисторы для выполнения логики, но смещение осуществляется от источников постоянного тока, чтобы предотвратить насыщение и обеспечить чрезвычайно быстрое переключение. Имеет высокую помехозащищенность, несмотря на довольно низкие логические уровни. |
| Клеточный автомат с квантовыми точками | QCA | Использует туннелируемые q-биты для синтеза двоичных логических битов. Электростатическая сила отталкивания между двумя электронами в квантовых точках задает конфигурации электронов (которые определяют логическое состояние 1 высокого уровня или логическое состояние 0 низкого уровня) при соответствующих поляризациях. Это метод бестранзисторного, бестокового и бессереходного бинарного логического синтеза, обеспечивающий очень высокую скорость работы. |
Электронные логические вентили значительно отличаются от своих релейно-переключающих эквивалентов. Они намного быстрее, потребляют гораздо меньше энергии и намного меньше (в большинстве случаев в миллион раз или больше). Также есть принципиальное конструктивное отличие. Схема переключателя создает непрерывный металлический путь для прохождения тока (в любом направлении) между входом и выходом. С другой стороны, полупроводниковый логический вентиль действует как усилитель с высоким усилением напряжением , который потребляет крошечный ток на своем входе и производит низкий импедансное напряжение на его выходе. Ток не может проходить между выходом и входом полупроводникового логического элемента.
Еще одно важное преимущество стандартизированных семейств логики интегральных схем, таких как семейства 7400 и 4000, заключается в том, что они могут быть включены в каскад. Это означает, что выход одного элемента может быть подключен к входам одного или нескольких других элементов и так далее. Системы с различной степенью сложности могут быть построены без особого беспокойства разработчика о внутренней работе затворов при условии учета ограничений каждой интегральной схемы.
Выход одного элемента может управлять только конечным числом входов для других элементов, это число называется «разветвлением пределом». Кроме того, всегда существует задержка, называемая «задержкой распространения », от изменения входа логического элемента до соответствующего изменения его выхода. Когда вентили каскадированы, общая задержка распространения приблизительно равна сумме отдельных задержек, что может стать проблемой в высокоскоростных цепях. Дополнительная задержка может быть вызвана, когда к выходу подключено много входов, из-за распределенной емкости всех входов и проводки и конечной величины тока, которую может обеспечить каждый выход.
двоичная система счисления была усовершенствована Готфридом Вильгельмом Лейбницем (опубликовано в 1705 году) под влиянием древних Двоичная система И Цзин. Лейбниц установил, что использование двоичной системы объединяет принципы арифметики и логики.
. В письме 1886 года Чарльз Сандерс Пирс описал, как логические операции могут выполняться электрическими средствами. коммутационные схемы. В конце концов, электронные лампы заменили реле для логических операций. Модификация Ли Де Фореста в 1907 году клапана Флеминга может использоваться как логический вентиль. Людвиг Витгенштейн представил версию 16-строчной таблицы истинности как предложение 5.101 из Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Вальтер Боте, изобретатель схемы совпадений, получил часть Нобелевской премии 1954 по физике за первый современный электронный логический элемент И в 1924 году. Конрад Цузе спроектировал и построил электромеханические логические вентили для своего компьютера Z1 (с 1935–38).
С 1934 по 1936 год инженер NEC Акира Накашима представил теорию коммутационных схем в серии статей, показывающих, что двузначное Булева алгебра, которую он открыл независимо, может описывать работу коммутационных схем. Его работу позже цитировал Клод Э. Шеннон, который в 1937 году подробно остановился на использовании булевой алгебры в анализе и проектировании коммутационных схем. Использование этого свойства электрических переключателей для реализации логики является фундаментальной концепцией, которая лежит в основе всех электронных цифровых компьютеров. Теория коммутационных схем стала основой конструкции цифровых схем, поскольку она стала широко известна в сообществе электротехников во время и после Второй мировой войны, с теоретической строгостью, вытесняющей специальные методы, которые
Логика металл-оксид-полупроводник (MOS) происходит от MOSFET (полевого транзистора металл-оксид-полупроводник), изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Впервые они продемонстрировали и логику PMOS, и логику NMOS в 1960 году. позже объединены и адаптированы в дополнительную логику MOS (CMOS) Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild Semiconductor в 1963 году. 300>
Активные исследования ведутся в области молекулярных логических вентилей.
Синхронный 4-битный символ десятичного счетчика (74LS192) в соответствии с ANSI / IEEE Std. 91-1984 и публикация IEC 60617-12. Существует два набора символов для элементарных логических вентилей, которые широко используются, оба определены в ANSI / IEEE Std 91-1984 и его дополнение ANSI / IEEE Std 91a-1991. Набор «отличительной формы», основанный на традиционных схемах, используется для простых чертежей и происходит от Военного стандарта США MIL-STD-806 1950-х и 1960-х годов. Иногда его неофициально называют «военным», что отражает его происхождение. Набор «прямоугольной формы», основанный на ANSI Y32.14 и других ранних отраслевых стандартах, позже уточненных IEEE и IEC, имеет прямоугольные очертания для всех типов ворот и позволяет отображать гораздо более широкий диапазон устройств, чем это возможно с традиционными символы. Стандарт IEC, IEC 60617-12, был принят другими стандартами, такими как EN 60617-12: 1999 в Европе, BS EN 60617-12. : 1999 в Великобритании и DIN EN 60617-12: 1998 в Германии.
Общая цель стандартов IEEE Std 91-1984 и IEC 60617-12 состояла в том, чтобы предоставить единый метод описания сложных логических функций цифровых схем с помощью схематических символов. Эти функции были более сложными, чем простые логические элементы И и ИЛИ. Это могут быть схемы среднего размера, такие как 4-битный счетчик, для крупномасштабных схем, таких как микропроцессор.
IEC 617-12 и его преемник IEC 60617-12 не показывают явно символы «отличительной формы», но не запрещают их. Однако они показаны в ANSI / IEEE 91 (и 91a) со следующим примечанием: «В соответствии с Частью 12 Публикации 617 МЭК, символ отличительной формы не является предпочтительным, но не считается противоречащим этому стандарту.. " В IEC 60617-12, соответственно, содержится примечание (раздел 2.1): «Хотя использование других символов, признанных официальными национальными стандартами, то есть отличительных форм вместо символов [список основных ворот], не является предпочтительным, оно не считается допустимым. в противоречие с этим стандартом. Использование этих других символов в комбинации для образования сложных символов (например, использование в качестве встроенных символов) не рекомендуется ". Этот компромисс был достигнут между соответствующими рабочими группами IEEE и IEC, чтобы стандарты IEEE и IEC находились во взаимном соответствии друг с другом.
Третий стиль символов, DIN 40700 (1976), использовался в Европе и до сих пор широко используется в европейских академических кругах, см. Логическую таблицу в Немецкой Википедии.
В 1980-х годах схемы были преобладающим методом проектирования как печатных плат, так и заказных ИС, известных как вентильные матрицы. Сегодня заказные ИС и программируемая вентильная матрица обычно разрабатываются с использованием языков описания оборудования (HDL), таких как Verilog или VHDL.
| Type | Отличительная форма. (IEEE Std 91 / 91a-1991) | Прямоугольная форма. (IEEE Std 91 / 91a-1991). (IEC 60617-12: 1997) | логическая алгебра между A и B | таблица истинности | ||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| вентили с 1 входом | ||||||||||||||||||||||
| буфер |
|
|  |
| ||||||||||||||||||
| НЕ. (инвертор) |
|
|  или  |
| ||||||||||||||||||
| В электронике вентиль НЕ чаще называют инвертором. Круг на символе называется пузырем и используется в логических схемах для обозначения логического отрицания между внешним логическим состоянием и внутренним логическим состоянием (от 1 до 0 или наоборот). На принципиальной схеме он должен сопровождаться утверждением, что используется соглашение о положительной или отрицательной логике (уровень высокого напряжения = 1 или уровень низкого напряжения = 1, соответственно). Клин используется в принципиальных схемах для непосредственного обозначения входа или выхода с активным низким (низкий уровень напряжения = 1) входом или выходом, не требуя единого соглашения по всей принципиальной схеме. Это называется прямой индикацией полярности. См. IEEE Std 91 / 91A и IEC 60617-12. И пузырек, и клин могут использоваться на символах отличительной формы и прямоугольной формы на принципиальных схемах, в зависимости от используемого логического соглашения. На чисто логических диаграммах имеет смысл только пузырь. | ||||||||||||||||||||||
| Соединение и Дизъюнкция | ||||||||||||||||||||||
| И |
|
|  или  |
| ||||||||||||||||||
| OR |
|
|  или  |
| ||||||||||||||||||
| Альтернативное отрицание и Совместное отрицание | ||||||||||||||||||||||
| NAND |
|
|  или  |
| ||||||||||||||||||
| NOR |  |  |  или  |
| ||||||||||||||||||
| Exclusive или и Biconditional | ||||||||||||||||||||||
| XOR |  |  |  или  |
| ||||||||||||||||||
| Вывод двух входов с исключающим ИЛИ истинен, только если два входные значения различны и false, если они равны, независимо от значения. Если имеется более двух входов, выход символа отличительной формы не определен. Вывод символа прямоугольной формы является истинным, если количество истинных входов равно одному или точно числу, следующему за знаком "=" в квалифицирующем символе. | ||||||||||||||||||||||
| XNOR |  |  |  или  |
| ||||||||||||||||||
Сравнение выходов логических вентилей с 1 входом.
| INPUT | OUTPUT | |
| A | Buffer | Inverter |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Сравнение выходов логических вентилей с 2 входами.
| INPUT | OUTPUT | ||||||
| A | B | AND | NAND | OR | NOR | XOR | XNOR |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
Микросхема 7400, содержащий четыре NAND. Два дополнительных контакта обеспечивают питание (+5 В) и соединяют землю. Чарльз Сандерс Пирс (в течение 1880–81 гг.) Показал, что вентили ИЛИ-НЕ (или, альтернативно, вентили И-НЕ только ) можно использовать для воспроизведения функций всех других логических вентилей, но его работа над ней была неопубликованной до 1933 года. Первое опубликованное доказательство было сделано Генри М. Шеффером в 1913 году, поэтому Логическая операция NAND иногда называется Sheffer stroke ; логическое ИЛИ иногда называют стрелкой Пирса. Следовательно, эти вентили иногда называют универсальными логическими вентилями.
Используя законы Де Моргана, функция И идентична функции ИЛИ с отрицательные входы и выходы. Точно так же функция ИЛИ идентична функции И с инвертированными входами и выходами. Логический элемент И-НЕ эквивалентен вентилю ИЛИ с инвертированными входами, а вентиль ИЛИ-НЕ эквивалентен вентилю И с инвертированными входами.
Это приводит к альтернативному набору символов для основных вентилей, которые используют противоположный основной символ (И или ИЛИ), но с инвертированными входами и выходами. Использование этих альтернативных символов может сделать схемы логических цепей более понятными и помочь показать случайное подключение активного высокого выхода к активному низкому входу или наоборот. Любое соединение, которое имеет логические отрицания на обоих концах, может быть заменено соединением без отрицания и подходящей сменой логического элемента или наоборот. Любую связь, имеющую отрицание на одном конце и отсутствие отрицания на другом, можно упростить для интерпретации, вместо этого используя эквивалентный символ Де Моргана на любом из двух концов. Когда индикаторы отрицания или полярности на обоих концах соединения совпадают, на этом пути нет логического отрицания (фактически, пузыри «отменяют»), что упрощает отслеживание логических состояний от одного символа к другому. Это обычно наблюдается на реальных логических диаграммах - таким образом, читатель не должен иметь привычку связывать фигуры исключительно как фигуры ИЛИ или И, но также учитывать пузырьки на входах и выходах, чтобы определить «истинную» логику. указанная функция.
Символ Де Моргана может более четко отображать основное логическое назначение логического элемента и полярность его узлов, которые рассматриваются в состоянии «сигнализация» (активен, включен). Рассмотрим упрощенный случай, когда логический элемент И-НЕ с двумя входами используется для управления двигателем, когда на любой из его входов с помощью переключателя устанавливается низкий уровень. Состояние «сигнализировано» (двигатель включен) возникает, когда один ИЛИ другой переключатель включен. В отличие от обычного символа И-НЕ, который предлагает логику И, версия Де Моргана, логический элемент ИЛИ с двумя отрицательными входами, правильно показывает, что ИЛИ представляет интерес. Обычный символ И-НЕ имеет пузырек на выходе и не имеет на входах (противоположность состояний, которые включают двигатель), но символ Де Моргана показывает как входы, так и выход с полярностью, которая будет приводить в действие двигатель.
Теорема Де Моргана чаще всего используется для реализации логических вентилей как комбинаций только вентилей И-НЕ или как комбинаций только вентилей ИЛИ-НЕ по экономическим причинам.
Логические вентили также могут использоваться для хранения данных. Запоминающий элемент может быть сконструирован путем соединения нескольких вентилей в схему «защелка ». Более сложные конструкции, которые используют тактовые сигналы и которые изменяются только при нарастании или спаде тактового сигнала, называются запускаемыми по фронту «триггерами ». Формально триггер называется бистабильной схемой, потому что у него есть два стабильных состояния, которые он может поддерживать бесконечно. Комбинация нескольких параллельных триггеров для хранения многобитового значения называется регистром. При использовании любой из этих настроек ворот вся система имеет память; тогда она называется системой последовательной логики, поскольку на ее выход может влиять ее предыдущее состояние (я), то есть последовательность входных состояний. Напротив, выход из комбинационной логики представляет собой чистую комбинацию его текущих входов, на которую не влияют предыдущие состояния входа и выхода.
Эти логические схемы известны как компьютерная память. Они различаются по производительности в зависимости от таких факторов, как скорость, сложность и надежность хранилища, и в зависимости от приложения используется множество различных типов конструкций.
Буфер с тремя состояниями можно рассматривать как переключатель. Если B включен, переключатель замкнут. Если B выключен, переключатель разомкнут. Логический вентиль с тремя состояниями - это тип логического элемента, который может иметь три разных выхода: высокий (H), низкий (L) и высокий импеданс (Z). Состояние с высоким импедансом не играет никакой роли в логике, которая является строго двоичной. Эти устройства используются на шинах ЦП, чтобы несколько микросхем могли отправлять данные. Группа из трех состояний, управляющая линией с подходящей схемой управления, в основном эквивалентна мультиплексору, который может быть физически распределен по отдельным устройствам или сменным картам.
В электронике высокий выходной сигнал означает, что выходной ток получает ток от положительной клеммы питания (положительное напряжение). Низкий выходной сигнал означает, что на выходе подается ток на отрицательную клемму питания (нулевое напряжение). Высокий импеданс означает, что выход фактически отключен от цепи.
С 1990-х годов большинство логических вентилей выполнено по технологии CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник), в которой используются как NMOS-, так и PMOS-транзисторы. Часто миллионы логических вентилей упакованы в единую интегральную схему.
Существует несколько семейств логических схем с различными характеристиками (потребляемая мощность, скорость, стоимость, размер), например : RDL (резистор-диодная логика), RTL (резисторно-транзисторная логика), DTL (диодно-транзисторная логика), TTL (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП. Есть также подварианты, например стандартная логика CMOS по сравнению с расширенными типами, использующими по-прежнему технологию CMOS, но с некоторыми оптимизациями, позволяющими избежать потери скорости из-за более медленных транзисторов PMOS.
Неэлектронные реализации разнообразны, хотя немногие из них используются в практических приложениях. Многие ранние электромеханические цифровые компьютеры, такие как Harvard Mark I, были построены из логических элементов с использованием электромеханических реле. Логические вентили могут быть изготовлены с использованием пневматических устройств, таких как или механических логических вентилей, в том числе в молекулярном масштабе. Логические ворота были сделаны из ДНК (см. ДНК-нанотехнология ) и использованы для создания компьютера под названием MAYA (см. MAYA-II ). Логические вентили могут быть созданы из квантово-механических эффектов (хотя квантовые вычисления обычно расходятся с логическим дизайном; см. квантовый логический вентиль ). Фотонная логика вентили используют нелинейно-оптические эффекты.
В принципе, любой метод, который приводит к логическому элементу, который является функционально завершенным (например, вентиль ИЛИ-НЕ или И-НЕ), может быть использован для создания любой цифровой логической схемы. Обратите внимание, что использование логики с 3 состояниями для шинных систем не требуется и может быть заменено цифровыми мультиплексорами, которые могут быть построены с использованием только простых логических вентилей (таких как вентили И-НЕ, вентили ИЛИ или вентили И и ИЛИ).
СМИ, относящиеся к логическим воротам на Wikimedia Commons
