Логічний вентиль — базовий елемент цифрової схеми, що виконує (обчислює) елементарну логічну операцію, перетворюючи таким чином вхідні логічні сигнали у вихідний логічний сигнал. Логіка роботи вентиля заснована на бітових операціях зі вхідними цифровими сигналами як операндами. При створенні цифрової схеми вентилі з'єднують між собою, при цьому вихід використовуваного вентиля повинен бути підключений до одного або до декількох входів інших вентилів.
В сучасних цифрових пристроях домінують електронні логічні вентилі на базі польових транзисторів, однак у минулому для створення вентилів використовувалися й інші пристрої, наприклад, електромагнітні реле, гідравлічні пристрої, а також механічні пристрої. У пошуках більш досконалих логічних вентилів досліджуються квантові пристрої, біологічні молекули, фононні теплові системи.
В цифровій електроніці логічний рівень сигналу представлений у вигляді рівня напруги (що потрапляє в один з двох діапазонів) або у вигляді значення струму. Це залежить від типу використовуваної технології побудови електронної логіки.
Типи логічних вентилів
Ім'я | Логічна функція | Символ на схемі | Таблиця істинності | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
IEC 60617-12 : 1997 | US ANSI 91-1984 | DIN 40700 (до 1976) | ||||||||||||||||||
І (AND) |
| |||||||||||||||||||
АБО (OR) |
| |||||||||||||||||||
НЕ (Інвертор) (NOT) |
| |||||||||||||||||||
Буфер (повторювач) (BUF, YES) |
| |||||||||||||||||||
І-НЕ NAND (NOT AND) |
| |||||||||||||||||||
АБО-НЕ NOR (NOT OR) |
| |||||||||||||||||||
Виключне АБО (додавання за модулем два) XOR (EXCLUSIVE OR) | або |
| ||||||||||||||||||
Виключне АБО-НЕ XNOR (EXCLUSIVE NOT OR) | або |
|
Технологія виготовлення логічних вентилів
Відповідно до елементної бази виготовлення логічних вентилів використовуються:
- РТЛ — резисторно-транзисторна логіка (застаріла і замінена на ТТЛ);
- ДТЛ — діодно-транзисторна логіка (застаріла, замінена на ТТЛ);
- ТТЛ — транзисторно-транзисторна логіка — логічний вентиль базується на багатоемітерних біполярних транзисторах на вході;
- (ТТЛШ) — транзисторно-транзисторна логіка з діодами Шоткі — вдосконалена ТТЛ, в якій використовуються біполярні транзистори з ефектом Шотткі;
- ЕЗЛ — емітерно-зв'язана логіка — логічний вентиль базується на диференціальному каскаді з біполярних транзисторів, режим роботи яких підібраний так, щоб вони не входили в режим насичення, — що істотно підвищує швидкодію;
- ІІЛ — інтегрально-інжекційна логіка;
- КМОН — логіка на базі комплементарних МОН-транзисторів;
- БіКМОН — логіка на базі як біполярних, так і комплементарних МОН-транзисторів.
КМОН і ТТЛ (ТТЛШ) технології є найпоширенішими технологіями логічних мікросхем. Перевагою логічних елементів, виготовлених за КМОН-технологією, є низьке енергоспоживання в статичному режимі та високий вхідний опір входів логічних елементів, що дозволяє підключати більше входів до одного виходу. Слабким місцем перших серій КМОН-мікросхем є уразливість від статичної електрики — досить торкнутися рукою виводів мікросхеми і її цілісність вже не гарантується. Логічні елементи, виконані за ТТЛ-технологією, мають більшу швидкодію, ніж перші серії КМОН-елементів, але й значно більше енергоспоживання в статичному режимі.
Практично всі сучасні серії логічних ІМС виконуються за технологією КМОН. В них усунуті недоліки, властиві мікросхемам перших серій, такі, як невисока швидкодія. Чутливість до статичної електрики зменшена завдяки спеціальним захисним структурам на входах мікросхем. Діапазон робочої напруги живлення включає як напругу, яка використовувалася для ТТЛ-мікросхем (5 В), так і значно нижчі напруги, що дозволяє знизити енергоспоживання в динамічному режимі та спростити проектування приладів з батарейним живленням. Однотипні мікросхеми різних серій (як ТТЛ, так і КМОН), як правило, мають однакові призначення виводів корпуса, що дозволяє заміняти при відповідності інших параметрів мікросхеми одних серій мікросхемами інших серій. Детальні параметри мікросхем різних серій вказані в документації виробника.
Мікросхеми, виготовлені за ЕЗЛ-технологією є найшвидшими, але і найбільш енергоспоживаючими, і застосовувалися при виробництві обчислювальної техніки в тих випадках, коли найважливішим параметром була швидкість обчислення. У СРСР найпродуктивніші ЕОМ типу ЕС106х виготовлялися на ЕЗЛ-мікросхемах. Зараз ця технологія використовується рідко.
Історія і розвиток
Двійкова система числення була доопрацьована Г. В. Лейбніцем (опубліковано у 1705), який в свою чергу почав вивчати її під впливом стародавньої двійкової системи з І Цзін '. Лейбніц встановив, що за допомогою двійкової системи можна об'єднати принципи арифметики і логіки.
Згодом у листі 1886 р., Чарлз Сандерс Пірс описав як логічні операції можна втілити за допомогою електричних кіл із перемикачами. Згодом, реле для логічних операцій замінили вакуумні лампи. Вальтер Боте, винахідник [en], отримав частину Нобелівської премії з фізики в 1954, за відкриття першого сучасного електронного вентиля, що виконував логічну операцію І в 1924. Конрад Цузе розробив і побудував електромеханічні логічні вентилі для свого комп'ютера Z1 (в 1935–38).
З 1934 пр 1936, інженер компанії NEC [en] представив [en], у серії статей, що описували двохелементну булеву алгебру, яка незалежно може описувати операції перемикальних кіл. Його роботу згодом цитував Клод Шеннон, який в 1937 р. працював над використанням булевої алгебри для аналізу і дизайну перемикальних кіл. Використання цієї властивості електричних перемикачів для виконання логіки стало фундаментальною концепцією, що лежить в основі всіх електронних цифрових комп'ютерів. Теорія комутованих кіл стала основою для проектування цифрових схем, оскільки стала широко відомою в електротехнічній спільноті під час і після Другої світової війни.
Активні дослідження відбуваються із винайдення молекулярних логічних елементів.
Див. також
Посилання
- Digital Logic. Pocket Data Book (PDF). Texas Instruments. Архів (PDF) оригіналу за 23 серпня 2013. Процитовано 11 січня 2013.(англ.)
- Nylan, Michael (2001). . Yale University Press. с. 204—206. ISBN . Архів оригіналу за 1 серпня 2020. Процитовано 8 червня 2010.
- Perkins, Franklin. Leibniz and China: A Commerce of Light. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. p 117. Print.
- Peirce, C. S., "Letter, Peirce to ", dated 1886, , v. 5, 1993, pp. 421–23. See , "Review: Charles S. Peirce, The new elements of mathematics", Bulletin of the American Mathematical Society v. 84, n. 5 (1978), pp. 913–18, see 917. PDF Eprint [ 17 березня 2020 у Wayback Machine.].
- History of Research on Switching Theory in Japan [ 28 липня 2020 у Wayback Machine.], IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, Vol. 124 (2004) No. 8, pp. 720–726,
- Switching Theory/Relay Circuit Network Theory/Theory of Logical Mathematics [ 28 липня 2020 у Wayback Machine.], IPSJ Computer Museum,
- Radomir S. Stanković (), Jaakko T. Astola (Технологічний університет Тампере), Mark G. Karpovsky (Бостонський університет), Some Historical Remarks on Switching Theory [ 31 липня 2020 у Wayback Machine.], 2007, DOI 10.1.1.66.1248
- Radomir S. Stanković, Jaakko Astola (2008), Reprints from the Early Days of Information Sciences: TICSP Series On the Contributions of Akira Nakashima to Switching Theory [ 30 липня 2020 у Wayback Machine.], TICSP Series #40, Tampere International Center for Signal Processing,
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Logichnij ventil bazovij element cifrovoyi shemi sho vikonuye obchislyuye elementarnu logichnu operaciyu peretvoryuyuchi takim chinom vhidni logichni signali u vihidnij logichnij signal Logika roboti ventilya zasnovana na bitovih operaciyah zi vhidnimi cifrovimi signalami yak operandami Pri stvorenni cifrovoyi shemi ventili z yednuyut mizh soboyu pri comu vihid vikoristovuvanogo ventilya povinen buti pidklyuchenij do odnogo abo do dekilkoh vhodiv inshih ventiliv Element I V suchasnih cifrovih pristroyah dominuyut elektronni logichni ventili na bazi polovih tranzistoriv odnak u minulomu dlya stvorennya ventiliv vikoristovuvalisya j inshi pristroyi napriklad elektromagnitni rele gidravlichni pristroyi a takozh mehanichni pristroyi U poshukah bilsh doskonalih logichnih ventiliv doslidzhuyutsya kvantovi pristroyi biologichni molekuli fononni teplovi sistemi V cifrovij elektronici logichnij riven signalu predstavlenij u viglyadi rivnya naprugi sho potraplyaye v odin z dvoh diapazoniv abo u viglyadi znachennya strumu Ce zalezhit vid tipu vikoristovuvanoyi tehnologiyi pobudovi elektronnoyi logiki Tipi logichnih ventilivIm ya Logichna funkciya Simvol na shemi Tablicya istinnosti IEC 60617 12 1997 US ANSI 91 1984 DIN 40700 do 1976 I AND Y A B displaystyle Y A wedge B Y A B displaystyle Y A cdot B Y A B displaystyle Y A B A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 ABO OR Y A B displaystyle Y A vee B Y A B displaystyle Y A B A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 NE Invertor NOT Y A displaystyle Y overline A Y A displaystyle Y neg A A Y 0 1 1 0 Bufer povtoryuvach BUF YES Y A displaystyle Y A A Y 0 0 1 1 I NE NAND NOT AND Y A B displaystyle Y overline A wedge B Y A B displaystyle Y A overline wedge B Y A B displaystyle Y overline A B A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ABO NE NOR NOT OR Y A B displaystyle Y overline A vee B Y A B displaystyle Y A overline vee B Y A B displaystyle Y overline A B A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Viklyuchne ABO dodavannya za modulem dva XOR EXCLUSIVE OR Y A B displaystyle Y A underline lor B Y A B displaystyle Y A oplus B abo A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Viklyuchne ABO NE XNOR EXCLUSIVE NOT OR Y A B displaystyle Y overline A underline lor B Y A B displaystyle Y A overline underline lor B Y A B displaystyle Y overline A oplus B abo A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1Tehnologiya vigotovlennya logichnih ventilivVidpovidno do elementnoyi bazi vigotovlennya logichnih ventiliv vikoristovuyutsya RTL rezistorno tranzistorna logika zastarila i zaminena na TTL DTL diodno tranzistorna logika zastarila zaminena na TTL TTL tranzistorno tranzistorna logika logichnij ventil bazuyetsya na bagatoemiternih bipolyarnih tranzistorah na vhodi TTLSh tranzistorno tranzistorna logika z diodami Shotki vdoskonalena TTL v yakij vikoristovuyutsya bipolyarni tranzistori z efektom Shottki EZL emiterno zv yazana logika logichnij ventil bazuyetsya na diferencialnomu kaskadi z bipolyarnih tranzistoriv rezhim roboti yakih pidibranij tak shob voni ne vhodili v rezhim nasichennya sho istotno pidvishuye shvidkodiyu IIL integralno inzhekcijna logika KMON logika na bazi komplementarnih MON tranzistoriv BiKMON logika na bazi yak bipolyarnih tak i komplementarnih MON tranzistoriv KMON i TTL TTLSh tehnologiyi ye najposhirenishimi tehnologiyami logichnih mikroshem Perevagoyu logichnih elementiv vigotovlenih za KMON tehnologiyeyu ye nizke energospozhivannya v statichnomu rezhimi ta visokij vhidnij opir vhodiv logichnih elementiv sho dozvolyaye pidklyuchati bilshe vhodiv do odnogo vihodu Slabkim miscem pershih serij KMON mikroshem ye urazlivist vid statichnoyi elektriki dosit torknutisya rukoyu vivodiv mikroshemi i yiyi cilisnist vzhe ne garantuyetsya Logichni elementi vikonani za TTL tehnologiyeyu mayut bilshu shvidkodiyu nizh pershi seriyi KMON elementiv ale j znachno bilshe energospozhivannya v statichnomu rezhimi Praktichno vsi suchasni seriyi logichnih IMS vikonuyutsya za tehnologiyeyu KMON V nih usunuti nedoliki vlastivi mikroshemam pershih serij taki yak nevisoka shvidkodiya Chutlivist do statichnoyi elektriki zmenshena zavdyaki specialnim zahisnim strukturam na vhodah mikroshem Diapazon robochoyi naprugi zhivlennya vklyuchaye yak naprugu yaka vikoristovuvalasya dlya TTL mikroshem 5 V tak i znachno nizhchi naprugi sho dozvolyaye zniziti energospozhivannya v dinamichnomu rezhimi ta sprostiti proektuvannya priladiv z batarejnim zhivlennyam Odnotipni mikroshemi riznih serij yak TTL tak i KMON yak pravilo mayut odnakovi priznachennya vivodiv korpusa sho dozvolyaye zaminyati pri vidpovidnosti inshih parametriv mikroshemi odnih serij mikroshemami inshih serij Detalni parametri mikroshem riznih serij vkazani v dokumentaciyi virobnika Mikroshemi vigotovleni za EZL tehnologiyeyu ye najshvidshimi ale i najbilsh energospozhivayuchimi i zastosovuvalisya pri virobnictvi obchislyuvalnoyi tehniki v tih vipadkah koli najvazhlivishim parametrom bula shvidkist obchislennya U SRSR najproduktivnishi EOM tipu ES106h vigotovlyalisya na EZL mikroshemah Zaraz cya tehnologiya vikoristovuyetsya ridko Istoriya i rozvitokDvijkova sistema chislennya bula doopracovana G V Lejbnicem opublikovano u 1705 yakij v svoyu chergu pochav vivchati yiyi pid vplivom starodavnoyi dvijkovoyi sistemi z I Czin Lejbnic vstanoviv sho za dopomogoyu dvijkovoyi sistemi mozhna ob yednati principi arifmetiki i logiki Zgodom u listi 1886 r Charlz Sanders Pirs opisav yak logichni operaciyi mozhna vtiliti za dopomogoyu elektrichnih kil iz peremikachami Zgodom rele dlya logichnih operacij zaminili vakuumni lampi Valter Bote vinahidnik en otrimav chastinu Nobelivskoyi premiyi z fiziki v 1954 za vidkrittya pershogo suchasnogo elektronnogo ventilya sho vikonuvav logichnu operaciyu I v 1924 Konrad Cuze rozrobiv i pobuduvav elektromehanichni logichni ventili dlya svogo komp yutera Z1 v 1935 38 Z 1934 pr 1936 inzhener kompaniyi NEC en predstaviv en u seriyi statej sho opisuvali dvohelementnu bulevu algebru yaka nezalezhno mozhe opisuvati operaciyi peremikalnih kil Jogo robotu zgodom cituvav Klod Shennon yakij v 1937 r pracyuvav nad vikoristannyam bulevoyi algebri dlya analizu i dizajnu peremikalnih kil Vikoristannya ciyeyi vlastivosti elektrichnih peremikachiv dlya vikonannya logiki stalo fundamentalnoyu koncepciyeyu sho lezhit v osnovi vsih elektronnih cifrovih komp yuteriv Teoriya komutovanih kil stala osnovoyu dlya proektuvannya cifrovih shem oskilki stala shiroko vidomoyu v elektrotehnichnij spilnoti pid chas i pislya Drugoyi svitovoyi vijni Aktivni doslidzhennya vidbuvayutsya iz vinajdennya molekulyarnih logichnih elementiv Div takozhMikroshemaPosilannyaDigital Logic Pocket Data Book PDF Texas Instruments Arhiv PDF originalu za 23 serpnya 2013 Procitovano 11 sichnya 2013 angl Nylan Michael 2001 Yale University Press s 204 206 ISBN 978 0 300 08185 5 Arhiv originalu za 1 serpnya 2020 Procitovano 8 chervnya 2010 Perkins Franklin Leibniz and China A Commerce of Light Cambridge Cambridge University Press 2004 p 117 Print Peirce C S Letter Peirce to dated 1886 v 5 1993 pp 421 23 See Review Charles S Peirce The new elements of mathematics Bulletin of the American Mathematical Society v 84 n 5 1978 pp 913 18 see 917 PDF Eprint 17 bereznya 2020 u Wayback Machine History of Research on Switching Theory in Japan 28 lipnya 2020 u Wayback Machine IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials Vol 124 2004 No 8 pp 720 726 Switching Theory Relay Circuit Network Theory Theory of Logical Mathematics 28 lipnya 2020 u Wayback Machine IPSJ Computer Museum Radomir S Stankovic Jaakko T Astola Tehnologichnij universitet Tampere Mark G Karpovsky Bostonskij universitet Some Historical Remarks on Switching Theory 31 lipnya 2020 u Wayback Machine 2007 DOI 10 1 1 66 1248 Radomir S Stankovic Jaakko Astola 2008 Reprints from the Early Days of Information Sciences TICSP Series On the Contributions of Akira Nakashima to Switching Theory 30 lipnya 2020 u Wayback Machine TICSP Series 40 Tampere International Center for Signal Processing