V tomto článku vysvětlím základní pojmy a vlastnosti logických hradel a také uvedu příklady jejich aplikace v různých obvodech.
Základy logických hradel: definice, princip fungování a příklady aplikací aktualizováno: 10. listopadu 2023 od: Scientific Articles.Ru
V elektrotechnice existuje mnoho zařízení a součástek, které se používají ke zpracování a přenosu informací. Jednou z takových komponent jsou logická hradla. Logická hradla hrají důležitou roli při konstrukci digitálních obvodů a systémů, umožňují provádění logických operací a transformací dat. V tomto článku se podíváme na definici a základní vlastnosti logických hradel a také na příklady jejich použití.
Potřebujete pomoc s psaním práce?
Jsme výměnou odborných autorů (pedagogů a docentů vysokých škol). Náš systém zaručuje odevzdání práce včas bez plagiátorství. Provádíme změny zdarma.
Definování logických bran
Logická hradla jsou elektronická zařízení, která provádějí logické operace na vstupních signálech a vytvářejí odpovídající výstupní signál. Jsou základními stavebními kameny číslicových obvodů a používají se ke zpracování informací v číslicových systémech.
Logická hradla mají jeden nebo více vstupů a jeden výstup. Vstupy mají dva možné stavy: logická 1 (vysoká úroveň napětí) nebo logická 0 (nízká úroveň napětí). Výstup hradla může být také 1 nebo 0 v závislosti na vstupních signálech a logické funkci, kterou hradlo vykonává.
Logická hradla mohou provádět různé logické operace jako logické AND (AND), logické OR (OR), logické NOT (NOT) a další. Mohou být implementovány pomocí různých elektronických součástek, jako jsou tranzistory, diody nebo relé.
Logická hradla jsou základem pro stavbu složitějších digitálních obvodů, jako jsou čítače, registry, aritmetické jednotky a mikroprocesory. Hrají důležitou roli v moderní elektronice a počítačových systémech, zajišťují logické operace a zpracování informací.
Základní typy logických hradel
Existuje několik základních typů logických hradel, z nichž každý provádí určitou logickou operaci. Tady jsou některé z nich:
Logická AND brána
Logické součinové hradlo přijímá dva nebo více vstupních signálů a vytváří výstupní signál, který je 1, pouze pokud jsou všechny vstupní signály 1. Pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů 0, pak výstupní signál bude 0.
Logická OR brána
Logické hradlo OR přijímá dva nebo více vstupních signálů a vytváří výstupní signál, který je 1, pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů 1. Pouze pokud jsou všechny vstupní signály 0, bude výstup 0.
Logická brána NE (NE)
Hradlo NOT přijímá jeden vstupní signál a vytváří výstupní signál, který je inverzní ke vstupnímu signálu. Pokud je vstupní signál 1, pak výstupní signál bude 0 a naopak.
Exkluzivní logická brána OR (XOR)
Hradlo Exclusive OR (XOR) přijímá dva vstupní signály a vytváří výstup, který je 1, pokud je pouze jeden ze vstupních signálů 1. Pokud jsou oba vstupní signály 0 nebo oba jsou 1, pak výstup bude 0.
To jsou jen některé ze základních typů logických hradel. Existují další typy, jako je logické hradlo XNOR, logické hradlo NOR atd. Každý z nich má své vlastní vlastnosti a použití v různých digitálních obvodech.
Princip činnosti logických hradel
Logická hradla jsou elektronická zařízení, která provádějí logické operace se vstupními signály a generují odpovídající výstupní signál. Jsou základními stavebními kameny číslicových obvodů a používají se ke zpracování informací v číslicových systémech.
Princip činnosti logických hradel je založen na použití tranzistorů, které jsou hlavními aktivními prvky v těchto zařízeních. Tranzistory lze konfigurovat do různých provozních režimů, jako je režim saturace a režim cutoff, což jim umožňuje provádět logické operace.
Nejběžnější typy logických hradel jsou hradlo AND, hradlo OR a hradlo NOT.
Logická AND brána
Logické AND hradlo má dva vstupy a jeden výstup. Pokud jsou oba vstupní signály rovny 1, bude výstupní signál také roven 1. V opačném případě, pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů roven 0, bude výstupní signál roven 0.
Logická OR brána
Logické OR hradlo má také dva vstupy a jeden výstup. Výstupní signál bude roven 1, pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů roven 1. Pokud jsou oba vstupní signály rovny 0, pak se výstupní signál bude rovnat 0.
Logická brána NE (NE)
Logické hradlo NOT má jeden vstup a jeden výstup. Invertuje vstupní signál, to znamená, že pokud je vstupní signál 1, pak výstupní signál bude 0 a naopak.
To jsou jen některé ze základních typů logických hradel. Existují další typy, jako je logické hradlo XNOR, logické hradlo NOR atd. Každý z nich má své vlastní vlastnosti a použití v různých digitálních obvodech.
Logika
Logický diagram je grafické znázornění logické funkce, která určuje závislost výstupního signálu na vstupních signálech. Logické obvody se skládají z logických hradel, které jsou vzájemně propojeny za účelem provádění specifických operací.
Hlavní typy logických obvodů:
A logický obvod
Logický obvod AND má dva nebo více vstupních signálů a jeden výstupní signál. Výstupní signál bude roven 1, pouze pokud jsou všechny vstupní signály rovny 1. Pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů roven 0, pak bude výstupní signál roven 0.
OR logický obvod
Logický obvod OR má také dva nebo více vstupních signálů a jeden výstupní signál. Výstupní signál bude roven 1, pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů roven 1. Pouze pokud jsou všechny vstupní signály rovny 0, pak bude výstupní signál roven 0.
Logický obvod NE (NE)
Logický obvod NOT má jeden vstupní signál a jeden výstupní signál. Invertuje vstupní signál, to znamená, že pokud je vstupní signál 1, pak výstupní signál bude 0 a naopak.
Kromě základních typů logických obvodů existují další typy jako logický obvod XOR, logický obvod NOR atd. Každý z nich má své vlastní vlastnosti a použití v různých digitálních obvodech.
Logické obvody jsou široce používány v digitální elektronice, počítačích, mikroprocesorech a dalších zařízeních. Umožňují provádět různé operace a zpracovávat informace pomocí logických operací.
Příklady aplikací logických hradel a obvodů
Digitální obvody
Logická hradla a obvody jsou široce používány v digitálních obvodech, jako jsou čítače, registry, aritmetické logické bloky atd. Umožňují provádět různé operace s bity a zpracovávat digitální informace.
Počítače a mikroprocesory
Logická hradla a obvody jsou základem pro činnost počítačů a mikroprocesorů. Používají se k provádění logických operací, jako je logické AND, logické NEBO, logické NE atd. Tyto operace umožňují zpracovávat informace a provádět různé úkoly v počítačových systémech.
Digitální elektronika
Logická hradla a obvody se také používají v digitální elektronice k vytváření různých zařízení, jako jsou generátory signálů, časovače, čítače, dekodéry atd. Umožňují řídit a zpracovávat digitální signály, které jsou základem pro provoz mnoha elektronických zařízení.
Automatizace a správa
Logická hradla a obvody se používají v automatizačních a řídicích systémech k provádění různých logických operací. Umožňují ovládat různé procesy a zařízení, jako jsou relé, ventily, motory atd. Logické obvody umožňují vytvářet komplexní automatizační a řídicí systémy, které mohou provádět různé úkoly.
Kryptografie a bezpečnost
Logické brány a obvody se také používají v šifrovacích a bezpečnostních systémech k provádění různých šifrovacích a dešifrovacích operací. Umožňují vám zpracovávat a chránit informace a zajistit jejich důvěrnost a integritu.
Všechny tyto příklady demonstrují širokou škálu aplikací logických hradel a obvodů v různých oblastech. Jsou základem pro provoz mnoha zařízení a systémů, umožňují jim provádět různé operace a zpracovávat informace pomocí logických operací.
Tabulka logických hradel
| Typ ventilu | popis | Vstupní signály | Výstupní signál |
|---|---|---|---|
| A | Vrátí hodnotu true, pokud jsou všechny vstupní signály pravdivé | 0, 1 | 0, 1 |
| NEBO (NEBO) | Vrací hodnotu true, pokud je alespoň jeden ze vstupních signálů pravdivý | 0, 1 | 0, 1 |
| NE (NE) | Invertuje vstupní signál | 0, 1 | 0, 1 |
| Exkluzivní OR (XOR) | Vrátí hodnotu true, pokud má hodnotu true pouze jeden ze vstupních signálů | 0, 1 | 0, 1 |
Závěr
V této přednášce jsme prozkoumali základní pojmy a principy fungování logických hradel. Logická hradla jsou základními stavebními kameny digitálních obvodů a jsou široce používány v elektronice a počítačových systémech. Umožňují provádět logické operace a převádět signály v souladu se stanovenými pravidly. Pochopení činnosti logických hradel a jejich aplikace v obvodech je důležité pro návrh a analýzu číslicových systémů.
Základy logických hradel: definice, princip fungování a příklady aplikací aktualizováno: 10. listopadu 2023 od: Scientific Articles.Ru
Logická brána: cool termín, ale co to znamená? Tento článek představí koncept logického hradla a popíše, jak funguje každé konkrétní logické hradlo (OR, AND, XOR, OR, NAND, XOR a NOT).
Co je to logické hradlo?
Za prvé, je důležité pochopit, že logická hradla mohou mít mnoho podob. I v osobním životě neustále zpracováváme informace prostřednictvím různých logických prvků. Přestože je naše mysl k tomu optimalizována, často si myšlenkový proces neuvědomujeme. K tomu však dochází.
Například při zkoušce možná víte, že nezodpovězení otázky bude mít za následek záporné skóre této otázky. Pokud jste to promysleli a pochopili koncept, vaše mysl právě zpracovala bránu NOT! Jinými slovy (pseudokód): IF NOT , PAK jsou zde negativní důsledky.
Taková logická hradla tvoří stavební kameny pro většinu světového kódu, stejně jako pro elektroniku. I když některá logická hradla jsou mnohem běžnější (například hradla AND nebo OR jsou mnohem běžnější než NAND nebo NOR). brána), všechna logická hradla se dříve či později používají k tomu, aby počítač nebo elektronické zařízení přinutilo dělat přesně to, co se od něj vyžaduje – zpracovávat data určitým způsobem.
S pomocí několika logických prvků můžeme vytvářet pracovní postupy, které se trochu podobají nebo sledují lidské myšlení. Podívejme se na každou z nich podrobně.
Logická brána OR je velmi jednoduchá brána/design, který v podstatě říká: “Яpokud je můj první vstup pravdivý nebo můj druhý vstup je pravdivý nebo jsou oba pravdivé, pak je výsledek pravdivý” Upozorňujeme, že máme dva vstupy a jeden výstup. To neplatí pro všechny logické prvky. Pokud se podíváte na obrázek záhlaví, uvidíte, že všechna logická hradla mají dva vstupy, kromě hradla NOT, které má jeden vstup. Všechny brány mají jeden východ.
Jinými slovy, do tohoto blokového diagramu můžeme napsat bránu OR:
Zde 0 představuje nepravdu a 1 představuje pravdu. Jak vidíte, náš výstup může být nepravdivý (tj. 0), pouze pokud oba vstupy byly také nepravdivé. Ve všech ostatních případech bude výstup naší brány OR pravdivý.
Je zajímavé, že pokud jsou oba vstupy pravdivé, bude pravdivý i výstup. To se mírně liší od toho, co si člověk myslí o OR, protože slovo nebo často spojené s jedním nebo druhým.
Podobně jako u našeho hradla OR bude hradlo AND zpracovávat dva vstupy a výsledkem je jeden výstup, ale tentokrát hledáme pravdivé oba vstupy, aby byl výsledek pravdivý. Jinými slovy, naše logika funguje takto:
Všechny ostatní prvky (kromě prvku NOT) jsou trochu těžší na pochopení, ale zůstaňte naladěni.
Prvek XOR se také někdy nazývá EOR nebo EXOR. Správný žargon pro bránu XOR je − Exkluzivní OR. Pokud si vzpomínáte na náš předchozí příklad, trochu nás překvapilo, že true a true stále vyústilo v true , což je poněkud odlišné od lidského myšlení.
Vítejte v XOR (XOR), která tento problém řeší podle standardního lidského myšlení. Tato logická brána funguje následovně:
Vstup a výstup jsou stejné jako naše hradlo OR, ale tentokrát to skutečně musí být výhradní. Pokud je vstup pravdivý a pravdivý, výstup je nepravdivý.
Pamatujete si náš předchozí příklad NOT? Změnili jsme situaci. Je to trochu podobné hradlu NOR, což je v podstatě hradlo NOR, kde OR má stejnou logiku, jako jsme diskutovali výše pro hradlo OR.
Jinými slovy, můžete si to představit takto: “Acokoli, co není situací NEBO (tj. pravdivé a nepravdivé smíšené, nebo pravdivé a pravdivé podobné našemu příkladu brány NEBO, i když to pro lidi není zcela logické) vytváří pravdivý výsledek a vše ostatní vytváří falešný výsledek.“
Výsledkem je následující logika brány NOR:
Vyzbrojeni těmito znalostmi se můžeme podívat na bránu NAND:
Podobně jako NOR lze NAND číst jako NOT-AND, a tedy vše, co by normálně bylo AND, musí být nepravdivé (tj. NOT-AND). Výsledkem je následující:
Jako v každém z prvních tří případů chybí úplný AND (což by bylo true a true ). Výsledek je tedy true(1). Pro poslední vstup, true a true , je přítomen plný AND, a proto (kvůli NOT složce N v NAND) bude výsledek nepravdivý.
Na tomto obrázku vidíme čip SN7400N se čtyřmi logickými hradly, konkrétně hradly NAND. Vyšší napětí (stav pravda/1) na kolících 1 a 2 (vlevo dole) bude mít za následek nižší napětí (pravděpodobně 0 V) na kolíku 3 vždy. A pokud se jeden ze dvou nebo obou kolíků (1+2) stane nízkým napětím, kolík 3 začne poskytovat vyšší napětí.
EXKLUZIVNÍ NEBO
Když si připomeneme brány OR, NOR a XOR, brána XNOR je kombinací všech z nich. . V podstatě se jedná o ventil Exkluzivní NOR nebo Exkluzivní NEBO NE. Logika je následující:
Jinými slovy, toto je opačný výsledek XOR. Ano, to může být trochu komplikované na pochopení.
Bránu NOT jsme krátce představili dříve v našem lidském ekvivalentu. Hradlo NOT v podstatě obrátí jakýkoli vstupní signál. Pokud zadáte jako vstup true, výstup bude nepravdivý a naopak. Naše logická tabulka je jednoduchá:
Tyto brány se často používají v kombinaci s jinými branami.
Logická hradla v počítačovém kódu
Jednoduchý příklad brány NOT lze vidět v následujícím kódu Bash:
V tomto příkladu obvykle říkáme: pokud to není pravda, pak echo nepravda, jinak echo pravda. Protože používáme bránu NOT, výstup bude pravdivý, i když nepravda je nepravda.
Jak můžete vidět, je snadné, aby se kód stal trochu matoucím při čtení a návrhu, když používáte hradla NOT, zejména v kombinaci s hradly AND nebo OR. Ale praxe dělá mistra a zkušení vývojáři rádi používají složité příkazy podmíněných hradel.
V mnoha programovacích jazycích je logické hradlo OR reprezentováno idiomem || , a logické AND hradlo je často reprezentováno idiomem &&. Prvek NOT je obvykle označen symbolem ! .
Shrneme-up
V tomto článku jsme probrali brány OR, AND, XOR, NOR, NAND, XNOR a NOT. Podívali jsme se také na to, jak logická hradla napodobují lidské myšlení a jak nám mohou pomoci napsat složitou programovací logiku v počítačovém programu. Krátce jsme se také podívali na logická hradla používaná v počítačovém kódu.
Pokud se vám čtení tohoto článku líbilo, podívejte se na naše články Od 0 do F: Hexadecimální a bity, bajty a binární soubory, které vám pomohou pochopit, jak počítače interně fungují.
