Gerbang Logika

Sebuah gerbang logika adalah perangkat ideal atau fisik menerapkan fungsi Boolean , yaitu, ia melakukan operasi logis pada satu atau masukan yang lebih logis, dan menghasilkan output logis tunggal. Tergantung pada konteksnya, istilah ini mungkin merujuk ke gerbang logika yang ideal, salah satu yang memiliki misalnya nol waktu naik dan tidak terbatas fan-out , atau mungkin merujuk kepada perangkat fisik non-ideal  (lihat Ideal dan nyata op- amp untuk perbandingan).

Gerbang logika terutama diimplementasikan dengan menggunakan dioda atau transistor bertindak sebagai saklar elektronik , tetapi juga dapat dibangun menggunakan elektromagnetik relay ( logika relay ), logika fluidic , logika pneumatik , optik , molekul , atau bahkan mekanis elemen. Dengan amplifikasi, gerbang logika dapat mengalir dengan cara yang sama bahwa fungsi Boolean dapat terdiri, memungkinkan pembangunan model fisik semua Boolean logika , dan karena itu, semua algoritma dan matematika yang dapat dijelaskan dengan logika Boolean.

Sirkuit logika termasuk perangkat seperti multiplexer , register , aritmatika unit logika (ALUs), dan memori komputer , semua jalan melalui lengkap mikroprosesor , yang mungkin berisi lebih dari 100 juta gerbang. Dalam prakteknya, gerbang terbuat dari transistor efek medan (FET), khususnya MOSFET (metal-oksida-semikonduktor transistor efek medan).

Logika Compound gerbang AND-OR-Invert (AOI) dan OR-AND-Invert (OAI) yang sering digunakan dalam desain sirkuit karena konstruksi mereka menggunakan MOSFET lebih sederhana dan lebih efisien daripada jumlah gerbang individu.

Gerbang elektronik

Untuk membangun sebuah fungsional lengkap sistem logika, relay , katup (tabung vakum), atau transistor dapat digunakan. Keluarga sederhana gerbang logika menggunakan transistor bipolar disebut resistor-transistor logika (RTL). Tidak seperti dioda gerbang logika, RTL gerbang dapat mengalir tanpa batas untuk menghasilkan fungsi logika yang lebih kompleks. Gerbang ini digunakan pada awal sirkuit terpadu . Untuk kecepatan yang lebih tinggi, resistor digunakan dalam RTL digantikan oleh dioda, yang menyebabkan diode-transistor logika (DTL). logika Transistor-transistor (TTL) kemudian digantikan DTL dengan pengamatan bahwa satu transistor bisa melakukan pekerjaan dari dua dioda bahkan lebih cepat , hanya menggunakan setengah ruang. Dalam hampir setiap jenis implementasi chip yang kontemporer sistem digital, transistor bipolar telah digantikan oleh komplementer transistor efek medan ( MOSFET ) untuk mengurangi ukuran dan konsumsi daya lebih jauh, sehingga menghasilkan complementary metal-oxide-semiconductor ( CMOS ) logika.

Untuk logika-skala kecil, desainer sekarang menggunakan prefabrikasi gerbang logika dari keluarga perangkat seperti TTL 7400 seri oleh Texas Instruments dan CMOS seri 4000 dengan RCA , dan keturunan mereka yang lebih baru. Semakin, ini gerbang tetap-fungsi logika digantikan oleh perangkat programmable logic , yang memungkinkan desainer untuk membawa sejumlah besar campuran gerbang logika menjadi satu sirkuit terpadu . Sifat lapangan diprogram perangkat programmable logic seperti FPGA telah dihapus 'keras' milik hardware, sekarang mungkin untuk mengubah desain logika sistem hardware dengan memprogram ulang beberapa komponennya, sehingga memungkinkan fitur atau fungsi dari implementasi perangkat keras dari sistem logika untuk diubah.

Gerbang logika elektronik berbeda secara signifikan dari mereka setara estafet-dan-switch. Mereka jauh lebih cepat, konsumsi daya lebih sedikit, dan jauh lebih kecil (semua dengan faktor satu juta atau lebih dalam banyak kasus). Juga, ada perbedaan struktural yang mendasar. The circuit switch menciptakan jalur logam terus-menerus selama arus mengalir (ke arah baik) antara input dan output. Logika semikonduktor gerbang, di sisi lain, bertindak sebagai tinggi gain tegangan penguat , yang tenggelam arus kecil pada input dan menghasilkan tegangan rendah impedansi pada output. Hal ini tidak mungkin untuk arus mengalir antara output dan input dari gerbang logika semikonduktor.

Keuntungan penting lainnya dari standar sirkuit terpadu keluarga logika, seperti 7400 dan 4000 keluarga, adalah bahwa mereka dapat mengalir. Ini berarti bahwa output dari satu pintu gerbang dapat ditransfer ke input dari satu atau beberapa gerbang lainnya, dan seterusnya. Sistem dengan berbagai tingkat kompleksitas dapat dibangun tanpa perhatian besar dari desainer untuk kerja internal gerbang, asalkan keterbatasan masing-masing sirkuit terpadu dianggap.

Output dari satu pintu hanya dapat berkendara jumlah terbatas input ke gerbang lain, nomor yang disebut ' fanout batas '. Juga, selalu ada penundaan, yang disebut ' propagasi delay ', dari perubahan masukan gerbang untuk perubahan yang sesuai dalam output. Ketika gerbang mengalir, total delay propagasi adalah sekitar jumlah penundaan individu, efek yang dapat menjadi masalah di sirkuit berkecepatan tinggi. Delay tambahan dapat disebabkan ketika sejumlah besar input yang terhubung ke output, karena didistribusikan kapasitansi dari semua input dan kabel dan jumlah terbatas saat ini bahwa setiap output dapat memberikan.

Simbol

Ada dua set simbol untuk dasar gerbang logika umum digunakan, baik didefinisikan dalam ANSI / IEEE Std 91-1984 dan suplemen yang ANSI / IEEE Std 91a-1991. The "bentuk yang khas" set, berdasarkan skema tradisional, digunakan untuk gambar-gambar sederhana, dan berasal dari MIL-STD-806 dari tahun 1950-an dan 1960-an. Hal ini kadang-kadang tidak resmi digambarkan sebagai "militer", yang mencerminkan asal-usulnya. The "bentuk persegi panjang" set, berdasarkan IEC 60617-12 dan standar industri awal lainnya, memiliki garis persegi panjang untuk semua jenis gerbang dan memungkinkan representasi yang jauh lebih luas dari perangkat daripada yang mungkin dengan simbol-simbol tradisional. [3] The IEC Sistem telah diadopsi oleh standar lainnya, seperti EN 60617-12:1999 di Eropa dan BS EN 60617-12:1999 di Inggris.

Tujuan dari IEEE Std 91-1984 adalah untuk menyediakan metode seragam menggambarkan fungsi logika kompleks sirkuit digital dengan simbol skematik. Fungsi-fungsi ini lebih kompleks daripada sederhana AND dan gerbang OR. Mereka bisa menjadi skala menengah sirkuit seperti 4-bit counter ke sirkuit berskala besar seperti mikroprosesor. IEC 617-12 dan penggantinya IEC 60617-12 tidak secara eksplisit menunjukkan "bentuk yang khas" simbol, tetapi tidak melarang mereka. Ini adalah, bagaimanapun, ditunjukkan dalam ANSI / IEEE 91 (dan 91a) dengan catatan ini: "Simbol-bentuk khas, menurut IEC Publication 617, Part 12, tidak disukai, tetapi tidak dianggap bertentangan dengan standar itu." Kompromi ini dicapai antara masing IEEE dan IEC kelompok kerja untuk mengizinkan IEEE dan IEC standar berada di saling mematuhi satu sama lain.

Sebuah gaya ketiga simbol ini digunakan di Eropa dan masih disukai oleh beberapa, lihat kolom "DIN 40700" di tabel di Wikipedia bahasa Jerman .

Pada 1980-an, skema adalah metode utama untuk merancang kedua papan sirkuit dan IC kustom dikenal sebagai gate array . Hari IC kustom dan bidang-programmable gate array biasanya dirancang dengan Hardware Description Languages ​​(HDL) seperti Verilog atau VHDL .

Jenis  Bentuknya yang khas  Bentuk persegi panjang  Aljabar Boolean antara A & B Tabel kebenaran. Dalam elektronik gerbang NOT lebih sering disebut inverter. Lingkaran pada simbol disebut gelembung, dan digunakan dalam diagram logika untuk menunjukkan logika negasi antara negara logika eksternal dan negara logika internal (1 ke 0 atau sebaliknya). Pada diagram sirkuit itu harus disertai dengan pernyataan yang menegaskan bahwa logika positif atau negatif konvensi logika konvensi sedang digunakan (tingkat tegangan tinggi = 1 atau tingkat tegangan tinggi = 0, masing-masing). Wedge ini digunakan dalam diagram sirkuit untuk langsung mengindikasikan (tingkat tegangan tinggi = 0) masukan aktif-rendah atau output tanpa memerlukan konvensi seragam di seluruh diagram sirkuit. Ini disebut Polaritas Indikasi Direct. Lihat IEEE Std 91/91A dan IEC 60617-12. Baik gelembung dan wedge dapat digunakan pada khas-bentuk dan persegi panjang -bentuk simbol pada diagram sirkuit, tergantung pada logika konvensi yang digunakan. Pada logika diagram murni, hanya gelembung bermakna.

Dua gerbang lebih banyak fungsi eksklusif-OR atau XOR dan kebalikannya, eksklusif-NOR atau XNOR. Kedua masukan Exclusive-OR adalah benar hanya jika kedua nilai input yang berbeda, false jika mereka sama, terlepas dari nilai. Jika ada lebih dari dua input, gerbang menghasilkan benar pada output jika jumlah trues pada input adalah ganjil. Dalam prakteknya, gerbang ini dibangun dari kombinasi gerbang logika sederhana.

Implementasi

Sejak 1990-an, sebagian besar gerbang logika yang dibuat di CMOS teknologi (yaitu NMOS dan PMOS transistor yang digunakan). Seringkali jutaan gerbang logika yang dikemas dalam satu sirkuit terpadu .

Ada beberapa keluarga logika dengan karakteristik yang berbeda (konsumsi daya, kecepatan, biaya, ukuran) seperti: RDL (resistor-dioda logika), RTL (resistor-transistor logic), DTL (diode-transistor logic), TTL (transistor-transistor logika) dan CMOS (semikonduktor oksida logam komplementer). Ada juga sub-varian, misalnya standar CMOS logika vs jenis canggih menggunakan masih CMOS teknologi , tetapi dengan beberapa optimasi untuk menghindari kehilangan kecepatan karena PMOS transistor lebih lambat.

Implementasi non-elektronik yang bervariasi, meskipun beberapa dari mereka digunakan dalam aplikasi praktis. Banyak komputer digital awal elektromekanis, seperti Harvard Mark I , dibangun dari estafet logika gerbang, menggunakan elektro-mekanik relay . Gerbang logika dapat dibuat dengan menggunakan pneumatik perangkat, seperti estafet Sorteberg atau logika mekanis gerbang, termasuk pada skala molekuler. [8] gerbang Logic telah dibuat dari DNA (lihat DNA nanoteknologi ) dan digunakan untuk membuat komputer disebut MAYA (lihat MAYA II ). Gerbang logika dapat dibuat dari mekanika kuantum efek (meskipun komputasi kuantum biasanya menyimpang dari desain boolean). Foton logika gerbang menggunakan optik non-linear efek.