Что такое логический элемент компьютера
Перейти к содержимому

Что такое логический элемент компьютера

  • автор:

Логические элементы компьютера

Основные логические элементы реализуют 3 основные логические операции:

  • логическое умножение;
  • логическое сложение;
  • инверсию (отрицание).

Устройства компьютера, которые выполняют обработку и хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов, у которых $2$ входа и $1$ выход. К логическим устройствам компьютера относятся группы переключателей, триггеры, сумматоры.

Связь между алгеброй логики и компьютерной техникой также лежит в двоичной системе счисления, которая используется в ЭВМ. Поэтому в устройствах ПК можно хранить и обрабатывать как числа, так и значения логических переменных.

Определение 1

Логический элемент компьютера – это часть электронной схемы, которая выполняет элементарную логическую функцию.

Переключательные схемы

В ЭВМ используются электрические схемы, которые состоят из большого количества переключателей. Переключатель, находясь в замкнутом состоянии ток пропускает, в разомкнутом – не пропускает. Работа таких схем удобно описывается при помощи алгебры логики. В зависимости от состояния переключателя можно регулировать получение или неполучение сигналов на выходах.

Вентили

Среди логических элементов компьютеров выделяют электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ и другие (их называют вентили).

Эти схемы позволяют реализовать любую логическую функцию, которая описывает работу устройств ПК. Обычно вентили имеют $2–8$ входов и $1$ или $2$ выхода.

Для представления двух логических состояний ($1$ и $0$) в вентилях, входные и выходные сигналы имеют разные уровни напряжения. Например, $+3 \ B$ (вольт) для состояния $«1»$ и $0 \ B$ для состояния $«0»$.

У каждого логического элемента есть условное обозначение, выражающее его логическую функцию, но не указывающее на электронную схему, которая в нем реализована. Такой подход реализован для упрощения записи и понимания сложных логических схем.

«Логические элементы компьютера» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Работа логических элементов описывается таблицами истинности.

Триггер

Триггеры и сумматоры состоят из вентилей.

Триггер – важнейшая структурная единица оперативной памяти ПК и внутренних регистров процессора.

Определение 2

Триггер – логическая схема, которая способна хранить $1$ бит информации ($1$ или $0$). Строится на $2$-х элементах ИЛИ–НЕ или на $2$-х элементах И–НЕ.

Самый распространённый тип триггера – $RS$-триггер (Reset/Set), который имеет $2$ входа $S$ и $R$ и два выхода $Q$ и $\bar$. На каждый из входов $S$ и $R$ могут подаваться входные сигналы в виде кратковременных импульсов (рис.3): есть импульс – $1$, нет импульса – $0$.

Кратковременный импульс

Рисунок 3. Кратковременный импульс

Сумматор

Сумматоры широко применяются в арифметико-логических устройствах процессора и отвечают за суммирование двоичных разрядов.

Определение 3

Сумматор – логическая схема, которая способна суммировать 2 одноразрядных двоичных числа с переносом из предыдущего разряда.

Сумматор может находить применение и в других устройствах машины.

Для суммирования двоичных слов длиной от двух бит можно использовать последовательное соединение многоразрядных сумматоров, причём для двух соседних сумматоров выход переноса одного сумматора является входом для другого.

Пример реализации логической схемы

Алгоритм реализации:

  1. Определим количество переменных данного выражения, значит столько входов будет иметь схема. В данном случае это входы $A, B, C$.
  2. С помощью базовых логических элементов реализуются основные операции в порядке их следования: I – инверсия переменных $A, B, C$ реализуется логическим элементом «НЕ»; II – логическое умножение реализуется логическим элементом «И»; III – логическое сложение реализуется логическим элементом «ИЛИ».

На выходе каждого элемента прописывается логическое выражение, которое реализуется данным элементом, что позволяет осуществить обратную задачу, т.е. по готовой схеме составить логическое выражение, которое реализует данная схема.

Логические элементы и таблицы истинности

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас. Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе. Итак, какие бывают элементы? Элемент «И» (AND) Иначе его называют «конъюнктор». Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем. Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Элемент И

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам. Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе. Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше. Элемент «ИЛИ» (OR) По другому, его зовут «дизъюнктор». Любуемся:

Элемент ИЛИ

Опять же, название говорит само за себя. На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули. Едем дальше. Дальше у нас очень простенький, но очень необходимый элемент. Элемент «НЕ» (NOT) Чаще, его называют «инвертор».

Элемент НЕ

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы? Ну тогда поехали дальше. Следующие два элемента получаются путем установки инвертора на выход элементов «И» и «ИЛИ». Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» — единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Эквивалентная схема элемента И-НЕ

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Элемент ИЛИ-НЕ

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе. Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR) Он вот такой:

Элемент исключающее ИЛИ

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры. Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый. Эквивалентная схема примерно такая:

Эквивалентная схема элемента исключающее ИЛИ

Некоторые микросхемы

Ее запоминать не обязательно. Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4. Далее мы позанудствуем о том, как синтезировать цифровую схему, имея ее таблицу истинности. Это совсем несложно, а знать надо, ибо пригодится (еще как пригодится) нам в дальнейшем. Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе. Источник: radiokot.ru

none Опубликована: 2005 г. 0 1

Вознаградить Я собрал 0 0

Оценить статью

  • Техническая грамотность

Логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их таблицы истинности

Логические элементы — это базовые компоненты цифровых систем, которые выполняют определенные логические операции над входными данными. Они являются основой для построения более сложных цифровых устройств, таких как микропроцессоры, запоминающие устройства и другие.

Логический элемент — элемент устройства или функциональная группа, реализующая функцию или систему функций двоичной алгебры логики.

Электронные логические схемы широко используются в калькуляторах, компьютерах, телефонных станциях и во всех приложениях, где задействованы системы с двумя состояниями.

Система с двумя состояниями имеет только два уровня в любой точке, они называются «включено» или «выключено», «да» или «нет», «вверх» или «вниз» и так далее. Логические элементы — это небольшие электронные подсистемы, которые выполняют логические решения НЕ, И, ИЛИ и т. д., встроенные в любое цифровое электронное оборудование.

Цифровые схемы — это тип электронных схем, в которых сигналы обычно имеют два уровня напряжения и обозначаются цифрами 0 и 1, что позволяет использовать алгебру логики, поэтому эти схемы называются логическими схемами.

Л огические схемы являются основными элементами современной электроники. Благодаря пониженной чувствительности к помехам цифровые схемы обеспечивают лучшие результаты и меньшую интенсивность отказов. Логические элементы можно использовать во многих электронных проектах.

Используя логические элементы и полагаясь на логическую алгебру, мы можем создавать и проектировать различные системы, такие как системы сигнализации, цифровые радиоприемники или даже компьютер.

Логические схемы включают логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Булевы функции, используемые в логических схемах, представляют собой математические модели логических схем.

Цифровые микросхемы на плате электронного устройства

Что такое логические элементы

Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе — также получается в виде напряжения определенного уровня.

Операнды в данном случае подаются в двоичной системе счисления — на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня — это логическая единица 1 — обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 — значение ложное. 1 — ИСТИНА, 0 — ЛОЖЬ.

Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Все цифровые логические схемы можно отнести к одной из двух категорий: либо к комбинационным (также называемым комбинаторными), либо к последовательным логическим схемам.

Выходной логический уровень комбинационной схемы зависит только от текущих логических уровней на входах схемы. И наоборот, последовательные логические схемы имеют характеристику памяти, из-за чего выход последовательной схемы зависит не только от текущих входных условий, но и от текущего состояния выхода схемы.

Основным строительным блоком комбинационных схем является логический элемент. Тремя простейшими функциями логических элементов являются НЕ, И и ИЛИ.

Логический элемент — это базовый строительный блок логических схем, который выполняет логическую функцию. Обычно он имеет один или несколько входов и один выход. Значение на выходе логического члена является функцией входных значений. Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, можно реализовать любую логическую схему и, следовательно, любую цифровую систему.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных.

Логическая функция — это функция, которая возвращает логические значения для конечного числа входных параметров. Она используется в математической логике, в области теории управления, в цифровой и микропроцессорной технике. Параметры булевой функции являются булевыми переменными.

Логическую функцию можно задать с помощью словесного описания, таблицы истинности, аналитически в виде алгебраического выражения (логического уравнения) или графически с логическими символами.

С уществуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.

Логические элементы реализуют элементарные логические функции. Они используются для построения логических схем большей сложности.

Логические элементы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их таблицы истинности

В зависимости от устройства схемы элемента, от ее электрических параметров, логические уровни (высокие и низкие уровни напряжения) входа и выхода имеют одинаковые значения для высокого и низкого (истинного и ложного) состояний.

Интегральная микросхема

Традиционно логические элементы выпускаются в виде специальных радиодеталей — интегральных микросхем

Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) — являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов.

Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, можно реализовать любую логическую схему и, следовательно, цифровую систему. Члены И и ИЛИ дополняют друг друга с помощью члена НЕ. Это значит, что их можно подменять друг другом удобным способом. Любая цифровая система может быть реализована только с помощью логических элементов И-ИЛИ или НЕ-ИЛИ или И и НЕ или ИЛИ и НЕ (всегда достаточно элементов с двумя входами).

Далее рассмотрим каждый из этих типов логических элементов более внимательно.

Логический элемент «И» — конъюнкция, логическое умножение, AND

«И» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. — элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» — дизъюнкция, логическое сложение, OR

«ИЛИ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента 2ИЛИ

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» — отрицание, инвертор, NOT

«НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для элемента НЕ

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах — прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» — конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

«И-НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента И-НЕ

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы — три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой логической операции в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» — дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

«ИЛИ-НЕ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» — инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента ИЛИ-НЕ

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае — на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» — сложение по модулю 2, XOR

«исключающее ИЛИ» — логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход. Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента.

Изображение в западных схемах — как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной — как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Таблица истинности

Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль — в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.

Логические элементы и их таблицы истинности

Логические элементы 2И, 2ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ, таблицы истинности, условные обозначения логических операций и контактно-релейные схемы

Логические схемы

Принципы работы логических схем на самом деле очень просты. Микроволновая печь, стиральная машина, механизм открывания гаражных ворот и компьютер в основном управляются логическими схемами, которые оценивают определенную ситуацию в соответствии с разработанной логической функцией.

Представим себе, к примеру, лифт, где необходимо следить, закрыта ли дверь, не перегружена ли она и не нажата ли кнопка выбора этажа и т. д. Вышеприведенные факты являются для нас так называемыми «входными переменными».

В соответствии с разработанной логической схемой он затем использует свои «выходные функции» для включения двигателя, подачи сигнала о перегрузке или срабатывания сигнализации при внезапной блокировке лифта, т. е. он автоматически управляет работой лифта.

Логическая зависимость «выходов» от «входов» решается внутренней структурой. Она разработана в соответствии с принципами алгебры логики и может быть решена как комбинационная или последовательная логическая схема. Реальная физическая реализация зависит только от наших возможностей.

Контроллер для управления лифтом в многоэтажном доме

Контроллер управления лифтом

Аппаратная и программная реализация логических схем

Любой логический элемент может быть реализован путем подходящего соединения транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов. Часто можно встретить логические устройства в виде интегральных схем (например, серии 74хх), в которых затворы собраны из нескольких транзисторов.

В настоящее время дискретные логические элементы используются очень мало и заменяются логическими схемами более высокой степени интеграции, выполняющими более сложные логические функции. Однако эти функции по-прежнему реализуются из множества более простых схем.

Цифровые схемы позволяют обрабатывать цифровые сигналы просто и в то же время очень быстро. Автоматизация, робототехника, компьютеры, телекоммуникационное оборудование — вот области техники, в которых мы наблюдаем больше всего экспоненциальный рост, в основном за счет использования все новых и новых поколений цифровых схем.

С точки зрения конструкции и технологии все цифровые интегральные схемы можно разделить на биполярные, в которых основными элементами являются биполярные транзисторы и однополярные, называемые также МОП-схемами, где основные к омпоненты — МОП-транзисторы.

Просматривая каталоги производителей цифровых схем, можно легко заметить, что элементы И-НЕ являются самым широким предложением, потому что они чаще всего используются пользователями.

Логические элементы, как цифровые схемы с не очень сложной структурой, относятся к малогабаритным интегральным схемам, так называемым SSI (Small Scale Integration) — тип интеграции для цифровых схем, содержащих десятки транзисторов, обеспечивающих несколько логических элементов на кристалл.

Один чип микропроцессора содержит несколько миллионов транзисторов. Схемы с таким уровнем интеграции называются VLSI (Very Large Scale Integration).

В области управления логические элементы используются при проектировании логических схем, которые затем выполняются программируемыми логическими контроллерами. В этом случае логические элементы являются виртуальными, а выполнение выбранной логической функции обеспечивается программным алгоритмом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Логические элементы компьютера

Все вычисления в компьютерах выполняются с помощью логических элементов — электронных схем, которые выполняют логические операции.

Триггер — это логическая схема, которая способна запоминать 1 бит данных.
Триггер может находиться только в двух состояниях (0 и 1).
На основе триггеров строится быстродействующая оперативная память.
RS- триггер — тип триггера, с двумя входами и двумя выходами.
Регистр — триггеры, объединенные в единый блок для хранения многоразрядных данных.

Сумматор — это логическая схема для сложения (суммирования) двоичных чисел, основа арифметического устройства современного компьютера.

Полусумматор выполняет сложение двух битов с учетом того, что в результате может получиться двухразрядное число (с переносом в следующий разряд).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *