Logiikkaportti — määritelmä, totuustaulukot ja toimintaperiaate
Logiikkaportti – selkeä määritelmä, totuustaulukot ja toimintaperiaate. Opas digitaaliseen ON/OFF-logiikkaan, esimerkit ja käytännön sovellukset.
Logiikkaportti on elektroniikkakomponentti, jota voidaan käyttää johtamaan sähköä jonkin säännön perusteella. Portin ulostulo on se signaali, joka saadaan soveltamalla tätä sääntöä yhteen tai useampaan sisääntuloon. Nämä sisääntulot voivat olla kaksi johtoa tai muiden logiikkaporttien ulostulot, ja ne edustavat digitaalista tietoa (tyypillisesti bittiä: 0 tai 1).
Logiikkaportit ovat digitaalisia komponentteja, jotka yleensä toimivat kahdella eri jännitetasolla: positiivisella (”päällä”, eli looginen 1) ja nollatasolla (”pois päältä”, eli looginen 0). Tavallisia järjestelmäjännitteitä ovat esimerkiksi noin 5 V (TTL) ja 3,3 V tai pienemmät (nykyaikaiset CMOS-piirit). Käytännössä portin luotettava toiminta edellyttää, että sisääntulojännitteet sijaitsevat määritellyissä rajoissa (esim. Vih, Vil, Voh, Vol), jolloin portti tunnistaa signaalin oikein.
Logiikkaportit vertailevat sisääntulojensa tilaa käyttäen Boolean-logiikan sääntöjä ja tuottavat yhden tai useamman ulostulon. Kun portin looginen ehto täyttyy, portti on aktiivinen ja sen ulostulossa näkyy vastaava jännitetaso. Logiikkaporttien toiminta kuvataan usein totuustauluilla, jotka näyttävät kaikkien mahdollisten sisääntulojen yhdistelmien vastaavat ulostulot.
Yleisimmät logiikkaportit ja totuustaulukot
- NOT (invertti) — kääntää sisääntulon: 0 → 1, 1 → 0.
A Y = NOT A 0 1 1 0 - AND — antaa 1 vain, jos kaikki sisääntulot ovat 1.
A B Y = A AND B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 - OR — antaa 1, jos vähintään yksi sisääntulo on 1.
A B Y = A OR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 - NAND — AND:n kieltoteollinen: antaa 0 vain, jos kaikki sisääntulot ovat 1.
A B Y = NAND(A,B) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 - NOR — OR:n kieltoteollinen: antaa 1 vain, jos kaikki sisääntulot ovat 0.
A B Y = NOR(A,B) 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 - XOR (eksklusiivinen OR) — antaa 1, jos sisääntulot eroavat toisistaan.
A B Y = XOR(A,B) 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 - XNOR (ekvivalentti) — antaa 1, jos sisääntulot ovat samat.
A B Y = XNOR(A,B) 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Looginen esitys ja symbolit
Jokaisella porttityypillä on yleinen looginen lauseke (esimerkiksi AND: Y = A · B tai Y = A AND B; OR: Y = A + B) ja symboli, jota käytetään kytkentäkaavioissa. Esimerkiksi NOT-portti esitetään kolmion ja pienemmän ympyrän muodossa (ympyrä kuvaa negointia), AND- ja OR-portit taas erilaisina kaarevina tai suoria reunoja sisältävinä symboleina.
Rakenne ja toteutus
Logiikkaportit voidaan toteuttaa eri teknologioilla:
- TTL (bipolaariset transistorit) — perinteinen, nopea mutta kuluttaa enemmän tehoa kuin CMOS.
- CMOS (MOSFET-transistorit) — erittäin vähäinen lepotilavirta ja hyvä integraatioaste, käytössä monissa nykyaikaisissa IC:ssä; toimii eri jännitetasoilla (esim. 5 V, 3,3 V, 1,8 V).
- TTL/CMOS -yhdistelmät ja erikoispiirit — esimerkiksi palvelimeissa, mikrokontrolleriliitännöissä ja ohjelmoitavissa logiikkalaitteissa.
Suorituskyky ja käyttöominaisuudet
- Viive (propagation delay) — aika, jonka portti tarvitsee muuntaakseen sisääntulon muutoksen ulostuloksi. Tämä vaikuttaa maksiminopeuteen, jolla digitaalinen piiri voi toimia.
- Fan-out — kuinka monta seuraavan portin tuloa yhden portin ulostulo voi ohjata ilman signaalin heikkenemistä.
- Melun marginaalit — kuinka paljon häiriötä signaali voi sisältää ennen kuin se tulkitaan väärin; tekniset tiedot määrittelevät Vil/Vih-arvot.
- Tehonkulutus — CMOS-piireissä dynaaminen kulutus riippuu vaihtotiheydestä; TTL-kytkennöissä on yleensä suurempi jatkuva virrankulutus.
- Erikoisominaisuudet — avoin kollektor i / avoin drain -ulostulot, tri-state (kolmiasentoinen) ulostulot, jotka mahdollistavat bussin jakamisen.
Käyttökohteita ja esimerkkejä
Logiikkaportteja käytetään lähes kaikissa digitaalisissa järjestelmissä: laskimissa, tietokoneiden prosessoreissa, muisteissa, signaalin käsittelyssä ja ohjauksessa. Ne muodostavat monimutkaisempia lohkoja, kuten lisääjiä, monivalitsimia, dekoodereita ja rekistereitä. Esimerkiksi 1-bittinen puolilaskin (half-adder) rakentuu XOR- ja AND-porteista.
Yhteenveto
Logiikkaportit ovat Boolen logiikan elektronisia toteutuksia, joiden toimintaa kuvataan totuustaulukoilla. Niiden valinta ja toteutus vaikuttavat järjestelmän nopeuteen, luotettavuuteen ja tehonkulutukseen. Perusteiden ymmärtäminen — porttityypit, totuustaulut, teknologiat ja sähköiset rajat — on tärkeää digitaalisien piirikytkentöjen suunnittelussa.
AND-logiikkaportti
AND-porteilla on kaksi sisääntuloa. AND-portin lähtö on päällä vain, jos molemmat sisääntulot ovat päällä. Jos ainakin toinen tuloista on pois päältä, lähtö on pois päältä.
Oikeanpuoleisen kuvan avulla, jos A ja B ovat molemmat tilassa On, ulostulo (out) on tilassa On. Jos jompikumpi A tai B on pois päältä -tilassa, myös ulostulo on pois päältä -tilassa. A:n ja B:n on oltava päällä, jotta lähtö olisi päällä.
| Totuustaulukko | ||
| INPUT | OUTPUT | |
| A | B | A JA B |
| Osoitteessa | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Osoitteessa | Off | Off |
| Off | Osoitteessa | Off |
| Off | Off | Off |
Yleinen ajatus AND-logiikkaportin symbolista
OR-logiikkaportti
TAI-porteilla on kaksi sisääntuloa. TAI-portin ulostulo on päällä, jos vähintään yksi tuloista on päällä. Jos molemmat tulot ovat pois päältä, lähtö on pois päältä.
Oikealla olevan kuvan mukaan, jos joko A tai B on päällä, myös ulostulo (out) on päällä. Jos sekä A että B ovat Pois päältä, ulostulo on Pois päältä.
| Totuustaulukko | ||
| INPUT | OUTPUT | |
| A | B | A TAI B |
| Osoitteessa | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Osoitteessa | Off | Osoitteessa |
| Off | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Off | Off | Off |
Yleinen ajatus OR-logiikkaportin symbolista.
NOT-logiikkaportti
NOT-logiikkaportilla on vain yksi tulo. Jos tulo on päällä, lähtö on pois päältä. Toisin sanoen NOT-logiikkaportti vaihtaa signaalin joko On:sta Off:ksi tai Off:sta On:ksi. Sitä kutsutaan joskus invertteriksi.
| Totuustaulukko | |
| INPUT | OUTPUT |
| A | EI A |
| Off | Osoitteessa |
| Osoitteessa | Off |
NOT-logiikkaportin symbolin yleiskuvaus
XOR-logiikkaportti
XOR-porteilla ("exclusive or") on kaksi sisääntuloa. XOR-portin ulostulo on tosi vain, jos kaksi sisääntuloa eroavat toisistaan. Jos molemmat sisääntulot ovat samat, lähtö on pois päältä.
| Totuustaulukko | ||
| INPUT | OUTPUT | |
| A | B | A XOR B |
| Osoitteessa | Osoitteessa | Off |
| Osoitteessa | Off | Osoitteessa |
| Off | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Off | Off | Off |
XOR-logiikkaportin symbolin yleiskuvaus
NAND-logiikkaportti
NAND tarkoittaa, että ei molempia. Sen nimi on NAND, koska se tarkoittaa "ei ja". Tämä tarkoittaa sitä, että se antaa aina totuuden, elleivät molemmat tulot ole päällä.
| Totuustaulukko | ||
| INPUT | OUTPUT | |
| A | B | A NAND B |
| Osoitteessa | Osoitteessa | Off |
| Osoitteessa | Off | Osoitteessa |
| Off | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Off | Off | Osoitteessa |
NAND-logiikkaportin symbolin yleiskuvaus
XNOR-logiikkaportti
XNOR tarkoittaa "ei yksinomainen tai". Tämä tarkoittaa, että se antaa tuloksen true vain, jos molemmat syötteet ovat samat. Se on XOR-logiikkaportin vastakohta.
| Totuustaulukko | ||
| INPUT | OUTPUT | |
| A | B | A XNOR B |
| Osoitteessa | Osoitteessa | Osoitteessa |
| Osoitteessa | Off | Off |
| Off | Osoitteessa | Off |
| Off | Off | Osoitteessa |
Yleinen ajatus XNOR-logiikkaportin symbolista.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on logiikkaportti?
V: Logiikkaportti on elektroninen komponentti, jota voidaan käyttää sähkön johtamiseen jonkin säännön perusteella. Portin ulostulo määräytyy soveltamalla tätä sääntöä yhteen tai useampaan sisääntuloon, jotka voivat olla kaksi johdinta tai muiden logiikkaporttien ulostulo.
K: Miten logiikkaportit toimivat?
V: Logiikkaportit toimivat yleensä vain kahdella jännitetasolla, positiivisella tasolla ja nollatasolla. Yleisesti ne toimivat kahden tilan - On ja Off - perusteella. On-tilassa jännite on positiivinen ja Off-tilassa jännite on nollassa. Päällä-tilassa käytetään yleensä jännitettä, joka on välillä 3,5-5 volttia, mutta joissakin käyttötarkoituksissa jännite voi olla alhaisempi. Logiikkaportit vertailevat sisääntulojensa tilaa päättääkseen, mikä niiden ulostulon tilan pitäisi olla, ja ne ovat aktiivisia, kun niiden säännöt täyttyvät oikein.
Kysymys: Millaista logiikkaa logiikkaportit käyttävät?
V: Logiikkaportit ovat elektronisia versioita Boolen logiikasta, mikä tarkoittaa, että totuustaulukot kertovat, mikä on ulostulo riippuen annetuista syötteistä.
K: Ovatko kaikki jännitteet "päällä"-tilassa yhtä suuret?
V: Ei, kaikki "On"-tilan jännitteet eivät ole yhtä suuria, koska siinä käytetään yleensä jännitettä, joka on välillä 3,5-5 volttia, mutta tämä alue voi olla alhaisempi joissakin käyttötarkoituksissa.
K: Onko kaikentyyppisillä logiikkaporteilla kaksi sisääntuloa?
V: Ei välttämättä - joissakin tyypeissä voi olla enemmän kuin kaksi tuloa, kun taas toisissa voi olla vain yksi tulo tai ei yhtään tuloa käyttötarkoituksesta ja suunnittelusta riippuen.
K: Virtaako logiikkaportin läpi aina sähköä, kun se on aktiivinen?
V: Kyllä, kun logiikkaportti on aktiivinen tai sen säännöt täyttyvät oikein, sen läpi virtaa sähköä ja sen lähtö asetetaan sen On-tilan jännitetasolle (yleensä 3-5 V).
Etsiä