Cổng số học

Trong lĩnh vực điện tử, cổng số học (tiếng Anh: logic gate) là một mạch điện thực hiện các phép toán logic dựa trên lý thuyết Boole. Điều này có nghĩa là nó thực hiện các phép toán logic trên một hoặc nhiều đầu vào và tạo ra một đầu ra logic duy nhất, với thời gian xử lý lý tưởng là không có độ trễ.

Những cổng đơn giản nhất có số lượng đầu vào tối thiểu cho phép toán (1 hoặc 2) thường được coi là cổng cơ bản. Có 8 loại cổng: cổng Đệm, cổng NOT (đảo), cổng OR, cổng AND, cổng NOR, cổng NAND, cổng XOR, cổng XNOR. Các cổng phức tạp hơn có nhiều đầu vào hơn và đi kèm với bảng chân lý dựa trên đại số Boole.

Nguyên lý hoạt động

Cổng số học được xây dựng bằng cách sử dụng diode hoặc transistor như công tắc điện tử. Trước đây, chúng có thể được chế tạo từ đèn điện tử chân không, rơ le điện từ, quang học, hoặc thậm chí các cơ cấu cơ học, nhưng những phương pháp này đã lỗi thời hoặc không còn phù hợp. Hiện nay, công nghệ lượng tử đang hướng đến việc sử dụng các phân tử.

Hiện tại, trong ngành công nghiệp điện tử, các cổng logic thường được chế tạo dưới dạng mạch tích hợp (IC), hoặc là một thành phần trong các IC lớn hơn, cho đến các mạch tích hợp cỡ lớn (LSI). Các thành phần thực thi cũng đã thay đổi, với transistor theo sơ đồ bù (complementary), và có hai loại IC chính:

• TTL sử dụng transistor lưỡng cực, như họ 7400, ví dụ IC 4 cổng NAND 7400.
• CMOS sử dụng MOSFET complementary, như họ 4000, ví dụ IC 4 cổng NAND 4011.

Trong thực tế, các mạch không bao giờ lý tưởng và có những đặc điểm như:

• Độ trễ thực thi: thời gian chênh lệch giữa khi nhận kết quả và thời gian tín hiệu đến.
• Tần số hoạt động cao nhất.
• Mức điện áp ngưỡng đầu vào logic: phụ thuộc vào cách chế tạo mạch của nhà sản xuất. TTL thường có mức 0.7 V, trong khi CMOS là một nửa mức điện áp nguồn. Điều này dẫn đến việc phải xem xét tính tương thích mức logic khi kết nối các mạch thuộc các họ khác nhau với nhau.
• Khả năng chịu tải đầu ra.

Biểu tượng

Có hai bộ ký hiệu cho các cổng logic cơ bản. Cả hai đều được định nghĩa trong ANSI / IEEE Std 91-1984 và phụ lục của ANSI / IEEE Std 91a-1991. Các 'hình dạng đặc trưng' được thiết lập dựa trên sơ đồ truyền thống, được sử dụng trong các bản vẽ đơn giản, có nguồn gốc từ MIL-STD-806 của những năm 1950 và 1960. Đôi khi nó được không chính thức gọi là 'quân đội', phản ánh nguồn gốc của nó.

Bộ ký hiệu 'hình chữ nhật' dựa trên tiêu chuẩn ANSI Y32.14 và các tiêu chuẩn ban đầu khác, sau này được tinh chỉnh bởi IEEE và IEC, với viền hình chữ nhật cho tất cả các loại cổng và cho phép biểu diễn nhiều chi tiết hơn so với các hình dạng truyền thống.

Tiêu chuẩn IEC 60617-12 đã được nhiều bộ tiêu chuẩn khác chấp nhận, chẳng hạn như EN 60617-12:1999 ở châu Âu và BS EN 60617-12:1999 tại Vương quốc Anh.

Ứng dụng

Cổng logic phổ quát

Charles Sanders Peirce (mùa đông 1880–81) đã chỉ ra rằng chỉ cần cổng NOR (hoặc cổng NAND) có thể dùng để tạo ra các mạch có chức năng tương đương với các cổng logic khác, mặc dù nghiên cứu của ông không được công bố cho đến năm 1933. Bằng chứng đầu tiên được Henry M. Sheffer công bố năm 1913, vì vậy toán tử logic NAND đôi khi được gọi là Sheffer stroke; toán tử NOR thường được gọi là mũi tên của Peirce. Vì vậy, các cổng này được gọi là Cổng logic phổ quát.

Cổng logic ba trạng thái

Cổng logic ba trạng thái (Tri-state logic) là loại cổng logic có thể tạo ra ba loại tín hiệu đầu ra: cao (H), thấp (L) và trở kháng cao (Z). Trạng thái trở kháng cao không ảnh hưởng đến logic, mà chỉ có trạng thái nhị phân mới quan trọng. Các mạch này thường được sử dụng trên bus của CPU để cho phép nhiều vi xử lý gửi thông tin qua. Một nhóm cổng ba trạng thái điều khiển một đường dây với mạch điều khiển thích hợp cơ bản giống như một multiplexer, phân chia tín hiệu đến các thiết bị riêng lẻ hoặc các thẻ cắm mở rộng.

Trong điện tử học, tín hiệu cao (H) biểu thị rằng đầu ra đang nhận năng lượng từ nguồn điện dương (điện thế dương). Tín hiệu thấp (L) cho thấy đầu ra đang chuyển dòng điện sang nguồn điện âm (điện thế 0). Trạng thái trở kháng cao có nghĩa là đầu ra đã được ngắt khỏi mạch điện.

Quá trình sản xuất

Kể từ những năm 1990, hầu hết các cổng logic được sản xuất bằng công nghệ CMOS (sử dụng transistor NMOS và PMOS). Hàng triệu cổng logic được tích hợp trong một vi mạch.

Có nhiều loại logic family với các đặc điểm khác nhau như: mức tiêu thụ điện, tốc độ, chi phí, kích thước, chẳng hạn như: RDL (logic điện trở-diode), RTL (logic điện trở-transistor), DTL (logic diode-transistor), TTL (logic transistor-transistor) và CMOS (logic chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung). Cũng có các biến thể như CMOS logic thông thường và loại nâng cao, vẫn dùng công nghệ CMOS nhưng với các tối ưu hóa để cải thiện tốc độ do sự chậm trễ của transistor PMOS.

Các triển khai phi điện tử rất đa dạng, nhưng ít được ứng dụng thực tế. Nhiều máy tính cơ điện tử đầu tiên, như Harvard Mark I, sử dụng cổng relay logic với các relay cơ điện tử. Cổng logic cũng có thể được tạo ra bằng các thiết bị khí nén, như relay Sorteberg hay cổng logic cơ học, và thậm chí trên quy mô phân tử. Có cổng logic dựa trên DNA (xem công nghệ nano DNA) và được sử dụng trong máy tính MAYA (xem MAYA II). Cổng logic có thể được chế tạo bằng hiệu ứng cơ học lượng tử (mặc dù tính toán lượng tử thường phân biệt với thiết kế boolean). Cổng logic quang học sử dụng hiệu ứng quang học phi tuyến tính.

Về lý thuyết, việc sử dụng các cổng logic đầy đủ chức năng (như cổng NOR hoặc NAND) có thể tạo ra tất cả các loại cổng logic khác. Tuy nhiên, việc sử dụng cổng logic ba trạng thái cho hệ thống bus là không cần thiết và có thể thay thế bằng multiplexer, có thể được chế tạo từ các cổng logic cơ bản (như cổng NAND, NOR, AND hoặc OR).

Lịch sử và sự phát triển

Hệ thống số nhị phân đã được Gottfried Wilhelm Leibniz hoàn thiện và công bố vào năm 1705, khi ông cho rằng các nguyên tắc của số học và logic có thể được kết hợp qua hệ thống nhị phân. Trong một bức thư năm 1886, Charles Sanders Peirce mô tả cách các phương pháp logic có thể được thực hiện bằng mạch chuyển mạch điện. Sau đó, ống chân không đã thay thế rơ le trong các mạch logic. Việc thay đổi của Lee De Forest vào năm 1907 với van Fleming có thể được sử dụng như một cổng logic AND & unclear translator. Ludwig Wittgenstein giới thiệu bảng dữ liệu logic 16 hàng trong Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Walther Bothe, người phát minh ra mạch trùng hợp ngẫu nhiên, nhận giải Nobel Vật lý năm 1954 cho cổng logic AND hiện đại đầu tiên vào năm 1924. Konrad Zuse thiết kế và chế tạo các cổng logic cơ điện cho máy tính Z1 từ năm 1935 đến 1938. Claude E. Shannon giới thiệu việc sử dụng đại số Boole trong phân tích và thiết kế mạch chuyển mạch vào năm 1937. Nghiên cứu hiện đại tiếp tục với các cổng logic phân tử.

• Ký hiệu điện tử
• Sơ đồ mạch điện

Liên kết bên ngoài