آشنایی با مفهوم گیت منطقی یا دروازه منطقی به زبان ساده 

9گیت های منطقی یا همان Logic Gates در رده مهم ترین عناصر سازنده مدارات و قطعات دیجیتال قرار می گیرند و پایه و اساس گسترش فناوری دیجیتال در دنیای امروزی به حساب می آیند. اگر اطلاع چندانی در این زمینه ندارید، پیشنهاد میکنم تا انتهای این مطلب با ما همراه باشید چون قصد داریم در این مطلب به معرفی انواع گیت های منطقی و کاربرد آنها بپردازیم.

گیت منطقی (Logic Gate) یا دروازه منطقی چیست؟

گیت های منطقی، دستگاه های الکترونیکی دیجیتالی کوچکی هستند که با دو ورودی، جبر بولی را انجام می دهند و یک خروجی ارائه می دهند و داده ها باینری یا دودویی هستند؛ یعنی منطقی 1، درست یا زیاد است و منطق 0 به معنای غلط یا کم است. بر اساس دروازه منطقی، عملیات منطقی متفاوت است؛ در نتیجه خروجی نیز متفاوت است. هر گیت منطقی از یک جدول صحت (Truth Table) پیروی می کند که ترکیب های ممکن ورودی و خروجی به دست آمده مربوطه را نشان می دهد.

عملکرد هر گیت منطقی به راحتی قابل درک است و شبیه به عملیات جمع و ضرب است که قبلاً در ریاضیات معمولی دیده اید. یک گیت منطقی مشابه یک کلید چراغ عمل می کند، به طوری که در صورتی که خروجی 0 باشد، روشن می شود. به دستگاه های الکترونیکی مختلف، فرمی با دروازه های منطقی داده می شود و به همراه دیودها، ترانزیستورها و رله ها استفاده می شوند. برخی از پر کاربردترین خانواده‌های ترانزیستور مانند سری TTL 7400 از و سری CMOS 4000 با کمک گیت های منطقی در مقیاس کوچک ساخته شده‌اند. همچنین گیت های منطقی به طور عمده در آی سی ها مورد استفاده قرار می گیرند. نکته مهمی که در خرید آی سی منطقی باید در نظر داشته باشید، اورجینال و با کیفیت بودن آن است.

انواع گیت های منطقی و جدول صحت گیت های منطقی

هفت گیت منطقی اصلی وجود دارد: AND، OR، XOR، NOT، NAND، NOR و XNOR.

در این بخش به تفصیل درباره هفت دروازه منطقی اساسی و جدول صحت بحث خواهیم کرد:

گیت AND

شما می توانید گیت AND را در دسته گیت های منطقی اولیه قرار دهید زیرا می توانید برخی از دروازه های منطقی آینده مانند NAND را از آن متوجه شوید. این دروازه، عمل ضرب یا نقطه (.) را روی ورودی های منطقی انجام می دهد. همانطور که مشاهده می شود A و B دو ورودی هستند که به پایانه ها تغذیه می شوند و O به عنوان خروجی نگه داشته می شود. هنگامی که جدول صحت دروازه AND را با دقت مشاهده می کنید، خروجی تنها زمانی زیاد است که هر دو ورودی بالا باشند، در غیر این صورت در موارد دیگر، خروجی کم است.

گیت AND به این دلیل نامیده می شود که اگر 0 “نادرست” و 1 “درست” نامیده شود، دروازه مانند عملگر منطقی “and” عمل می کند. تصویر و جدول بالا نماد مدار و ترکیبات منطقی یک دروازه AND را نشان می دهد (در نماد، پایانه های ورودی در سمت چپ و ترمینال خروجی در سمت راست قرار دارند.). زمانی که هر دو ورودی “true” باشند، خروجی “true” است. در غیر این صورت، خروجی نادرست یا “false” است. به عبارت دیگر، تنها زمانی خروجی 1 است که هر دو ورودی یک و دو، 1 باشند.

گیت OR

گیت منطقی OR برخلاف AND یک دروازه ضروری است زیرا XOR و XNOR از آن قابل درک است. گیت OR عملیات جمع ساده یا “+” را با ورودی ها انجام می دهد. تنها زمانی که هر دو ورودی 0 باشند خروجی کم یا 0 است و در بقیه موارد خروجی زیاد یا 1 است.

دروازه OR نام خود را از این واقعیت گرفته است که مطابق با مد منطقی شامل “یا” رفتار می کند. خروجی “درست” است اگر یکی یا هر دو ورودی “درست” باشد. اگر هر دو ورودی “نادرست” باشند، خروجی “نادرست” است. به عبارت دیگر، برای اینکه خروجی 1 باشد، حداقل ورودی یک یا دو باید 1 باشد.

گیت NOT

ساده ترین دورازه در میان تمامی گیت های منطقی، گیت منطقی NOT است. این یک عملیات معکوس را روی یک ورودی واحد انجام می دهد. فقط یک ترمینال در NOT موجود است و اگر داده ها 1 باشد، خروجی 0 خواهد بود و اگر ورودی 0 باشد، خروجی 1 است.

یک اینورتر منطقی که گاهی اوقات برای متمایز کردن آن از سایر انواع اینورترهای الکترونیکی، دروازه NOT نامیده می شود، تنها یک ورودی دارد و همانطور که گفته شد، حالت منطقی را معکوس می کند. اگر ورودی 1 باشد، خروجی 0 است. اگر ورودی 0 باشد، خروجی 1 است.

گیت NAND

گیت AND و به دنبال آن یک گیت NOT ایده اصلی پشت گیت منطقی NAND، یکی از دروازه های جهانی هستند. هنگامی که خروجی دروازه AND را معکوس می کنید، نتیجه خروجی به دست آمده در ترمینال دیگر است. برای درک بیشتر عملیات NAND به جدول صحت زیر نگاه کنید.

گیت NAND به عنوان یک دروازه AND و به دنبال آن یک دروازه NOT عمل می کند. به شیوه عملیات منطقی «و» و به دنبال آن نفی عمل می کند. اگر هر دو ورودی “درست” باشند، خروجی “نادرست” است. در غیر این صورت، خروجی “درست” است.

گیت NOR

NOR ترکیب یا وارونگی دروازه منطقی OR است و همچنین یک دروازه منطقی جهانی است. وقتی ورودی ها کم یا نادرست هستند، خروجی حاصل زیاد یا درست است.

گیت XOR

گیت XOR به دروازه NOR انحصاری (exclusive) نیز معروف است. وقتی جدول صحت XOR را مشاهده می کنید، می توانید متوجه شوید که اگر ورودی زیاد باشد، نتیجه هم زیاد یا درست است. دروازه XOR به همان روش منطقی “یا” عمل می کند. خروجی “درست” است اگر یکی، اما نه هر دو، از ورودی ها “درست” باشد. خروجی “نادرست” است اگر هر دو ورودی “نادرست” باشند یا هر دو ورودی “درست” باشند. روش دیگر برای نگاه کردن به این مدار این است که مشاهده کنید که اگر ورودی ها متفاوت باشد، خروجی 1 است، اما اگر ورودی ها یکسان باشند، 0 است.

گیت XNOR

XNOR یا گیت انحصاری NOR بر اساس گیت NOR عمل می کند. هنگامی که یک وارونگی در دروازه NOR وجود دارد، دروازه XNOR را دریافت می کنید. خروجی این دروازه درست مخالف خروجی دروازه XOR است. اگر هر یک از ورودی ها زیاد باشد، خروجی کم یا 0 است.

مزایای تحلیل دروازه منطقی

• بیشتر وسایل یا مدارهای الکترونیکی که در زندگی روزمره خود استفاده می کنیم، گیت های منطقی را تشکیل می دهند.
• هر دستگاه دیجیتال نسل حاضر مانند لپ تاپ، رایانه، تبلت و تلفن همراه از گیت های منطقی استفاده می کند. به عنوان مثال، اجازه دهید حافظه کامپیوتر را در نظر بگیریم.
• گیت منطقی عملکرد ذخیره سازی داده ها را دارد و از این رو آنها با یکدیگر ترکیب می شوند تا یک مدار “لچ” را تشکیل دهند و هنگامی که توسط سیگنال های کلاک هدایت می شوند، “Flip-flops” ایجاد می کنند.
• آنها به عنوان منطق ترتیبی یا منطق ترکیبی شناخته می شوند و مسئول سرعت و پیچیدگی هستند.
• یک نسخه پیشرفته، دروازه منطقی Tri-state مکانی را در CPU و BUS ها برای انجام چندین عملیات پیدا می کند و از افزونه ها نیز پشتیبانی می کند.
• در حال حاضر، CMOS فناوری در حال توسعه در توسعه ریز تراشه است که در آن گیت های منطقی بلوک های عملکردی اساسی هستند.
• میکروپروسسورهای فنی مورد استفاده در مدارهای منطقی از بیش از 100 میلیون دروازه تشکیل شده اند.

ترکیب گیت های منطقی

شرایط باینری بالا یا پایین با سطوح مختلف ولتاژ نشان داده می شود. حالت منطقی ترمینال می‌تواند و معمولاً تغییر می‌کند، زیرا مدار پردازش داده‌ها را پردازش می‌کند. در اکثر گیت های منطقی، حالت پایین تقریباً صفر ولت (0 ولت) است، در حالی که حالت بالا تقریباً پنج ولت مثبت (+5 ولت) است. گیت های منطقی می توانند از مقاومت و ترانزیستور یا دیود ساخته شوند. یک مقاومت معمولاً می تواند به عنوان یک مقاومت کششی استفاده شود. مقاومت‌های کششی زمانی استفاده می‌شوند که ورودی‌های دروازه منطقی بلااستفاده برای اتصال به سطح منطقی 1 یا 0 وجود داشته باشد. این از هرگونه تغییر نادرست گیت جلوگیری می‌کند. مقاومت های کششی به Vcc (+5 ولت) و مقاومت های کششی به زمین (0 ولت) وصل می شوند.

گیت های منطقی که معمولا مورد استفاده قرار می گیرند، TTL و CMOS هستند. TTL یا منطق ترانزیستور- ترانزیستور و آی سی ها از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی نوع NPN و PNP استفاده می کنند. IC های CMOS یا مکمل اکسید فلز-سیلیکون از ترانزیستورهای اثر میدانی نوع MOSFET یا JFET ساخته می شوند. آی سی های TTL معمولاً ممکن است به عنوان تراشه های سری 7400 برچسب گذاری شوند، در حالی که IC های CMOS اغلب ممکن است به عنوان یک سری تراشه های 4000 علامت گذاری شوند.

کاربردهای گیت منطقی

گیت های منطقی در زمینه های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند که در ادامه با برخی از آنها آشنا می شویم.

دستگاه های الکترونیکی

هر وسیله الکترونیکی که امروزه استفاده می کنیم دارای مدارهای دیجیتال و گیت های منطقی است. اگرچه یک مدار گیت منطقی عملکردهای منطقی اساسی را انجام می دهد؛ اما همچنان حیاتی ترین بخش هر مدار دیجیتالی است. نقش دروازه های منطقی، تصمیم گیری بر اساس ورودی دیجیتال است. سپس با دادن یکی از دو خروجی درست یا نادرست ورودی را ساده می کند. برای توضیح ساده آن، یک گیت منطقی مانند یک کلید چراغ عمل می کند.

کارخانه های صنعتی

گیت های منطقی معمولاً در کارخانه های صنعتی به عنوان پارامترهای ایمنی استفاده می شوند. ما از یک دروازه OR برای شناسایی هر عملی در سیستم استفاده می کنیم. به این صورت وقوع هر گونه رویداد ناخواسته را به ما اطلاع می دهد. به این ترتیب، گیت‌های منطقی زمانی که مقدار امن برای هر پارامتر نقض شده یا فراتر رفته است، به عنوان یک نشانگر عمل می‌کنند و خروجی را می دهند. این نشان می دهد که برخی اقدامات پیشگیرانه باید شروع به کار کنند. یک مثال ساده افزایش دمای یک گیاه است که توسط گیت های منطقی برای انجام اقدامات لازم، گزارش شده است.

اندازه گیری فرکانس

می توانیم از یک دروازه منطقی برای اندازه گیری فرکانس یک موج یا پالس استفاده کنیم. یکی از گیت های منطقی، گیت AND، معمولاً به عنوان دروازه فعال نیز شناخته می شود. یعنی فقط به امواجی با فرکانس مشخص اجازه عبور می دهد و بقیه را متوقف می کند. گیت NOT نیز معمولاً به عنوان معکوس کننده استفاده می شود زیرا ورودی داده شده را معکوس می کند و آن را به عنوان خروجی ارسال می کند.

مثالی از گیت منطقی؛ نمایش سون سگمنت در ماشین حساب

ماشین حساب ترکیبی از گیت های منطقی را در سون سگمنت نشان می دهد. اگرچه ما ورودی را به صورت اعداد وارد می کنیم، اما این چیزی است که در داخل دستگاه اتفاق می افتد. هر بخش موجود در نمایشگر به مجموعه ای از اتصالات دروازه منطقی متصل می شود و به صورت a، b، c، d، e، f و، g نشان داده می شود. به عنوان مثال، هنگامی که 1 را روی رابط فشار می دهید، فرآیندی که در تصویر بالا مشاهده می کنید، انجام می شود و بخش f و e برجسته می شوند یا در صفحه نمایش می درخشند.