Logiikka portti

Logiikkaportti on digitaalisen piirin peruselementti, joka suorittaa loogisen alkeisoperaation [1] , jolloin se muuntaa joukon sisääntuloloogisia signaaleja loogiseksi lähtösignaaliksi. Portin toimintalogiikka perustuu bittioperaatioihin [2] , joissa operandeina toimivat digitaaliset tulosignaalit . Digitaalista piiriä luotaessa venttiilit kytketään toisiinsa, kun taas käytetyn venttiilin lähtö on kytkettävä yhteen tai useampaan muiden venttiilien tuloon. Tällä hetkellä kenttätransistoreihin perustuvat elektroniset logiikkaportit hallitsevat ihmisen valmistamia digitaalisia laitteita , mutta aiemmin muut laitteet, kuten sähkömagneettisetreleet , hydraulilaitteet ja mekaaniset laitteet. Kehittyneempien logiikkaporttien etsimisessä tutkitaan kvanttilaitteita [ 3] [4] , biologisia molekyylejä [5] ja fononilämpöjärjestelmiä [6] .

Digitaalisessa elektroniikassa signaalin looginen taso esitetään jännitetasona (johon kuuluu kaksi aluetta) tai virta -arvo . Se riippuu elektronisen logiikan rakentamiseen käytetyn tekniikan tyypistä [7] . Siksi kaikentyyppiset elektroniset venttiilit vaativat tehoa tuodakseen lähtösignaalin vaaditulle tasolle.

Historia

Ensimmäistä kertaa matemaattisesti tarkan binäärilukujärjestelmän kuvasi yksityiskohtaisesti saksalainen matemaatikko Gottfried Wilhelm Leibniz (julkaisu vuodelta 1705). Hän selitti myös, kuinka aritmeettiset ja logiikan periaatteet voidaan yhdistää tähän järjestelmään.

Ensimmäiset logiikkaportit toteutettiin mekaanisesti. Vuonna 1837 englantilainen keksijä Charles Babbage kehitti tietokoneen, jota hän kutsui Analytical Engineksi , jota pidetään nykyaikaisen tietokoneen prototyyppinä.

Vuonna 1847 englantilainen matemaatikko ja loogikko George Boole loi tutkielmassaan The Mathematical Analysis of Logic perustan nykyaikaiselle logiikan algebralle yhdistämällä sen propositionaaliseen logiikkaan . Samaan aikaan hän esitteli algebrallisen järjestelmänsä , joka sisälsi seuraavat toiminnot: konjunktio (looginen kertolasku, operaattori "AND"), disjunktio (looginen yhteenlasku, operaattori "OR") ja negaatio (operaattori "EI"). Myöhemmin tätä algebraa kutsuttiin booleaniksi .

Myös vuonna 1847 skotlantilainen matemaatikko ja loogikko Augustus de Morgan julkaisi säännöt, jotka koskevat loogista negaatiota käyttävien loogisten operaatioiden pareja ( De Morganin lait ).

Vuonna 1881 amerikkalainen matemaatikko ja loogikko Charles Sanders Pierce osoitti teoreettisesti, että "disjunktion inversio" -funktio on universaali ja voi korvata kaikki muut loogiset funktiot. Tämä toiminto nimettiin "Pearcen funktioksi", toiminnon merkki on Piercen nuoli ↓. Myöhemmin tätä toimintoa toteuttavaa elementtiä kutsuttiin Pierce-elementiksi tai "OR-NOT" ( englanniksi NOR-portti , katso taulukko). Tämä teos julkaistiin vasta vuonna 1933.

Vuonna 1907 amerikkalainen keksijä Lee de Forest esitteli kolmannen elektrodin, ohjausverkon , John Flemingin tyhjiöputkeen ja sai triodin, joka voi toimia paitsi sähköisten signaalien vahvistimena, myös yksinkertaisena kytkimenä (venttiilinä) .

Vuonna 1913 amerikkalainen matemaatikko ja loogikko Henry Maurice Schaeffer osoitti teoreettisesti, että "konjunktioinversio" on universaali ja voi korvata kaikki muut loogiset funktiot. Tämä funktio sai nimekseen "Schaefferin funktio", toiminnon merkki on Schaefferin veto |. Myöhemmin elementtiä, joka toteuttaa tämän toiminnon, kutsuttiin Schaeffer-elementiksi tai "AND-NOT" ( eng. NAND gate , katso taulukko).

Vuonna 1927 venäläinen Neuvostoliiton matemaatikko ja loogikko Ivan Ivanovitš Zhegalkin esitteli logiikan algebran jäännösten aritmetiikkana modulo 2. Tätä universaalia funktiota kutsuttiin myöhemmin Zhegalkin-polynomiksi, ja operaation merkki oli . Myöhemmin elementtiä, joka toteuttaa tämän toiminnon, kutsuttiin "exclusive OR" ( englanniksi XOR-portti ). $\oplus$

Vuonna 1935 saksalainen insinööri Konrad Zuse kehittää ensimmäiset toimivat sähkömekaaniset venttiilit Z1-tietokoneeseensa .

Vuonna 1947 William Shockley , John Bardeen ja Walter Brattain loivat ensimmäisen toimivan bipolaarisen transistorin Bell Labsissa . Transistorit korvasivat myöhemmin tyhjiöputket useimmissa elektronisissa laitteissa, mikä mullisti integroitujen piirien suunnittelun .