Базовые логические элементы

5. Базовые логические элементы

5.1. Основные логические операции. В цифровых устройствах широко применяются элементы, которые выполняют определенные логические операции. Такие элементы называются логическими (ЛЭ).

Для описания логических операций используется математический аппарат, получивший название алгебры логики или булевой алгебры (в честь ее разработчика — ирландского математика Джорджа Буля). Алгебра логики изучает взаимосвязь между простыми высказываниями, образующими сложные высказывания. С точки зрения алгебры логики простое высказывание может иметь только два значения — истинное или ложное. Одно из этих значений принимается за 1, второе — за 0. Следовательно, простое высказывание является двоичной переменной.

Основными логическими операциями являются:

Операция логического отрицания НЕ (инверсия) преобразует истинное высказывание в ложное или наоборот. Символически операция логического отрицания обозначается в виде черточки над аргументом: . Такое выражение читается: « равен НЕ ».

Операция логического отрицания имеет два исхода в зависимости от значения аргумента: а) если х=0, то у=1 и б) если х=1, то у=0.

Операция логического сложения ИЛИ (дизъюнкция) используется для образования сложного высказывания из простых. При этом сложное высказывание будет истинным, если истинно хотя бы одно из простых высказываний, и ложным, если ложны все простые высказывания. Символически операция ИЛИ обозначается выражениями:

 или

Читается: «у равен х₁ или х₂ или х₃...»

Результаты логической операции ИЛИ для всех возможных комбинаций двух аргументов приведены в табл. 5.1.

Операция логического умножения И (конъюнкция) тоже используется для образования сложного высказывания из простых, но при этом сложное высказывание считается истинным тогда и только тогда, когда истинны все простые высказывания.

Символически операция И обозначается выражениями:

 или

Читается: «у равен х₁ и х₂ и х₃...»

Результаты логической операции И для двух аргумен­тов также приведены в табл. 5.1.

Операция отрицания логического сложения ИЛИ — НЕ, называемая также «стрелкой Пирса», образует сложное высказывание из простых в соответствии со следующим правилом (табл. 5.1): сложное высказывание истинно лишь в том случае, когда ложны все образующие его простые высказывания, и ложно, если истинно хотя бы одно из простых высказываний.

Символически операция ИЛИ — НЕ обозначается выражениями:

 или  или

Операция отрицания логического умножения И — НЕ, известная также под названием «штрих Шеффера», образует сложное высказывание из простых согласно правилу: сложное высказывание истинно, если ложно хотя бы одно из простых высказываний, и ложно, если все простые высказывания истинны (см. табл. 5.1).

Символически операция И — НЕ обозначается выражениями:

 или  или

Операция ЗАПРЕТ представляет сложное высказывание, которое  истинно только тогда, когда первое из двух высказываний истинно, а второе — ложно. Символически операция ЗАПРЕТ обозначается выражениями:

 или

Результаты логической операции ЗАПРЕТ приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Результаты логических операций ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, И-НЕ и ЗАПРЕТ

X1	X2	Y
		ИЛИ	И	ИЛИ-НЕ	И-НЕ	ЗАПРЕТ
0	0	0	0	1	1	0
0	1	1	0	0	1	0
1	0	1	0	0	1	1
1	1	1	1	0	0	0

5.2. Основные логические элементы.

Общие сведения. Логические элементы работают с двоичным кодированием информации, которое характеризуется двумя уровнями напряжения двоичной переменной, обозначаемыми цифрами 1 (высокий) и 0 (низкий уровень). В зависимости от уровня напряжения, при котором воспринимается или вырабатывается информация, различают прямые и инверсные входы и выходы ЛЭ. Прямым считается такой вход (или выход), на котором двоичная переменная имеет значение 1, когда уровень напряжения на этом входе (выходе) соответствует состоянию, принятому за 1. Если двоичная переменная на входе (выходе) имеет значение 1 при уровне напряжения на нем, соответствующем состоянию, принятому за 0, то такой вход (выход) называется инверсным.

Логические элементы обычно выполняются на ИМС, в которых используется положительная (позитивная) логика, когда логической единице соответствует высокий потенциальный уровень, а логическому нулю — низкий потенциальный уровень. Если логической единице соответствует низкий потенциальный уровень, а логическому нулю — высокий, такую логику называют отрицательной, или негативной. Очевидно, что входы и выходы, являющиеся прямыми в положительной логике, будут инверсными в отрицательной логике, и наоборот.

На принципиальных схемах ЛЭ изображаются в виде прямоугольника (таблица .5.2). В верхней части прямоугольника указывается символ функции: 1 — для логических функций НЕ и ИЛИ и & — для логической функции И. Входы и выходы изображаются линиями, проведенными перпендикулярно к боковым сторонам прямоугольника (входы — с левой стороны, выходы — с правой). Если вход или выход является инверсным, то в месте пересечения изображающей его линии со стороной прямоугольника ставится кружок. В таблице 5.2. приведены буквенные и графические обозначения основных логических элементов, их таблицы истинности и примеры технической реализации.

Таблица 5.2 Простейшие логические элементы.

Тип операций	Обозначение  элемента		Таблица истинности	Пример технической реализации
	буквенное	графическое
НЕ	ЛН		X Y 1 0 0 1
ИЛИ	ЛЛ		X1 X2 Y 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0
И	И		X1 X2 Y 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0
ИЛИ-НЕ	ЛЕ		X1 X2 Y 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
И-НЕ	ЛА		X1 X2 Y 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1