Что такое логическая схема?
Логические схемы - основа современных компьютеров и информационных систем. Но мало кто знает, что это такое и как работают логические схемы. В этой статье мы разберем, что представляют собой логические схемы, из чего они состоят, каким образом функционируют и для чего нужны.
Понятие логической схемы
Логическая схема - это схема, отображающая последовательность логических операций в электронном устройстве. Она состоит из взаимосвязанных логических элементов, которые выполняют определенные функции.
Первые логические схемы появились в 19 веке вместе с развитием электротехники. Но принципиальное значение они приобрели в 20 веке с изобретением электронных ламп и полупроводниковых приборов. Именно тогда логические схемы стали использоваться для построения вычислительных машин и систем обработки информации.
Логические схемы лежат в основе работы всех цифровых электронных устройств - от калькуляторов до суперкомпьютеров.
В зависимости от выполняемых функций логические схемы делятся на:
- Комбинационные - выполняют логические операции над входными сигналами
- Последовательностные - формируют заданные последовательности импульсов
- Запоминающие - хранят информацию
В отличие от электрических схем, логические схемы работают не с электрическими сигналами, а с абстрактными логическими сигналами, принимающими два состояния: "Истина" или "1" и "Ложь" или "0".
Составные элементы логической схемы
Логические схемы строятся из стандартных логических элементов, каждый из которых выполняет простейшие логические операции. К базовым логическим элементам относятся:
- Вентили - выполняют операции "И", "ИЛИ", "НЕ"
- Триггеры - запоминают один бит информации
- Регистры - хранят несколько бит информации
Эти логические элементы объединяются в единую схему с помощью соединительных проводников. Также в состав логической схемы входят:
- Микросхемы - интегральные схемы, реализующие сложные логические функции
- Источники электропитания - обеспечивают работу логических элементов
На самом нижнем уровне логические схемы состоят из электронных ключей - транзисторов, диодов, тиристоров. Их включение и выключение в нужной последовательности и реализует логические операции.
Принципы функционирования
Логическая схема работает следующим образом. На ее входы поступают исходные данные в виде логических сигналов. Эти сигналы проходят через логические элементы, которые преобразуют сигналы согласно заложенным в них функциям. На выходе логической схемы формируется результат вычислений в виде выходного логического сигнала.
Основными логическими операциями, выполняемыми логическими элементами, являются:
- И (конъюнкция)
- ИЛИ (дизъюнкция)
- НЕ (отрицание)
С помощью этих простейших операций можно строить любые комбинационные логические схемы, выполняющие сложные функции. Например, на основе НЕ и ИЛИ можно реализовать операцию "исключающее ИЛИ".
Для построения логической схемы используются стандартные правила:
- Задать требуемые входные и выходные сигналы
- Определить последовательность логических операций для получения выходного сигнала
- Построить структурную схему из логических элементов
- Составить электрическую принципиальную схему
Рассмотрим работу простейшей логической схемы на примере одноразрядной суммирующей схемы (см. Рисунок).
| Рисунок. Логическая суммирующая схема | A B C 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 |
Здесь A и B - входные сигналы, C - выходной сигнал. Как видно из таблицы истинности, схема реализует логическую операцию "Исключающее ИЛИ", то есть выполняет суммирование двух одноразрядных двоичных чисел. Такие схемы используются в арифметико-логических устройствах компьютеров.
Виды и типы логических схем
Существует множество разновидностей логических схем. Они различаются как по функциональному назначению, так и по используемым физическим принципам:
- Комбинационные схемы. Комбинационные логические схемы предназначены для выполнения логических операций над входными сигналами. Примером может служить схема для вычисления функции А И (НЕ B).
- Последовательностные схемы. Последовательностные схемы используются для формирования строго определенных последовательностей импульсов. Они применяются, к примеру, для управления работой других устройств в нужном режиме и последовательности.
- Запоминающие схемы. Запоминающие логические схемы служат для хранения и считывания информации в виде бит. К ним относятся регистры, оперативная память компьютеров.
Схемы на различных логиках
Помимо функционального разделения, логические схемы делятся по используемым физическим принципам и технологиям на:
- Схемы на диодно-транзисторной логике (ДТЛ)
- Схемы на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ)
- Структурно-логические схемы на КМОП-транзисторах
Проектирование логических схем
Для разработки логических схем используется иерархический подход. Сначала определяется структурно-логическая схема устройства, декомпозируемая на более простые блоки. Затем каждый блок описывается схемой более низкого уровня.
Этапы проектирования
Последовательность проектирования логической схемы включает следующие этапы:
- Разработка структурной схемы
- Составление схемы потоков данных
- Выбор элементной базы
- Программная отладка (моделирование)
- Натурное макетирование