Logische poortschakelingen

Onderwerpen:

  • Logische poorten
  • Combinatorische schakelingen

Logische poorten:
De ALU (Arithmetic Logic Unit, Nederlands: rekenkundig-logische eenheid) is het centrale onderdeel van de microprocessor in een ECU. De ALU voert rekenkundige (arithmetic) en lotische (logische) bewerkingen uit. In de ALU wordt tevens gekeken op welke plaats in het geheugen de volgende opdracht van het uit te voeren programma staat.

De ALU bevat logische poorten die veelal zijn opgebouwd uit silicium halfgeleiders. De logische poorten kunnen binnen enkele nanoseconden bewerkingen uitbrengen middels een binaire code; een combinatie van enen en nullen. Daarmee wordt een opdracht gegeven die uit twee mogelijkheden bestaat: aan of uit, geleidend of niet geleidend. Er worden meerdere opdrachten tegelijk in de ALU verwerkt en werken samen om met 8, 16 of 32 bits een, volgens de computerarchitectuur “woord” te vormen. Een woord is de grootste hoeveelheid data die in één dataregister is opgeslagen. Dit is de hoeveelheid data die in één keer door de processor kan worden verwerkt.

In een ALU vinden de volgende basisbewerkingen plaats:

  • naar links of rechts verplaatsen van één of meerdere bitposities (shift)
  • uitvoeren van rekenkundige bewerkingen op twee woorden, zoals optellen of aanvullen (add);
  • uitvoeren van logische bewerkingen aan de data (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR).

In de onderstaande afbeeldingen staat de ALU afgebeeld als symbool (links) en met de IEC-symbolen die de bewerking van A en B (inkomend) vertalen naar R (uitgaand).

De NIET, OF en EN poorten die we in de rechter ALU zien staan, zijn de meest voorkomende poorten waarmee logische bewerkingen worden verricht. Er zijn poorten die een aanvulling zijn op deze drie basispoorten. Hier komen we later op deze pagina op terug.

De onderstaande tabel toont deze drie basispoorten. We gebruiken op deze pagina voornamelijk de Engelse benamingen (AND in plaats van EN) om geen verwarring te creëren voor u als lezer, maar beide zijn natuurlijk correct. Hetzelfde geldt voor de symbolen (IEC- en ANSI). Wij passen de IEC-symbolen toe, maar zien in Amerikaanse literatuur voornamelijk de ANSI-symbolen. Ook hiervoor geldt: haal ze niet door elkaar en pas één soort symbool toe.

Onder de tabel wordt uitleg gegeven wat de eigenschappen van iedere poort zijn en laat het waarheidstabel zien met welke inputs je een output van 0 of 1 krijgt.

Hieronder volgt de uitleg van de drie poorten met het symbool en de waarheidstabel, waarin de outputs worden getoond bij verschillende inputcombinaties.

AND-poort:
De AND-poort (Nederlands: EN-poort) kan meerdere ingangen hebben, maar heeft altijd slechts één uitgang. In de afbeelding zien we de ingangen a en b. Op beide ingangen is het mogelijk om, onafhankelijk van elkaar, een 1 of een 0 te zetten. De uitgang (Q) wordt 1 als beide ingangen (a en b) een 1 zijn. In alle andere gevallen is de uitgang Q een 0.

  • Bij twee ingangen van de AND-poort (in dit geval input A en B) zijn er vier mogelijke schakelingen om een output te genereren. Deze zijn getoond in het waarheidstabel, rechts naast de afbeelding van de AND-poort.
  • Bij vier ingangen zijn er 16 mogelijkheden;
  • Bij acht ingangen zijn er zelfs 256 mogelijkheden.

OR-poort:
De OR-poort (Nederlands: OF-poor) kan ook meerdere ingangen hebben, met één uitgang. Bij een OR-poort is de uitgang 1 als één van de twee ingangen een 1 is, of als beide ingangen een 1 zijn.

NOT-poort:
De NOT-poort (Nederlands: NIET-poort) functioneert als inverter en heeft slechts één in- en uitgang. Het ingangssignaal wordt geïnverteerd: wanneer het ingangssignaal 1 is, wordt het uitgangssignaal 0 en visa versa.

Behalve de genoemde schakelingen (AND, OR en NOT) kennen we ook een aantal afgeleide logische schakelingen. Met deze schakelingen kunnen we twee van de eerder behandelde schakelingen combineren tot één schakeling. 

NAND-poort:
De Not-AND-poort (Niet-EN-poort) is een AND-poort gevolgd door een NOT-poort. De uitgang is 1 als op meerdere ingangen een 1 staat. Alleen wanneer op alle ingangen een 1 staat, is de uitgang een 0. Dit is precies het tegenovergestelde van de eerder behandelde AND-poort.

NOR-poort:
De Not-OR-poort (Niet-OF-poort) is een OR-poort gevolgd door een NOT-poort. Hij kan meerdere ingangen hebben en heeft maar één uitgang. In deze schakeling zal de uitgang alleen 1 zijn wanneer beide ingangen 0 zijn.

XOR-poort:
De eXclusive-OR-poort is een poort waarvan de uitgang 1 is als slechts één ingang 1 is. Wanneer de beide ingangen dezelfde logische toestand hebben, wordt de uitgang een 0. De XOR-poort heeft nooit meer dan twee ingangen.

XNOR-poort:
De eXclusive-OR-poort is hierbij voorzien van een NOT-poort, wat hem een eXclusive-NOT-OR-poort maakt. De output is geïnverteerd aan de XOR-poort.

Voor elk IC is het belangrijk dat er zowel een voeding als massa is aangesloten om een gesloten stroomkring te realiseren. Ook moeten beide poorten een spanning krijgen om een zwevende meting te voorkomen. Om de in- en uitgangen goed te laten schakelen, zijn pull-up en pull-down weerstanden nodig. Zonder deze weerstanden kunnen de poorten “actief” blijven, terwijl ze niet worden aangestuurd. De poorten zijn dan niet betrouwbaar.