Cổng logic là gì ? Cổng logic được tạo ra từ việc kết hợp các gì ?
Bạn có thể đã biết rằng máy tính và máy tính bảng lưu trữ các số thập phân (0-9) dưới dạng chuỗi dài các số không và số một trong một dạng được gọi là mã nhị phân. Mỗi số được lưu trữ bằng cách sử dụng các công tắc điện tử cực nhỏ gọi là transistor. Việc lưu trữ các số nhị phân rất đơn giản bằng cách chỉ cần bật và tắt các transistor. Bật transistor sẽ lưu trữ số một; tắt nó sẽ lưu trữ số không. Vì vậy, lưu trữ các số rất dễ dàng. Nhưng làm thế nào để bạn có thể cộng, trừ, nhân và chia chỉ bằng cách sử dụng dòng điện? Máy tính và máy tính bảng thực hiện điều này bằng cách sử dụng các mạch điện tử thông minh gọi là cổng logic. Hãy cùng xem xét kỹ hơn về chúng là gì và chúng hoạt động như thế nào.
Cổng logic là gì? Mạch điện so sánh!
Cổng logic có thể nghe có vẻ cực kỳ phức tạp, nhưng nó chỉ đơn giản là một mạch điện với hai đầu vào và một đầu ra. Nó nhận hai dòng điện đầu vào, so sánh chúng và gửi đi một dòng điện mới tùy thuộc vào những gì nó tìm thấy. Cổng logic giống như một người gác cửa hoặc người kiểm soát chỉ được phép cho người vào hộp đêm nếu họ vượt qua một số bài kiểm tra nhất định. Có khá nhiều loại cổng logic khác nhau, phổ biến nhất là AND, OR, NOT, XOR (Exclusive Or), NAND (NOT AND) và NOR (NOT OR). Hãy xem xét ba loại đơn giản hơn, AND, OR và NOT:
AND
Giả sử bạn đến một hộp đêm nơi công việc của người gác cửa là thực thi một quy tắc đơn giản: “Mọi người trong nhóm của bạn phải đeo cà vạt để được vào trong”. Bạn cùng với một người bạn đi vào một đêm nọ. Nếu cả hai đều đeo cà vạt, bạn sẽ được vào. Nếu chỉ một trong hai người đeo cà vạt hoặc nếu không ai trong hai người đeo cà vạt, cả hai sẽ không được vào. Cổng logic AND hoạt động theo cách tương tự với hai đầu vào điện. Nếu cả hai đầu vào đều được bật (nghĩa là mang số 1), đầu ra cũng sẽ là 1. Ngược lại, đầu ra sẽ là 0. Trong điện tử, chúng ta có thể biểu diễn cổng AND bằng biểu tượng nhỏ này. Ba cách mà cổng này có thể hoạt động được hiển thị bên dưới.
OR
Bạn không đeo cà vạt, vì vậy bạn đến một câu lạc bộ khác ở cuối phố. Ở đây, người đứng ở cửa đang thực thi một quy tắc khác: “Một nhóm người có thể vào trong nếu bất kỳ ai trong số họ là thành viên”. Nếu bạn hoặc bạn của bạn là thành viên hoặc nếu cả hai đều là thành viên, cả hai đều có thể vào. Nếu không ai trong hai người là thành viên, cả hai sẽ bị bỏ lại ngoài trời lạnh. Cổng logic OR hoạt động theo cách này với hai đầu vào điện. Nếu một trong hai đầu vào được bật (nghĩa là mang số 1), đầu ra cũng sẽ là 1. Ngược lại, đầu ra sẽ là 0. Trong điện tử, chúng ta biểu diễn cổng OR bằng một biểu tượng khác. Ba cách mà nó có thể hoạt động được hiển thị bên dưới:
NOT
Cho đến nay, bạn đã không thể vào được cả hai câu lạc bộ. Nhưng vẫn còn một hy vọng cuối cùng: bạn biết một người bạn đang tổ chức một bữa tiệc cách đó vài con phố. Vấn đề duy nhất là có một người thực sự gây gổ và ngược đãi đang đứng ở cửa. Anh ta nói chuyện với từng người khi họ tiếp cận anh ta. Nếu bạn tử tế và lịch sự, anh ta sẽ la mắng bạn và từ chối bạn. Nhưng nếu bạn cư xử thô lỗ với anh ta, vì một lý do nào đó anh ta thích điều đó và cho phép bạn vào. Nói cách khác, anh ta làm điều hoàn toàn ngược lại với những gì bạn mong đợi! Trong điện tử, có một cổng logic hoạt động theo cách tương tự, ngược đời và nó được gọi là cổng NOT hoặc bộ đảo. Không giống như cổng AND và OR, nó chỉ có một đầu vào và một đầu ra. Đầu ra hoàn toàn ngược lại với đầu vào, vì vậy nếu đầu vào là 0, đầu ra là 1 và ngược lại. Đây là cách chúng ta biểu diễn NOT trong điện tử. Hai cách nó có thể hoạt động được hiển thị bên dưới.
Ba cổng logic phổ biến khác là biến thể của ba cổng này. XOR (Exclusive OR) giống như OR, nhưng nó tắt nếu cả hai đầu vào đều bật. NAND giống như AND, chỉ khác là kết quả cuối cùng bị hoán đổi (vì vậy nơi AND tạo ra đầu ra 1, NAND tạo ra đầu ra 0). NOR giống như OR với kết quả cuối cùng bị hoán đổi theo cách tương tự.
Tóm tắt các cổng logic với bảng chân trị
Chip máy tính không thực sự hoạt động giống như người gác cửa hộp đêm: chúng chỉ chuyển đầu vào thành đầu ra — số 1 thành số 0 và số 0 thành số 1. Chúng ta có thể tóm tắt cách chúng hoạt động một cách nhanh chóng và đơn giản bằng cách viết cái gọi là bảng chân trị. Bảng này hiển thị đầu ra bạn nhận được (một hoặc không) cho mọi đầu vào có thể (mỗi hàng riêng biệt của bảng mô tả một trong các tập hợp đầu vào và đầu ra có thể). Dưới đây là các bảng chân trị cho các cổng logic mà chúng ta đã gặp ở trên:
AND (Đầu ra chỉ khi tất cả các đầu vào)
| Input 1 | Input 2 | Output |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
OR (Bất kỳ đầu vào nào cũng tạo ra một đầu ra)
| Input 1 | Input 2 | Output |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
NOT (Bộ đảo)
| Input | Output |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
XOR (Exclusive OR)
| Input 1 | Input 2 | Output |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
NAND (AND với đầu ra đảo ngược)
| Input 1 | Input 2 | Output |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Điều khiển màn hình máy tính với cổng logic
Máy tính có thể thực hiện tất cả những gì chúng cần làm bằng cách sử dụng các kết hợp khác nhau của cổng logic. Chính các cổng logic điều khiển cách màn hình hoạt động trong máy tính và các cổng logic khác tính toán kết quả của các phép tính.
Ví dụ, mỗi phân đoạn của màn hình máy tính được bật và tắt bởi một chuỗi các cổng logic được kết nối với nhau. Hãy xem xét chỉ phân đoạn dưới cùng bên phải (được hiển thị trong hình, bên phải, bằng màu xanh lam). Chúng ta cần bật phân đoạn này nếu chúng ta hiển thị các số 0 (nhị phân 00), 1 (01), 3 (11), 4 (100), 5 (101), 6 (110), 7 (111), 8 (1000) và 9 (1001) — nhưng không phải nếu chúng ta hiển thị số 2 (10). Chúng ta có thể làm cho phân đoạn bật và tắt chính xác cho các số 1–10 bằng cách thiết lập ba cổng OR và một cổng NOT như thế này.
Nếu chúng ta cấp các mẫu số nhị phân vào bốn đầu vào bên trái, phân đoạn sẽ bật và tắt chính xác cho mỗi số. Ví dụ: cấp số 7 làm bốn đầu vào 0111 và các cổng sẽ kích hoạt như thế này, chính xác bật phân đoạn:
Sáu phân đoạn khác của mỗi chữ số được điều khiển bởi các tổ hợp cổng logic khác.
Tính toán với cổng logic
Có thể thực hiện bất kỳ phép tính nào bạn có thể nghĩ đến bằng cách kết hợp một mẫu khác nhau của các cổng logic. Các cổng so sánh và kết hợp hai chuỗi số nhị phân, tương ứng với các số thập phân trong phép tính của bạn và tạo ra một chuỗi số nhị phân mới bằng với kết quả. Phép cộng được thực hiện bởi các mạch được gọi là bán cộng và toàn cộng (có thể thực hiện kết quả của phép cộng trước đó); bộ trừ hoạt động theo một cách rất tương tự; bộ nhân sử dụng một tập hợp các cổng AND để nhân hai số với một loạt phép cộng. Bạn có thể tìm thêm chi tiết về điều này trong bài viết của chúng tôi về máy tính.
