گیت منطقی چیست؟ بررسی انواع، کاربرد و ساختار

گیت‌های منطقی از اجزای اصلی در مدارهای دیجیتال و الکترونیک محسوب می‌شوند. این بلوک‌ها امکان پردازش و کنترل سیگنال‌های دیجیتال را فراهم می‌کنند. با وجود گسترش روزافزون مدارهای الکترونیکی پیچیده، گیت‌های منطقی همچنان نقش بسیار مهمی در کارکرد دستگاه‌های دیجیتال ایفا می‌کنند. در این مقاله به بررسی انواع مختلف گیت‌های منطقی، کاربردهای متنوع آن‌ها و ساختار درونی و الکترونیکی آن‌ها خواهیم پرداخت. همچنین به برخی مزایا و محدودیت‌های این اجزای مهم الکترونیکی اشاره خواهد شد. با مطالعه این مقاله، خواننده آشنایی کاملی با این “بلوک‌های سازنده” مدارهای دیجیتال به دست خواهد آورد. 

گیت منطقی چیست؟

گیت منطقی یا دروازه منطقی (Logic Gate) از مفاهیم پایه‌ای در مدارهای دیجیتال و الکترونیک هستند.

به زبان ساده، یک گیت منطقی مثل یک شیر آب عمل می‌کند که می‌تواند جریان الکتریکی را قطع و وصل کند؛ اما برخلاف شیر آب که با دست باز و بسته می‌شود، یک گیت منطقی بر اساس سیگنال‌های دیجیتال ورودی کنترل می‌شود.

سیگنال‌های دیجیتال تنها دو حالت دارند: صفر و یک. اگر ورودی گیت صفر باشد، خروجی آن هم صفر خواهد بود و برعکس. به این ترتیب، گیت‌های منطقی می‌توانند سیگنال‌های دیجیتال را پردازش کنند.

گیت‌های منطقی را می‌توان به صورت ترکیبی به هم متصل کرد تا مدارهای پردازشگر دیجیتال پیچیده‌تری ساخت. مثلاً با ترکیب چند گیت منطقی، یک عملگر جمع یا ضرب دیجیتال ساخت.

بنابراین به طور خلاصه، گیت منطقی مثل یک شیر الکترونیکی عمل می‌کند که بر اساس سیگنال‌های ورودی صفر و یک، جریان الکتریکی را قطع و وصل می‌کند.

جبر بول چیست؟

به طور خلاصه، جبر بول (Boolean Algebra) شاخه‌ای از ریاضیات است که به مطالعه متغیرهای منطقی و عملگرهای منطقی می‌پردازد. در جبر بول، متغیرها فقط می‌توانند دو مقدار درست 1 یا (true) و نادرست 0 یا (false) داشته باشند. عملگرهای اصلی جبر بول عبارت‌اند از:

• AND ضرب منطقی: اگر هر دو ورودی 1 باشند، خروجی 1 و در غیر این صورت 0 است.
• OR جمع منطقی: اگر یکی از ورودی‌ها 1 باشد، خروجی 1 و در غیر این صورت 0 است.
• NOT نقیض منطقی: ورودی را تغییر می‌دهد، یعنی اگر ورودی 0 باشد خروجی 1 می‌شود و بالعکس.

در مدارهای الکتریکی، منطق 1 یک سوئیچ بسته، یک ولتاژ بالا یا حالت “روشن” دستگاه را نشان می‌دهد. یک سوئیچ باز، ولتاژ پایین یا حالت “خاموش” دستگاه با منطق 0 نشان داده می‌شود.

جبر بول کاربردهای فراوانی در مدارهای منطقی و طراحی سیستم‌های دیجیتال دارد. مثلاً برای ساده‌سازی و بهینه‌سازی مدارهای منطقی به کار می‌رود.

انواع گیت منطقی

بلوک‌های سازنده مدار دیجیتال، گیت‌های منطقی هستند که عملیات منطقی متعددی را که برای هر مدار دیجیتالی مورد نیاز است، اجرا می‌کنند. این‌ها می‌توانند دو یا چند ورودی بگیرند اما فقط یک خروجی تولید کنند. ترکیبی از ورودی‌های اعمال شده در یک گیت منطقی، خروجی آن را تعیین می‌کند. گیت‌های منطقی از جبر بولی برای اجرای فرآیندهای منطقی استفاده می‌کنند. گیت‌های منطقی تقریباً در هر ابزار دیجیتالی که به طور منظم استفاده می‌کنیم یافت می‌شود. هفت گیت منطقی اصلی عبارت‌اند از:

1- AND

خروجی گیت AND فقط زمانی که همه‌ی ورودی‌ها یک باشند، یک است. این گیت برای ایجاد شرط “و” در مدارهای منطقی به کار می‌رود. در واقع این عملگر مانند ضرب معمولی عمل می‌کند. با توجه به اینکه ورودی گیت‌های منطقی یک یا صفر است. تنها در صورتی که هر دو ورودی یک باشند، ضرب آن‌ها صفر خواهد شد. در سه حالت دیگر که ممکن هر کدام از ورودی‌ها صفر باشند، ورودی صفر خواهد بود.

2- OR

گیت OR خروجی یک است اگر حداقل یکی از ورودی‌ها یک باشد. این گیت برای ایجاد شرط “یا” در مدارها به کار می‌رود. معادل ریاضی این گیت، عملگر جمع است. بنابراین هرگاه یکی از ورودی‌ها یک باشد، خروجی یک است. اگر هر دو ورودی صفر باشند، خروجی گیت نیز صفر است. در حالتی که هر دو ورودی یک هستند، باز هم خروجی یک است. زیرا در مدارهای منطقی، فقط دو عدد صفر و یک را داریم.

3- NOT

گیت NOT خروجی معکوس ورودی خود را تولید می‌کند؛ یعنی اگر ورودی صفر باشد خروجی یک می‌شود و برعکس.

4- NAND

گیت NAND معکوس گیت AND است؛ یعنی خروجی آن فقط زمانی صفر است که همه ورودی‌ها یک باشند.

5- NOR

گیت NOR معکوس گیت OR است؛ یعنی خروجی آن فقط زمانی یک است که همه‌ی ورودی‌ها صفر باشند.

6- XOR

گیت XOR خروجی یک دارد اگر تعداد ورودی‌های یک، فرد باشد؛ یعنی اگر یک ورودی یک و بقیه صفر باشند یا برعکس.

7- XNOR

گیت XNOR عمل معکوس XOR انجام می‌دهد؛ یعنی اگر تعداد ورودی‌های یک، زوج باشد خروجی یک و در غیر این صورت صفر خواهد بود.

کاربرد گیت‌های منطقی

گیت‌های منطقی در انواع فناوری‌ها استفاده می‌شوند. گیت‌های منطقی اجزای تراشه‌ها (IC) هستند که اجزای کامپیوتر، تلفن، لپ‌تاپ و سایر دستگاه‌های الکترونیکی را شامل می‌شوند. گیت‌های منطقی ممکن است به روش‌های مختلفی با هم ترکیب شوند و میلیون‌ها مورد از این ترکیب‌ها برای ساخت جدیدترین گجت‌ها، ماهواره‌ها و حتی ربات‌ها ضروری است. این قطعات کاربردهای متعددی در الکترونیک و مدارهای دیجیتال دارند که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• طراحی مدارهای منطقی: اساس کار رایانه‌ها و پردازنده‌های دیجیتال بر پایه گیت‌های منطقی است. ترکیب گیت‌های مختلف منطقی مدارهایی را به وجود می‌آورد که قادر به انجام عملیات محاسباتی و منطقی هستند.
• طراحی مدارهای کنترل‌کننده: گیت‌های منطقی برای طراحی مدارهایی که وظیفه کنترل سیستم‌ها را برعهده دارند، کاربرد فراوانی دارند؛ مانند کنترل‌کننده‌های صنعتی.
• پردازش سیگنال دیجیتال: گیت‌های منطقی برای پردازش، ترکیب و تبدیل سیگنال‌های دیجیتال استفاده می‌شوند.
• عملگرهای محاسباتی: گیت‌های منطقی می‌توانند به عنوان عملگرهای پایه در مدارهای محاسباتی به کار روند.

در کل گیت‌های منطقی اساس کار بسیاری از سیستم‌های الکترونیک دیجیتال و مدارهای منطقی را تشکیل می‌دهند.

کدام سیستم‌ها از گیت منطقی استفاده می‌کنند؟

به طور کلی، گیت‌های منطقی در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی و مدارهای دیجیتال کاربرد دارند؛ اما مهم‌ترین سیستم‌هایی که از گیت‌های منطقی استفاده می‌کنند عبارت‌اند از:

• رایانه‌ها و پردازنده‌ها: قلب تپنده رایانه‌ها و پردازنده‌ها، مدارهای منطقی ساخته شده با گیت‌های AND ،OR ،NOT و… هستند.
• مدارهای منطقی پیچیده: مدارهای الکترونیک دیجیتال پیچیده مانند حافظه‌ها، ثبات‌ها و شمارنده‌ها از ترکیب گیت‌های منطقی به وجود می‌آیند.
• مدارهای کنترل‌کننده: گیت‌های منطقی در مدارهای الکترونیکی کنترل‌کننده‌ی سیستم‌ها و ماشین‌آلات به کار می‌روند.
• مخابرات دیجیتال: برای پردازش سیگنال‌های دیجیتال و داده در سیستم‌های مخابراتی از گیت‌ها استفاده می‌شود.
• هوش مصنوعی: در مدارهای منطق فازی و سیستم‌های هوش مصنوعی پیشرفته، کاربرد فراوانی دارند.

در کل جایی که محاسبات و منطق دیجیتال لازم باشد، استفاده از گیت‌ها ضروری است.