Logikgatter

Logikgatter

Ein Logikgatter oder Gatter (engl. gate) vollzieht in der technischen Informatik eine logische Auswertung von Eingangssignalen an einer Schaltung der Digitaltechnik. Dabei werden an einem oder mehreren Eingängen logische Zustände angelegt – gemeinhin als „0” oder „1” interpretiert –, die mit logischen Operatoren wie UND, ODER oder NICHT in ein einziges logisches Ergebnis umgewandelt werden. Je nach Realisierung der Gatter können die Signale in Form von Spannungspegeln, Druck oder Bewegung von Gasen oder Flüssigkeiten, oder weiterem vorliegen. Dabei wird meistens der jeweils höhere Pegel als "1" - logisch Wahr - und der niedrigere als "0" - logisch Falsch betrachtet.

Logikgatter werden zumeist zusammen mit Dioden und Transistoren elektronisch implementiert, können jedoch auch mit elektromagnetischen Relais, in der Fluidtechnik, in der Optik, auf Molekularebene oder mit mechanischen Elementen verbaut werden. Ergebnisse von Logikgattern können wiederum als Eingangssignale für ein anderes Gatter verwendet werden, sodass sich vielseitige Schaltungen realisieren lassen.

Gatter-Typen
  NOT
AND NAND
OR NOR
XOR XNOR

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Die ersten Logikgatter wurden mechanisch realisiert. 1837 entwarf der englische Erfinder Charles Babbage mit der Analytical Engine eine Rechenmaschine, die heute als wichtiger Schritt in der Geschichte des Computers gilt. Seine „logischen Gatter“ arbeiteten auf Grundlage mechanischer Reaktionen, während später bereits elektromagnetische Relais verwendet wurden.

1891 meldete der US-Amerikaner Almon Strowger eine „Einheit, die einen Logikgatter-Schalterstromkreis enthält” zum Patent an[1], die sich jedoch bis in die 1920er Jahre nicht etablieren konnte. 1898 begann der Erfinder Nikola Tesla mit der Archivierung und Verfeinerung solcher Einheiten und setzte den Einsatz von Elektronenröhren anstatt Relais durch. Lee De Forest änderte das Schaltungskonzept der Flemingschen Elektronenröhre im Jahr 1907 schließlich derart, dass es als UND-Gatter verwendet werden konnte.

Der österreichische Philosoph Ludwig Wittgenstein führte 1921 im Theorem 5.101 seiner Abhandlung Tractatus Logico-Philosophicus die erste Wahrheitstabelle ein. Der US-amerikanische Mathematiker Claude Elwood Shannon fundierte 1937 die Überlegungen Wittgensteins mit der Einführung der Booleschen Algebra in der Auswertung und der Gestaltung von Stromkreisschaltungen. Walther Bothe bekam 1954 den Nobelpreis in Physik für das erste moderne, elektronische UND-Gatter aus dem Jahr 1924. Gegenwärtige Forschungsprojekte beschäftigen sich mit molekularen Logikgattern.

Wahrheitstabelle

Hauptartikel: Wahrheitstabelle

Die möglichen Ausgangszustände eines Logikgatters können in Abhängigkeit von den Eingangszuständen in einer sogenannten Wahrheitstabelle dargestellt werden. Sie listet alle möglichen Kombinationen der Eingangssignale auf und liefert die dazugehörigen Ausgänge. Aus dieser kann man logische Formeln relativ einfach herauslesen. Die einzelnen Zeilen mit denselben Ausgangswerten werden bei der Disjunktiven Normalform (1 als Ergebnis) mit logisch "oder" und die einzelnen Eingänge mit logisch "und" verknüpft. Bei der Konjunktiven Normalform (0 als Ergebnis) ist es umgekehrt. Um eine kompakte Formel zu erhalten, kann man das sog. KV - Diagramm anwenden.

KV-Diagramm

Hauptartikel: KV-Diagramm

Das Karnaugh-Veitch-Diagramm ist eine einfache Möglichkeit, aus der disjunktiven oder konjunktiven Normalform eine möglichst kompakte logische Formel zu bilden. Durch sinnvolles Zusammenfassen von Nullen oder Einsen und „günstiges“ Interpretieren der redundanten Felder („leere“ Felder, die keinen Einfluss auf die Funktion haben), entsteht diese Kompaktform.

Typen von Logikgattern und Symbolik

Name Funktion Symbol in Schaltplan Wahrheits-
tabelle
IEC 60617-12 US ANSI 91-1984 DIN 40700 (vor 1976)
UND-Gatter
(AND)
Y = A \wedge B

Y = A\cdot B

Y = A\,B
IEC AND label.svg Logic-gate-and-us.svg Logic-gate-and-de.svg
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
ODER-Gatter
(OR)
Y = A \vee B

Y = A + B\,
IEC OR label.svg Or-gate-en.svg Logic-gate-or-de.png
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
NICHT-Gatter
(NOT)
Y = \overline{A}

Y = \neg A
IEC NOT label.svg Not-gate-en.svg Logic-gate-inv-de.png
A Y
0 1
1 0
NAND-Gatter (NICHT UND)
(NOT AND)
Y = \overline{A \wedge B}

Y = A \overline{\wedge} B

Y = \overline{A\,B}
IEC NAND label.svg Nand-gate-en.svg Logic-gate-nand-de.png
A B Y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
NOR-Gatter (NICHT ODER)
(NOT OR)
Y = \overline{A \vee B}

Y = A \overline{\vee} B

Y = \overline{A + B}
IEC NOR label.svg Nor-gate-en.svg Logic-gate-nor-de.png
A B Y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
XOR-Gatter (Exklusiv-ODER, Antivalenz)
(EXCLUSIVE OR)
Y = A \,\underline{\lor}\, B

Y = A \oplus B
IEC XOR label.svg Xor-gate-en.svg Logic-gate-xor-de.png
oder
Logic-gate-xor-de-2.png
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
XNOR-Gatter (Nicht-Exklusiv-ODER, Äquivalenz)
(EXCLUSIVE NOT OR)
Y = \overline{A \,\underline{\lor}\, B}

Y = A \,\overline{\underline{\lor}}\, B

Y = \overline{A \oplus B}
IEC XNOR label.svg Xnor-gate-en.svg Logic-gate-xnor-de.png
oder
Logic-gate-xnor-de-2.png
A B Y
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Kritik zur Symbolik

Früher waren auf dem europäischen Kontinent die deutschen Symbole (rechte Spalte) verbreitet, die sich am leichtesten zeichnen lassen und bei denen man den wesentlichen Funktionsunterschied (UND/ODER) durch das Durchziehen der Eingänge auf einen Blick am schnellsten erfassen kann; im englischen Sprachraum sind die amerikanischen Symbole (mittlere Spalte) geläufig. Ein Normierungskomitee mit dem an sich löblichen Ziel der Vereinheitlichung kreierte eine Symbolik mit einförmigen Kästchen, deren Beschriftung zur Funktionserkennung hinzuzuziehen ist; die Logik der Beschriftung ist nicht überzeugend (die „Anzahl der Eingänge, die 1 sein müssen, damit der Ausgang 1 ist“ ist nicht intuitiv zu erfassen, und schon beim UND wurde die konsequente Symbolik aufgegeben) und nicht eineindeutig (UND könnte auch mit =n bezeichnet werden, NOR mit =0 etc). Es ist daher verständlich, dass die wenig praxistauglichen IEC-Symbole (linke Spalte) in der amerikanischen Literatur durchgängig ignoriert werden.

Hintergrund

Gatter sind als sog. TTL-, CMOS- oder BiCMOS-Bausteine als einzelne integrierte Schaltkreise für wenige Cent erhältlich. Sie bilden den Kern von Mikroprozessoren, oder sind in tausenden per Software in sog. FPGA- oder PLD-ICs programmierbar. Besondere Wichtigkeit besitzen NAND- und NOR-Gatter, da man alle binären Funktionen nach Quine/McCluskey auf die drei Grundelemente AND, OR und NOT zurückführen kann. Wiederum kann OR und NOT mit NAND-Gattern dargestellt werden, oder AND und NOT aus NOR-Gattern. Man kann somit jede Logik-Schaltung ausschließlich aus NAND- oder NOR-Bausteinen aufbauen.

Größte Beliebtheit für die Entwicklung der Automatisierungs- und Computertechnik erlangten deshalb in den 1970er Jahren die Vierfach-NAND-Gatter 7400 (TTL) und 4011 (CMOS), sowie die Vierfach-NOR-Gatter 7402 (TTL) und 4001 (CMOS).

Die Anzahl von Gatteräquivalenten dient als Maß für die logische Komplexität einer Schaltung.

Das erste integrierte Logikgatter geht auf Jack Kilby im Jahr 1958 zurück und umfasste etwa zehn Bauteile. Zehn Jahre später fertigte Texas Instruments TTL-Schaltkreise (Serie 7400) in Großserie. Schnell wurden sie zur Basis der Industrieautomation.

Logikgatter werden mit Schaltsymbolen bezeichnet. Man unterscheidet folgende Typen von Logikgattern: XOR-Gatter, NOR-Gatter, NAND-Gatter, XNOR-Gatter, Und-Gatter, Oder-Gatter und Nicht-Gatter. Durch Verknüpfung mehrerer Logikgatter werden alle weiteren beliebig komplexeren logischen Funktionen erzeugt. Mehrere Logikgatter kann man zu einem Flipflop, Latch oder Multiplexer zusammenschalten, aus mehreren Flipflops kann man Datenspeicher und Zähler erstellen, und aus mehreren dieser Schaltungen kann man einen Mikroprozessor zusammenstellen.

Die bauteilspezifische zeitliche Verzögerung, mit der die Ausgänge auf Änderungen der Eingänge reagieren, heißt Gatterlaufzeit.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Patent US0447918.

Weblinks

 Commons: Logikgatter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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