Logikgatter

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Gatter-Typen
  NOT
AND NAND
OR NOR
XOR XNOR

Ein Logikgatter oder auch nur Gatter (engl. gate) ist ein elektronisches Bauelement für die Realisierung einer Booleschen Funktion, das digitale Eingangssignale zu einem digitalen Ausgangssignal verarbeiten kann. Die Eingangssignale werden durch Implementierung logischer Operatoren, wie UND, ODER oder NICHT oder EXKLUSIV-ODER zu einem einzigen logischen Ergebnis umgewandelt und durch das Ausgangssignal abgebildet. Für die Umsetzung gibt es jedoch unterschiedliche Möglichkeiten.

Heutzutage bestehen Schaltungen für Logikgatter, mit wenigen Ausnahmen, ausschließlich aus Transistoren. Das Signal bilden hier Spannungswerte und repräsentieren die logischen Zustände und werden gemeinhin mit „0“ oder „1“, „low“ oder „high“ (L oder H) bezeichnet, was auch eine Interpretation als Ziffern erlaubt. Die Spannungswerte definieren Grenzen ab denen die Transistoren sicher auf leitend oder sperrend umschalten. Ergebnisse als Ausgangsspannung so implementierter Gatter können wiederum an die Eingänge andere Gatter angeschlossen werden, sodass sich vielseitige Schaltungen erstellen lassen.

Prinzipiell lassen sich alle Logische Verknüpfungen als Gatter realisieren. Logikgatter werden heute ausschließlich als IC angeboten, lassen sich aber sowohl mit elektronischen Bauelementen diskret nachbauen, als auch mittels Schalter oder Relais oder mittels Software (WENN, SWITCH, CASE). Zur Lösung einer logischen Funktion wird die so genannte Schaltalgebra angewendet.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Nicht durch die angegebene Literatur belegt (April 2016).

Mathematisch exakt wurde das Binärsystem zuerst von Gottfried Wilhelm Leibniz beschrieben (Veröffentlichung im Jahre 1705), wobei Leibniz auch erläuterte, wie unter Verwendung dieses Systems die Prinzipien der Arithmetik und Logik kombiniert werden können.

Die ersten Logikgatter wurden noch 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, 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, jedoch ohne sie so zu nennen. Walther Bothe, der Erfinder der Koinzidenzschaltung, erhielt den Nobelpreis (1954) zum Teil für das erste moderne elektronische UND-Gatter aus dem Jahre 1924. Konrad Zuse entwarf und baute elektromechanische Logikgatter für seinen Computer Z1 (von 1935 bis 1938).

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.

Helmut Schreyer, der 1941 über Schaltungstechnik promoviert hatte, baute 1942 versuchsweise eine elektronische Rechenanlage mit 100 Röhren und 1944 einen elektronischen Übersetzer von Dezimal- in Binärzahlen.[1]

Gegenwärtige Forschungsprojekte beschäftigen sich mit molekularen Logikgattern.

Wahrheitstabelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Wahrheitstabelle

Die möglichen Ausgangszustände eines Logikgatters können in Abhängigkeit von den Eingangszuständen in einer 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 ein KV-Diagramm verwenden.

KV-Diagramm[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Name Funktion Symbol in Schaltplan Wahrheits-
tabelle
IEC 60617-12 : 1997 &
ANSI/IEEE Std 91/91a-1991
ANSI/IEEE Std 91/91a-1991 DIN 40700 (vor 1976)
Und-Gatter
(AND)






IEC AND label.svg Logic-gate-and-us.svg Logic-gate-and-de.png
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Oder-Gatter
(OR)


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)




IEC NOT label.svg Not-gate-en.svg Logic-gate-inv-de.svg
A Y
0 1
1 0
NAND-Gatter (NICHT UND)
(NOT AND)






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)






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)


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 (Exklusiv-Nicht-ODER, Äquivalenz)
(EXCLUSIVE NOT OR)






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

Früher waren auf dem europäischen Kontinent die deutschen Symbole (rechte Spalte) verbreitet; im englischen Sprachraum waren und sind die amerikanischen Symbole (mittlere Spalte) üblich. Die IEC-Symbole sind international auf beschränkte Akzeptanz gestoßen und werden in der amerikanischen Literatur (fast) durchgängig ignoriert.

Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gatter sind als TTL-, CMOS- oder BiCMOS-Bausteine in der Form einzelner integrierter Schaltkreise für wenige Cent erhältlich. Sie basieren grundsätzlich auf den beiden Transistor-Familien „bipolar“ (F, TTL, AS) und „metal oxid“ (CMOS) und kombiniert (BiCMOS). Sie bilden den Kern von Mikroprozessoren, oder sind in tausenden per Software in FPGA- oder PLD-ICs programmierbar. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die 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 logische Schaltung allein durch NAND- oder NOR-Bausteine realisieren, wenn man die real existierenden Gatter-Durchlaufzeiten und die Signalflankenzeiten hinnimmt.

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.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Logikgatter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Helmut Schreyer, Institut für Telekommunikationssysteme, Technische Universität Berlin.