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逻辑门（Logic Gates)

已有 758 次阅读 2014-10-27 11:39 |关键词:<div class="blr" id="main_messaqge_L33T3"><div id="layer_login_L33T3"><h3 class="flb"><em id="returnmessage_L33T3"&a

逻辑门（Logic Gates)是在集成电路(Integrated Circuit)上的基本组件。简单的逻辑门可由晶体管组成。这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门(Exclusive OR gate)（也称：互斥或）等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。

逻辑门又称“数字逻辑电路基本单元”。执行“或”、“与”、“非”、“或非”、“与非”等逻辑运算的电路。任何复杂的逻辑电路都可由这些逻辑门组成。广泛用于计算机、通信、控制和数字化仪表。

作用

通过控制高、低电平（分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的“1”和“0”），从而实现逻辑运算。

2逻辑门的种类或门

或门，又称或电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个2输入或门构成。只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。

与门

与门（英语：AND gate）又称“与电路”。是执行“与”运算的基本逻辑门电路。有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。

非门

非门（英文：NOT gate）又称反相器，是逻辑电路的基本单元，非门有一个输入和一个输出端。逻辑符号中输出端的圆圈代表反相的意思。当其输入端为高电平（逻辑1）时输出端为低电平（逻辑0），当其输入端为低电平时输出端为高电平。也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。

与非门

由与门与非门组合而成。

或非门

由或门和非门组合而成。

其中，非门和或非门在数字电路中较为常见。

符号表

设其中A和B为输入变量

类型	ANSI/IEEE标准	IEC标准	又名/短释	逻辑函数表示	真值表
NOT			非门╱反相器：逆转输入的高低状态。	A'	输入 A 0 1	输出 An 1 0
AND			与门╱且门：所有输入为高时，才会有输出高。	A*B	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AandB 0 0 0 1
NAND			与非门：与与门相反。所有输入为高时，才会有输出低。	(A*B)'	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AnandB 1 1 1 0
OR			或门：所有输入为低时，才会有输出低。	A + B	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AorB 0 1 1 1
NOR			或非门：与或门相反。所有输入为低时，才会有输出高。	(A + B)'	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AnorB 1 0 0 0
XOR			异或门：输入相同时输出为低，否则为高。	A'B + AB'	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AxorB 0 1 1 0
XNOR			同或门：与异或门相反。输入相同时输出为高，否则为低。	AB + A'B'	输入 A B 0 0 0 1 1 0 1 1	输出 AxnorB 1 0 0 1

用DNA和细菌组装可模块化逻辑门

英国科学家近使用细菌和基因手段，通过对一种无害的大肠杆菌进行基因改造，制造出了用于制造计算设备的基础元件——逻辑门。这种可模块化的新型“生物逻辑门”标志着朝最终制造出生物计算机迈进了一大步。

在最新研究中，英国帝国理工学院的科学家使用已经被修改过的DNA来对肠道内常见的大肠杆菌进行重新编程，让其在受到化学物质的刺激时，能用蛋白质等作为输入信息和输出信息，完成逻辑运算，从而具有与当前计算机所用电路逻辑门类似的信息处理能力。他们研制出了一类“AND（与）门”，也制造出了一类“NOT（非）门”，并将两者结合在一起制造出了更复杂的“与非门”。

最新研制出来的生物逻辑门的所作所为与电子逻辑门几乎一样，更重要的是，这种生物逻辑门可以模块化地进行逻辑门之间的叠加，而以前的生物逻辑门则不具备这种逻辑门叠加功能，因此本次研究成果是科学家们迄今制造出的最先进的“生物电路”。

新型生物逻辑门的模块化功能也意味着它们能被放在一起来制造不同类型的逻辑门，以便未来开发出更复杂的生物处理器。比如，科学家们可以研制出能在人的关节处游荡的传感器，探测此处有害噬菌斑的组成并快速将药物递送到受影响的区域。其他应用还包括研制探测和破坏身体内癌细胞的传感器以及能置于环境中的污染检测器来探测和中和诸如砷等有害毒素。

科学家们下一步计划研制由多个逻辑门组成的更复杂的回路。他们面临的一个挑战是找到方法能让多个生物逻辑门有效地结合在一起，能像电子逻辑门之间那样有效地“沟通”，以便执行更复杂的处理过程。

Nature：新型细菌细胞计算器

　　2013年5月15日"Nature"期刊在线发表了麻省理工学院工程师们最新设计的能够进行计算的细菌细胞计算器。他们模拟电子电路，此阿勇新的方式将现存的基因零件或者说工程基因进行组合而构建出合成运算电路。

    根据论文两名通信作者Rahul Sarpeshkar和Timothy Lu的说法，这些运算电路利用已存在于细胞中的自然生化功能而不是对它们进行过数字逻辑改造，从而以一种模拟的方式进行计算，这就使得它们比大多数合成生物学家们所追求的数字电路更加高效。

    研究人员说，模拟计算特别适合于设计针对病原体或其他分子的细胞传感器。模拟传感(analog sensing)也可能与数字电路相结合来构建出发挥特异性功能的细胞，其中这种特异性功能是由某些分子的阈值浓度所触发的。

    Lu说，“人们能够利用模拟电路开展许多前期检测，这是因为它们非常丰富，而且只需相对较少的零件就能够赋予很大的复杂性，因而利用一个电路输出结果就可作出决定，对不对?”

    执行数学运算

    为了构建出能够计算细胞中的两个或多个化合物总数量的模拟加法或乘法电路，研究人员将两个模拟电路组合在一起，其中每个电路对应于一个不同的输入。在一个电路中，阿拉伯糖开启一个转录因子表达从而激活表达绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)的基因。在第二个电路中，一种被称作AHL的信号分子也开启表达GFP的基因。通过计算GFP的总量，就可计算出两个输入的总量。

    为了构建出减法或除法电路，研究人员利用一个抑制性的转录因子来替换其中一个激活性的转录因子，当这个抑制性的输入分子存在时，就会关闭GFP表达。他们也构建出只需两个零件的模拟平方根电路，而最近有人设计出执行平方根运算的数字合成电路则需要100多个零件。

    研究人设计出的另一个模拟电路能够通过计算两个不同输入分子的比值来执行除法运算。细胞本身就经常执行这类运算，并且这类运算在监控诸如NAD和NADH之类的分子的相对浓度中发挥着关键性作用。NAD和NADH经常相互转换，这是因为它们协助其他的细胞反应发生。

    Lu说，“这种比值在控制许多种细胞过程中发挥着重要作用。细胞自然地拥有能够识别这些比值的酶。细胞本身就已能够完成许多种这些过程，但是对细胞而言，若要在一种有用的范围内执行它们则需要额外的工程手段。”

    这些额外的工程手段包括修改这些模拟电路，这样它们就能够接受1到10000的范围内的输入进行计算，这远比细胞中自然发生的电路的计算范围宽得多。

    研究人员如今正在尝试着在包括哺乳动物细胞在内的非细菌细胞中构建模拟电路。他们也正在努力扩大能够整合到这些模拟电路中的基因零件库。Lu说，“就目前而言，我们正在使用三个在生物学上经常使用的转录因子，但是我们想使用其他的基因零件来完成这种工作，并且让这种可推广的平台能够为其他任何人所使用。”

    Sarpeshkar实验室正在细胞中进一步构建新的模拟电路。Sarpeshkar说，“对于复杂的模拟反馈电路在活细胞中能够发挥哪些作用，我们也只知皮毛。”他认为这种被称作模拟合成生物学(analog synthetic biology)的新方法将能够构建出一套新的基本电路和应用电路，从而能够显著性地改善对基因表达、分子传感、计算和刺激的微调控制。（摘自：生物帮）

Nature重大成果：首个哺乳动物单细胞计算器 http://www.aweb.com.cn 2012年06月05日 13:31 农博网

　　生物通报道哺乳动物细胞现在能够执行电子计算机的功能：进行逻辑运算。来自瑞士的研究人员给细胞装配了一个复杂的基因网络使得它不仅仅能完成如1加1的简单任务。相关研究论文发表在6月3日的《自然》（Nature）杂志上。

　　这项研究由来自瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统系生物技术与生物工程学教授Martin Fussenegger领导。在文章中，研究人员构建了一个能够执行逻辑运算的基因网络，并由此启动了特异的代谢步骤。“我们开发出了第一个真正的细胞计算器，”Fussenegger说。

　　利用生物成分，研究人员开发出了一套不同的元件可在不同的组合中相互连接，并随后执行逻辑运算。这些术语称之为“逻辑门”的电路元件利用了苹果分子根皮素（phloretin）和抗生素红霉素作为输入信号。基于布尔逻辑（Boolean logic）进行计算。

　　具有模块化结构的计算器

　　研究人员利用生物元件构建出了几种“逻辑门”，例如“与”（AND）门，在计算机技术中也被称作“与”计算器（operator）。在“与”逻辑门中，需要提交两个输入信号根皮素和红霉素在输出信号中做作为“一”被计算。基于这个“一”，基因网络启动形成了一种荧光蛋白，使得细胞发光。如果缺失其中一种输入信号，细胞就不会发亮。

　　通过组合和相互连接几个逻辑门，生物技术人员最终获得了“半加器”（ “half-adder）和“半减器”（ half-subtractor），这两种计算机技术中的中心电路元件。半加器是一种基本的数字电路可以合计二进制数；另一方面，半减器负责减去它们。这两种元件存在于每个数字计算器中，负责执行大部分的运算。在细胞结构试验中，两个生物计算机元件生成了实质的结果。

　　第一个“真正”的可编程细胞计算器

　　“通过组合几个逻辑门，我们在细胞合成基因网络中获得了从所未有的复杂水平，”Fussenegger教授说。此外，值得注意的是生物计算器可以平行处理两个不同的输入和输出信号。这将生物计算器不同于数码电子产品，因为数码电子产品只能利用电子运作。

　　Fussenegger教授说：“当然，我们的计算器远远比不上电脑（PC）高效。然而从本质上讲，一个细胞能够平行处理许多不同的代谢产物。尽管到目前为止生物计算器只能够控制基本的二进制运算，一个哺乳动物细胞能够像这样运算就已经是一件令人惊叹的事情。”

　　其他一些科学家已经在酵母和细菌中实现了不同的电路元件。在新系统中，所有都存在于单个细胞里，基于哺乳动物细胞的复杂性其轻易就超越了酵母和细菌。

　　设想未来的应用

　　相比于改变细菌或酵母细胞，研究人员因此更加接近治疗应用。对于Fussenegger教授而言，可以想象如果有必要，细胞计算器可在遥远的未来和步骤中用于监控患者的新陈代谢。可将这些智能细胞植入到糖尿病患者体内，例如通过开发一个电路识别疾病相关代谢产物，调控具治疗效应物质的释放，例如胰岛素。然而目前研究人员离这样的应用仍相距甚远。

　　这一细胞计算器的想法来自Fussenegger的博士生Simon Ausl?nder。由于Fussenegger的实验室之前就具备了构建这一计算器的必要元件，这一想法便在这片沃土中成长。“这是合成生物学的美妙之处：我们只需要钻研这一工具箱，就可以创造出新的功能。”

(文章来源：生物通)