مستوى المنطق

يُعدّ استخدام مستوى الجهد الأعلى أو الأدنى لتمثيل أي حالة منطقية أمرًا اختياريًا. الخياران هما: حالة التفعيل العالي ( منطق موجب ) وحالة التفعيل المنخفض ( منطق سالب ). يمكن مزج حالتي التفعيل العالي والتفعيل المنخفض حسب الرغبة؛ فعلى سبيل المثال، قد تحتوي دائرة متكاملة لذاكرة القراءة فقط على إشارة اختيار الشريحة ذات تفعيل منخفض، بينما تكون بتات البيانات والعناوين عادةً ذات تفعيل عالي. في بعض الأحيان، يُبسّط تصميم المنطق بعكس اختيار مستوى التفعيل (انظر قوانين دي مورغان ).

تاريخيًا، يُكتب اسم الإشارة ذات الفعالية المنخفضة مع خط فوقها لتمييزها عن الإشارة ذات الفعالية العالية. على سبيل المثال، يُمثل الاسم Q ، الذي يُقرأ Q bar أو Q not ، إشارة ذات فعالية منخفضة. وفيما يلي الاصطلاحات الشائعة الاستخدام:

• شريط أعلى ( Q )
• شرطة مائلة في البداية (/Q)
• علامة تعجب رئيسية (!Q)
• بادئة أو لاحقة صغيرة تبدأ بحرف n (nQ أو Qn أو Q_n)
• لاحقة حرف N كبير (Q_N)
• رقم لاحق (Q#)، أو
• لاحقة _B أو _L (Q_B أو Q_L). ^{[ 1 ]}

تُعدّ العديد من إشارات التحكم في الإلكترونيات إشارات منخفضة الفعالية ^{[ 2 ]} (عادةً خطوط إعادة الضبط، وخطوط اختيار الشريحة، وما إلى ذلك). تستطيع عائلات المنطق مثل TTL استيعاب تيار أكبر مما تستطيع توفيره، مما يزيد من عدد المخارج ومقاومة التشويش . كما يسمح ذلك باستخدام منطق OR السلكي إذا كانت البوابات المنطقية ذات مجمع مفتوح / مصرف مفتوح مع مقاومة سحب لأعلى. ومن أمثلة ذلك ناقل I²C ، وناقل CAN ، وناقل PCI .

بعض الإشارات لها معنى في كلتا الحالتين، وقد تشير الرموز إلى ذلك. على سبيل المثال، من الشائع وجود خط قراءة/كتابة يُرمز له بـ R/ W ، مما يدل على أن الإشارة تكون عالية في حالة القراءة ومنخفضة في حالة الكتابة.

عادةً ما تُمثَّل الحالتان المنطقيتان بجهدين مختلفين، ولكن يُستخدم تياران مختلفان في بعض إشارات المنطق، مثل واجهة حلقة التيار الرقمية ومنطق نمط التيار . تُحدَّد عتبات عليا ودنيا لكل عائلة منطقية. عندما يكون الجهد أقل من العتبة الدنيا، تكون الإشارة منخفضة . وعندما يكون الجهد أعلى من العتبة العليا، تكون الإشارة عالية . أما المستويات الوسيطة فهي غير مُحدَّدة، مما ينتج عنه سلوك دائرة يعتمد بشكل كبير على التنفيذ.

من المعتاد السماح ببعض التفاوت في مستويات الجهد المستخدمة؛ على سبيل المثال، قد يُمثل الجهد من 0 إلى 2 فولت المنطق 0، ومن 3 إلى 5 فولت المنطق 1. أما الجهد من 2 إلى 3 فولت فهو غير صالح ولا يحدث إلا في حالة وجود عطل أو أثناء انتقال مستوى منطقي. مع ذلك، لا تستطيع سوى قلة من الدوائر المنطقية اكتشاف مثل هذه الحالة، ومعظم الأجهزة تُفسر الإشارة ببساطة على أنها عالية أو منخفضة بطريقة غير محددة أو خاصة بالجهاز. تتضمن بعض الأجهزة المنطقية مداخل مُشغّل شميت ، التي يكون سلوكها أكثر تحديدًا في منطقة العتبة، وتتمتع بمقاومة أكبر للتغيرات الطفيفة في جهد الإدخال. تكمن مشكلة مصمم الدائرة في تجنب الظروف التي تُنتج مستويات وسيطة، بحيث تتصرف الدائرة بشكل متوقع.

تستخدم جميع الدوائر الرقمية تقريبًا مستوى منطقيًا ثابتًا لجميع الإشارات الداخلية. ومع ذلك، يختلف هذا المستوى من نظام لآخر. غالبًا ما يتطلب ربط أي مجموعتين منطقيتين تقنيات خاصة، مثل مقاومات سحب إضافية أو دوائر واجهة مصممة خصيصًا تُعرف باسم محولات المستوى. يربط محول المستوى دائرة رقمية تستخدم مستوى منطقيًا معينًا بدائرة رقمية أخرى تستخدم مستوى منطقيًا مختلفًا. في كثير من الأحيان، يُستخدم محولان للمستوى، واحد في كل نظام: محول خط يحول من المستويات المنطقية الداخلية إلى مستويات خط الواجهة القياسية؛ ومستقبل خط يحول من مستويات الواجهة إلى مستويات الجهد الداخلية.

على سبيل المثال، تختلف مستويات TTL عن مستويات CMOS . عمومًا، لا يرتفع خرج TTL بدرجة كافية ليتم التعرف عليه بشكل موثوق كقيمة منطقية 1 بواسطة مدخل CMOS، خاصةً إذا كان متصلًا فقط بمدخل CMOS ذي مقاومة دخل عالية لا يوفر تيارًا كبيرًا. تم حل هذه المشكلة باختراع عائلة أجهزة 74HCT التي تستخدم تقنية CMOS ولكن بمستويات منطق دخل TTL. تعمل هذه الأجهزة فقط بمصدر  طاقة 5 فولت.

على الرغم من ندرتها، تقوم أجهزة الكمبيوتر الثلاثية بتقييم المنطق الثلاثي ذي الأساس 3 باستخدام 3 مستويات جهد.

في منطق الحالات الثلاث ، يمكن أن يكون جهاز الإخراج في إحدى ثلاث حالات ممكنة: 0 أو 1 أو Z، حيث تشير الحالة الأخيرة إلى مقاومة عالية . هذا لا يمثل جهدًا أو مستوى منطقيًا، بل يعني أن الإخراج لا يتحكم في حالة الدائرة المتصلة.

تُضيف المنطق الرباعي حالة رابعة، X ( لا يهم )، مما يعني أن قيمة الإشارة غير مهمة وغير مُحددة. وهذا يعني أن المدخل غير مُحدد، أو أنه يمكن اختيار إشارة خرج لتسهيل التنفيذ (انظر خريطة كارنو §  لا يهم ).

يحدد معيار IEEE 1164 تسع حالات منطقية لاستخدامها في أتمتة تصميم الإلكترونيات . ويتضمن المعيار إشارات قوية وأخرى ضعيفة، ومقاومة عالية، وحالات غير معروفة وغير مهيأة.

في أجهزة التخزين ذات الحالة الصلبة، تخزن الخلية متعددة المستويات البيانات باستخدام جهود كهربائية متعددة. ويتطلب تخزين n بت في خلية واحدة أن يميز الجهاز بشكل موثوق 2^ ⁿ مستوى جهد كهربائي مختلف.

قد تستخدم رموز الخطوط الرقمية أكثر من حالتين لترميز البيانات ونقلها بكفاءة أكبر. ومن الأمثلة على ذلك تقنية عكس العلامة البديلة و 4B3T المستخدمة في الاتصالات، بالإضافة إلى متغيرات تعديل سعة النبضة المستخدمة في الإيثرنت عبر الأزواج الملتوية . على سبيل المثال، يستخدم معيار 100BASE-TX ترميز MLT-3 بثلاثة مستويات جهد تفاضلي (-1 فولت، 0 فولت، +1 فولت)، بينما يستخدم معيار 1000BASE-T خمسة مستويات جهد تفاضلي (-1 فولت، -0.5 فولت، 0 فولت، +0.5 فولت، +1 فولت). ^{[ 8 ]} بعد الاستلام، يُحوّل ترميز الخط مرة أخرى إلى النظام الثنائي.