Ce sunt porțile logice și cum funcționează?

Ce sunt porțile logice și cum funcționează? Dacă ați auzit de porți logice, dar nu aveți nicio idee despre ce sunt, trebuie să știți că sunteți în locul potrivit. În acest articol despre, ce sunt porțile logice și cum funcționează, vă voi explica pe scurt, dar cât mai detaliat, ce sunt porțile logice și care este funcționarea lor.

Ce sunt porțile logice?

V-ați întrebat vreodată cum efectuează un PC sau laptop operații matematice pe baza datelor pe care le primește ca intrare? În general, fiecare bucată de date furnizată ca intrare în calculator (adică input) este un tip de date care poate fi reprezentat prin semnale electrice de tip on sau off, adică de tip unu sau zero (mai bine cunoscute sub numele de biți).

Pentru a putea produce semnale de output (adică ieșire) care să reprezinte rezultatul prelucrării necesare, un calculator trebuie să combine și să prelucreze toate datele primite ca intrare. Pentru a face acest lucru, un computer utilizează miliarde de componente electronice minuscule, numite în mod obișnuit porți logice, care grupate împreună formează circuitele digitale prin care este construit orice calculator. Pe scurt, o poartă logică nu este altceva decât un circuit digital care poate emite un semnal care depinde de valorile unuia sau mai multor semnale primite ca intrare.

Cum funcționează porțile logice?

În general, cele mai complexe circuite sunt capabile să combine diferitele semnale primite la intrare astfel încât să furnizeze noi rezultate la ieșire. Cu toate acestea, există doar trei porți logice principale: NOT, AND și OR.

Poarta logică NOT

Cea mai simplă poartă logică dintre toate constă într-o singură intrare și o singură ieșire. Prin urmare, acest circuit ia un semnal electric, fie că este pornit (adică 1), fie că este oprit (adică 0), și îl inversează pur și simplu. Astfel:

  • dacă semnalul de intrare la această poartă logică este 1, circuitul în cauză răspunde cu 0;
  • dacă, pe de altă parte, semnalul de intrare la această poartă logică este 0, circuitul în cauză răspunde cu 1.

Cu alte cuvinte, semnalul de ieșire din acest circuit este întotdeauna exact opusul semnalului de intrare primit. Tocmai din acest motiv, această poartă logică se numește NOT (adică nu în limba engleză).

Poarta logică AND

O altă poartă logică fundamentală este un circuit care primește ca intrare două semnale: 1 sau 0. În acest caz:

  • dacă cel puțin unul dintre semnalele de intrare este 0, atunci rezultatul este de asemenea 0;
  • dacă ambele semnale de intrare sunt 1, atunci rezultatul de ieșire este de asemenea 1.

Cu alte cuvinte, acest circuit returnează 1 numai dacă primul semnal de intrare și al doilea semnal de intrare sunt ambele 1. Deoarece conjuncția este scrisă în engleză and și (pronunțat end), această poartă logică se numește AND.

Poarta logică OR

Ultima poartă logică cea mai importantă este întotdeauna alcătuită dintr-un circuit care primește ca intrare două semnale: 1 sau 0. În acest caz:

  • dacă cel puțin unul dintre semnalele de intrare este 1, atunci rezultatul de ieșire este de asemenea 1;
  • dacă ambele semnale de intrare sunt 0, atunci rezultatul de ieșire este, de asemenea, 0.

Cu alte cuvinte, acest circuit returnează 1 numai dacă primul semnal de intrare este 1 sau numai dacă al doilea semnal de intrare este 1. Deoarece disjuncția se scrie în engleză or, această poartă logică se numește OR. Rețineți că, în cazul particular al acestui circuit, rezultatul de ieșire este 1 chiar și atunci când ambele semnale de intrare sunt 1. Iată poarta logică NOT, poarta logică AND și poarta logică OR cu tabelele lor respective.

Ce sunt porțile logice și cum funcționează

Alte porți logice

În afară de porțile logice menționate mai sus, există și alte porți logice (cum ar fi, de exemplu, NAND, NOR și XOR), dar principiul pe care îl au în comun este întotdeauna același, și anume un sistem foarte precis care definește modul în care se comportă ieșirea în funcție de valorile primite la intrare. În practică, porțile logice nu sunt altceva decât funcții matematice particulare care, la intrare sau la ieșire obțin sau returnează doar două valori: 0 și 1.

Circuitul Adder (sumator)

Prin conectarea circuitelor elementare între ele, este posibil să se creeze circuite mai complexe care efectuează operații și mai complexe. De exemplu, este posibil să se realizeze un circuit care să facă suma a doi biți. Acest circuit, numit Adder (sumator), primește ca intrare doi biți individuali, fiecare dintre ei putând fi 0 sau 1 și îi procesează pentru a le calcula suma. Suma dată de acești doi biți poate fi astfel:

  • 0 + 0 = 00;
  • 0 + 1 = 01;
  • 1 + 1 = 10 (adică numărul 2 exprimat cu ajutorul sistemului binar).

În acest caz, sunt necesare două fire de ieșire, deoarece sunt necesare două cifre binare pentru a reprezenta suma a doi biți (de fapt, chiar dacă se adună două numere zecimale cu o singură cifră, se obține un rezultat cu două cifre, adică, de exemplu, 6 + 4 = 10). Odată ce s-a obținut un circuit pentru însumarea a doi biți de date, este posibil să se lege mai multe sumare cu reporturi pentru a însuma numere și mai mari. Să luăm, de exemplu, un sumator de numere pe 8 biți care însumează numerele 26 și 52.

Fiecare dintre aceste două numere este reprezentat cu ajutorul a 8 biți (adică 26 corespunde la 00011010, în timp ce 52 corespunde la 00110100) și, prin urmare, există 16 semnale electrice diferite care intră în circuitul în cauză. Circuitul unui sumator pentru numere pe 8 biți conține 8 sumatoare cu reportare pentru numere pe 2 biți care, împreună, calculează suma numerelor 26 și 52, care este egală cu 78 (adică 01001110 în sistemul binar).

Prin utilizarea altor circuite electrice, este posibil să se efectueze alte operații matematice simple, cum ar fi scăderea și înmulțirea. Prin urmare, toate calculele pe care le efectuează un calculator nu sunt altceva decât o mulțime de operații simple puse cap la cap. Fiecare operațiune efectuată de un calculator este atât de simplă încât ar putea fi efectuată și de o persoană. Dar aceste circuite digitale din interiorul unui computer sunt extrem de rapide, atât de rapide încât pot efectua miliarde de astfel de operații într-o singură secundă.

Cu mult timp în urmă, aceste circuite erau mult mai mari și mult mai lente. Un sumator pentru numere pe 8 biți putea fi la fel de mare ca un frigider și putea dura câteva minute pentru a efectua un calcul simplu. Astăzi, însă, circuitele de calculator au dimensiuni microscopice și sunt extrem de rapide.

Dar de ce sunt calculatoarele moderne mai mici, dar și mai rapide? Pur și simplu pentru că, cu cât circuitele sunt mai mici, cu atât mai scurtă este distanța pe care trebuie să o parcurgă semnalul electric. În plus, electricitatea se mișcă aproape cu viteza luminii, acesta fiind și motivul pentru care circuitele moderne pot efectua miliarde de calcule într-o singură secundă.

Odată ce ne dăm seama că, prin intermediul unu și zero sub formă de semnale electrice, putem construi circuite digitale reprezentând porți logice, nu este nevoie de mult timp pentru a ne da seama că, prin asamblarea a miliarde de astfel de circuite minuscule este posibil să construim calculatoare. Deci, dacă ați citit acest articol acum știți ce sunt porțile logice și cum funcționează.