¿Qué son las puertas lógicas?

Tratar de definir cuál es el elemento "más importante" de un circuito no tiene sentido.

En cuanto a lo que es una puerta lógica, es un circuito que opera con señales con estados discretos. En su gran mayoría, esto se hace usando solo dos estados, alto y bajo. Hay buenas razones eléctricas por las que es mucho más fácil manejar y operar con dos estados que con varios estados en una sola señal. Hay más detalles sobre eso aquí .

Por lo tanto, en la práctica, "puerta lógica" se refiere a algo que manipula señales binarias. Dado que se puede considerar que los dos estados representan lo verdadero y lo falso, el mundo de la teoría de la lógica booleana puede aplicarse a estos sistemas. La puerta lógica más simple de todas es el inversor, que realiza la función booleana NOT. Las siguientes más complicadas son las puertas lógicas de 2 entradas y 1 salida. Estos tienen funciones como AND, NAND, OR, NOR y XOR.

En teoría (volviendo a la lógica booleana), puede crear cualquier función más compleja solo a partir de las puertas NAND o NOR, aunque hacer que la función compleja sea más explícita de un grupo de transistores es a menudo más eficiente.

A partir de los bloques de construcción básicos anteriores, es posible construir flip-flop, contadores, sumadores, etc., etc. Un procesador completo contendrá muchas de estas cosas, que eventualmente se descompondrán en transistores. Hoy en día contamos con herramientas de diseño lógico de alto nivel para que los humanos especifiquen la lógica de alto nivel a realizar y las herramientas generen automáticamente el mar de transistores necesarios para realizarlo.

Los transistores son los bloques fundamentales de las computadoras y los sistemas integrados. TTL se usa generalmente para referirse a un circuito electrónico que usa transistores para la función lógica (ya sea para estar encendido o apagado) y la función de amplificación (corrientes y voltajes utilizables), o más coloquialmente a niveles de voltaje binarios de 0V-5V (ya que este rango es el que usan los chips dedicados TTL, así como muchos otros dispositivos electrónicos).

Una puerta lógica es una disposición de transistores que deciden una salida en función de los valores de las entradas. Las puertas lógicas típicas incluyen AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR.

Ejemplo de una puerta lógica:

Y

Definición básica: cuando todas las entradas son altas (5V), la salida será alta (5V), de lo contrario, la salida será baja (0V).

Por lo tanto: cuando la entrada A y la entrada B son BAJAS, la salida Y será baja. Cuando la entrada A es BAJA y la entrada B es ALTA, la salida Y será baja. Cuando la entrada A es ALTA y la entrada B es BAJA, la salida Y será BAJA. Cuando la entrada A es ALTA y la entrada B es ALTA, la salida Y será ALTA.

La idea de las funciones booleanas es antigua y George Boole escribió su famoso "Análisis matemático de la lógica" antes de 1900. No fue hasta que Claude Shannon escribió su tesis de maestría, "Un análisis simbólico de relés y circuitos de conmutación" en 1938. que se realizó la conexión entre las funciones lógicas y la implementación utilizando dispositivos de conmutación.

Una puerta lógica es un dispositivo que implementa una función booleana (= función lógica) como AND, OR, NAND, XOR y otras ... La definición es amplia y sugiere que podría implementar puertas lógicas (funciones) de muchas maneras . Podría ir extremo e implementar funciones utilizando interruptores mecánicos o incluso bolas y palancas (¡lo he visto hacer!).

TTL es uno de los métodos de implementación para funciones lógicas. Utiliza transistores BJT y resistencias como elementos de construcción. TTL se hizo enorme desde el principio y estableció estándares para otras implementaciones que siguieron en años posteriores.

Un ejemplo de la función lógica Y implementada en TTL: Tenga en cuenta que la salida de esta implementación es un colector abierto, por lo que debe cablear la salida a VCC a través de una resistencia. Si analiza el circuito, verá que las relaciones entre las entradas y las salidas se expresan en la tabla de verdad de la función AND. Me gusta este circuito porque puedes ver cómo se implementa una función NAND y también cómo se implementa una función NOT (como tener 3 en 1). Por supuesto, los transistores funcionan en corte o saturación, por lo que la salida es de alto o bajo voltaje que corresponde a los estados 1 y 0 en álgebra booleana.

Las "puertas" lógicas se llaman así porque se abren y permiten que algo pase solo cuando se abren según ciertas reglas.

Por ejemplo, considere un toro en un corral con una puerta que se abrirá (y deje que salga el toro) solo si dos personas abren la puerta juntos. Esto se llama una puerta AND porque solo se abrirá si la persona "A" Y la persona "B" abren la puerta juntos.

Por otra parte, si cualquiera de las dos personas pudiera abrir la puerta, se llamaría puerta O, ya que la persona "A" O la persona "B" (o ambas) podría abrirla.