أمثلة على البوابات المنطقية

تُعرّف البوابة المنطقية ببساطة على أنها دائرة كهربائية، لمعظم أنواعها اثنين من المدخلات وواحد من المخرجات، حيث تقوم هذه البوابة باستقبال تيّارين كهربائيين ومقارنتهما ببعضهما البعض وإصدار تيّار جديد تعتمد قيمته على نتيجة المقارنة، ويمكن تشبيهها تبعًا لوظيفتها بالحارس الذي يمنح الإذن بالدخول إلى مكان معين فقط في حال اجتياز مجموعة من الاختبارات المحددة،[١] وهذا المقال سيذكر بعض الأمثلة على البوابات المنطقية.
مبدأ عمل البوابات المنطقية
تقوم الحواسيب والآلات الحاسبة بتخزين الأرقام العشرية من صفر إلى تسعة على شكل سلسلة من الصفر والواحد تدعى بالنظام الثنائي، وتخزّن هذه الأرقام بواسطة مفاتيح إلكترونية ميكروسكوبية تسمّى بالترانزستورات؛ فالتناوب ما بين تشغيل وإطفاء الترانزستور يعمل على تخزين القيم الثنائية صفر وواحد بكل سهولة، وإتمام عمليات الجمع والطرح والضرب والقسمة يحتاج لوجود دارات إلكترونية ذكية كالبوابات المنطقية،[١] ولفهم البوابات المنطقية أكثر يمكن ذكر ما يأتي عن هذه البوابات:[٢]
تتكون البوابات المنطقية من مجموعة من المقاومات والترانزستورات والدايودات.
يمكن إجراء عمليات بسيطة أو معقّدة عن طريق وصل مجموعة من البوابات المنطقية لتكوين دارات الكترونية متكاملة.
يعتمد أكبر عدد من البوابات المنطقية المستخدمة في الدارة المتكاملة على حجم هذه الدارة مقسومًا على حجم البوابة المنطقية، وبشكل عام يؤدي استخدام ترانزستورات صغيرة الحجم إلى الحصول على معالجات ذات سرعة أكبر وأنظمة أكثر تعقيدًا، فمن الممكن أن تحتوي الدارة المتكاملة على القليل أو الملايين من البوابات المنطقية كما هو الحال في المعالجات الدقيقة، ومع تطوّر تقنية الدارات المتكاملة، أصبح هناك حاجة إلى عدد أقل من البوابات المنطقية.
تحتوي معظم البوابات المنطقية على مدخلين ومخرج واحد، حيث تكون قيم المدخلات أو المخرجات إما صفر (خطأ) أو واحد (صح) اعتمادًا على قيمة الجهد، فالقيمة صفر تكون في حال كان جهد التيّار مساويًا لصفر فولت والقيمة واحد في حال كان الجهد أكبر أو يساوي خمسة فولت.
أمثلة على البوابات المنطقية
هناك عدة أنواع من البوابات المنطقية منها ما هو بسيط وأساسي وهذا النوع من البوابات يدخل في تكوين وتركيب أنواع أخرى أكثر تعقيدًا، والآتية هي بعض الأمثلة على البوابات المنطقية:
البوابات المنطقية الأساسية البسيطة: وتتضمن أمثلتها:[٣]
بوابة النفي NOT: وتعتبر من أبسط أنواع البوابات المنطقية وتُعرَف بالمحوّل أو العاكس ولهذه البوابة مدخل واحد ومخرج واحد، وتقوم بعكس القيمة الداخلة فالصفر يُعكس إلى واحد والواحد إلى صفر.
بوابة الضرب AND: ولهذه البوابة مدخلان ومخرج واحد ووظيفتها تعتمد على ضرب المدخلات، حيث تكون قيمة المخرج تساوي واحدًا فقط في حال كان المدخلان لهما القيمة واحد.
بوابة الجمع OR: ولهذه البوابة مدخلان ومخرج واحد، حيث تعمل على جمع قيم المدخلات لتكون قيمة المخرج واحد في حال كانت قيمة أحد المداخل تساوي واحدًا.
البوابات المنطقية الأكثر تعقيدًا: وتتضمن أمثلتها:[٤]
بوابة NAND: ولهذه البوابة مدخلان ومخرج واحد، وتجمع بين عمليتين منطقيتين وهما NOT و AND حيث تقوم بعملية نفي القيمة الناتجة من بوابة AND.
بوابة NOR: وهذه البوابة لها مدخلان ومخرج واحد، حيث أن القيمة الخارجة منها هي نتاج تطبيق عملية النفيNOT على القيمة الناتجة من تطبيق الجمع OR على القيم الداخله اليها.
بوابة XOR: ولهذه البوابة مدخلان ومخرج واحد، وتكون قيمة الناتج النهائي الخارج منها تساوي واحدًا في حال كانت قيمة أحد المدخلين تساوي واحد وليس كلاهما.
بوابة XNOR: ولهذه البوابة مدخلان ومخرج واحد، وتكون قيمة الناتج تساوي واحدًا في حال تساوي القيم الداخلة، وتمثّل هذه القيمة نتاج عملية النفيNOT للقيمة الناتجة من تطبيق بوابة XOR على المدخلات.
جدول الصواب للبوابات المنطقية
يمكن تلخيص عمل البوابات المنطقية بسرعة وببساطة من خلال وضع جدول الصواب لهذه البوابات، ويحتوي هذا الجدول على جميع أزواج القيم المحتملة للمدخلات والقيمة الناتجة في حال تطبيق البوابة على كل زوج، والجدول الآتي هو جدول الصواب لجميع البوابات التي تم ذكرها في الأمثلة على البوابات المنطقية:[٤]