Portas lógicas: entendendo os tipos e características

Introdução

Portas lógicas desempenham um papel crucial em uma variedade de dispositivos, desde o microcontrolador de um simples microondas até os circuitos sofisticados de computadores super modernos, com capacidade de processamento avançada.

Apesar de ser um assunto importante que, geralmente, nos acompanha desde o início da trajetória nos estudos sobre tecnologia, é comum que também surjam dúvidas em relação a esse tema devido à sua complexidade.

Pensando nisso, ao longo desse artigo, vamos compreender de uma vez por todas o que são as portas lógicas em nível material e abstrato, qual sua importância, e como funcionam as expressões lógicas nos sistemas que desenvolvemos.

Bora lá?

Circuitos Integrados

Não é novidade que os computadores modernos funcionam com componentes eletrônicos. Coleções de capacitores, resistores, diodos e transistores, quando associados a uma placa, são responsáveis pelo controle do fluxo da corrente, ou seja, fazem o controle de pulsos/sinais digitais para a placa.

Tudo bem, mas o que isso significa?

Isso implica na capacidade de permitir ou bloquear a passagem de pulsos eletrônicos, assemelhando-se a uma porta, que abre e fecha. Por sua vez, esses sinais são interpretados como “Ligado” ou “Desligado”, “1” ou “0” , “Sim” ou “Não”, “Verdadeiro” ou “Falso”. Isso te lembrou alguma coisa?

A animação no arquivo gif apresenta o dorso do super-herói Batman.Ele está com uma máscara com orelhas de morcego, e seu rosto está virado para o sentido direito da tela. Sua expressão é séria e ele toca o queixo com as pontas do dedo

Fonte: https://gifer.com/en/1Vv

Sim, são os binários! A base de toda a programação tem sua parte física, toda a combinação de códigos binários é interpretada por sua representação dos níveis de tensão elétrica. Não é um número de fato, é um estado, ligado e desligado!

Além dos binários, talvez você tenha associado o conceito de verdadeiro e falso há práticas muito comuns no universo da programação, que são os valores booleanos True e False. Sim, essa associação está correta! Antes das pessoas imaginarem os computadores como são hoje, a lógica desenvolvida por George Boole já tinha um papel importante na adaptação desses conceitos que chegaram ao mundo da eletrônica digital apenas no século XX, com Claude Shannon.

Shannon analisou os circuitos e buscou aplicar a teoria de Boole para solução de problemas, que resultou no que conhecemos como Portas Lógicas.

Sintetizando, é a partir dessa premissa que os computadores modernos são capazes de criar e processar tudo que realizamos de forma digital até então, como imagens, músicas, texto, softwares dos simples aos mais complexos e etc. A beleza disso é trabalhar com um conceito que parece ser simples e transformá-lo em coisas incríveis!

Qualquer sistema digital tem sua base construída por portas lógicas, de microprocessadores como arduino a computadores com processadores mais avançados. Os sistemas digitais são construídos com circuitos lógicos agrupados e embutidos em Circuitos Integrados(CI), que são os componentes utilizados para cumprir tarefas específicas.

Circuito Integrado 74HC08 Porta AND, um pedaço pequeno de metal na cor preta que tem espécies de pequenos ramos em metal nas laterais.

Fonte: https://www.usinainfo.com.br/porta-logica/

Nesse sentido, as portas lógicas podem ser utilizadas desde um nível de Integração de Ultra Larga Escala (ULSI - Ultra-large-scale Integration), que se caracteriza por um grupo de circuitos integrados com mais de 100 mil portas lógicas, até circuitos digitais mais simples, como na Integração em Pequena Escala (SSI - Short Scale of Integration).

As combinações realizadas com portas lógicas podem ser chamadas de expressões lógicas e permitem a descrição entre a tomadas de decisões, que são as saídas dos circuitos lógicos, e os inputs (entradas de informação). Podemos chamar a matemática das expressões lógicas de álgebra de chaveamento. O funcionamento é semelhante ao da álgebra que estudamos no ensino médio, com letras ou símbolos que representam operações lógicas e operadores. No entanto, há alguns pontos que distinguem a álgebra de chaveamento:

Há somente dois resultados possíveis dentro de uma operação lógica: 0 que indica falso ou 1 que indica verdadeiro.
Para representar e analisar os circuitos lógicos e seus resultados, algumas técnicas podem ser utilizadas, tais como a tabela verdade, diagramas de tempo, símbolos esquemáticos e **linguagens de descrição.
Os três tipos principais de portas lógicas são: AND, OR, NOT.

Para o desenvolvimento de software, os circuitos lógicos atuam com condições para que um determinada ação ocorra. Eles recebem uma entrada com o estado em binário, realizam a operação e devolvem o resultado.

Nesse momento, talvez surja a dúvida sobre " como devo representar esses valores binários? 0 e 1? Sim e Não? Verdadeiro e falso?"

Podemos utilizar todas essas formas de representação, conforme apresenta o quadro a seguir:

Valor	Estado	Nível Lógico	Verdadeiro/Falso
0	Desligado	LOW	Falso
1	Ligado	HIGH	Verdadeiro

Os valores nível lógico alto (HIGH) e nível lógico baixo(LOW) estão relacionados à tensão da corrente elétrica, em que HIGH é o máximo e LOW é desligado. Não devemos confundir com a complexidade das operações lógicas.

Já entendemos que as portas lógicas armazenam estados de tensão elétrica que são convertidos em sinais binários. Em decorrência disso, realizam determinados tipos de operações e devolvem um valor como resultado, culminando no que entendemos por expressão lógica.

Vamos conhecer algumas dessas operações através das portas lógicas a seguir!

Porta Lógica AND (E)

Essa porta pode aceitar como entrada (input) A e B, e aceita dois operandos, que são binários simples, ou seja, 0 e 1, representando respectivamente desligado e ligado.

No uso cotidiano de computadores a aplicação desse conceito é realizada com frequência na transferência de informações da memória para a CPU, pois garante que o bit de origem seja o mesmo de destino. Além disso, o “AND” pode corresponder a uma instrução If , ou seja uma estrutura condicional “SE”, permitindo a criação de várias condições dentro do seu programa.

Vamos entender analisando o seu funcionamento?

A figura que representa a porta AND é a seguinte:

Símbolo da Porta lógica AND: há duas entradas com a descrição de A e B que são linhas e se conectam a uma figura semelhante a um quadrado, mas que possui a lateral direita arredondada. Em seguida há uma linha horizontal saindo do meio da lateral direita que representa a saída da operação e é marcada pela letra C.

A e B são as entradas, que por sua vez são multiplicadas e a saída, ou seja, o resultado é C.

Vamos entender de uma forma ainda mais simples. Abaixo nós temos um circuito em série para acender uma lâmpada que possui duas chaves. A lâmpada somente irá acender se as chaves A e B estiverem fechadas, ou seja, ligadas (com o valor de 1), pois assim o circuito ficará fechado e a corrente elétrica irá passar.

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto inferior direito, na parte inferior há duas linhas que se abrem e fecham, completando o retângulo e que representam as entradas A e B. Na linha da lateral esquerda é duas pequenas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando as chaves A e B estão fechadas, a lâmpada fica acesa. A aberto e B fechado, a lâmpada fica apagada. A fechado e B aberto, a lâmpada fica apagada. A e B abertos, a lâmpada fica apagada.

Fonte: CreativeOps

A partir da premissa da multiplicação dos valores lógicos, é possível criar uma tabela-verdade para entendermos as entradas de valores, qual o caso em que a lâmpada ficará acesa e quais os resultados obtidos.

Porta AND (A.B = C)

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	0	Falso
1	0	0	Falso
0	1	0	Falso
1	1	1	Verdadeiro

Conforme é apresentado na tabela, “0” representa o estado desligado e “1” ligado.

Porta Lógica OR (OU)

A porta OR simula uma adição ou soma de binários. Analise a seguinte imagem:

Símbolo da Porta lógica OU: há duas entradas, uma acompanhada de “A” e a outra de “B”, linhas e se conectam a uma figura semelhante a uma flecha, com a parte esquerda arqueada e extremidades pontiagudas. A parte da frente apresenta uma ponta. Em seguida há uma linha horizontal saindo do meio da frente que representa a saída da operação e é marcada pela letra C.

Novamente A e B representam a entrada de 0 ou 1, o símbolo arqueado com as extremidades pontiagudas é a representação da operação de adição, ou seja, o operador OR.

E o que essa expressão significa na prática?

A porta OR produz uma saída verdadeira (1) quando pelo menos uma das entradas é verdadeira (1). Na programação, por exemplo, a porta OR é usada em operações lógicas para criar condições em que uma ação ocorrerá se pelo menos uma das condições for verdadeira.

Vamos entender com o circuito simples? Analise a imagem:

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto inferior direito, na parte inferior há um retângulo menor com duas linhas em paralelo que se abrem e fecham completando o retângulo e que representam as entradas A e B. Na lateral esquerda há duas pequenas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando as chaves A e B estão fechadas, a lâmpada fica acesa. Se a chave A ou a B estiverem abertas, a lâmpada fica acesa. A fechado ou B aberto, a lâmpada fica acesa. A e B abertos, a lâmpada fica apagada.

O que acontece em nosso circuito? A lâmpada irá acender se a chave A ou B estiver ligada, ou seja, se o seu valor corresponder a 1. Interessante como é semelhante a lógica de programação, não é verdade? Vamos analisar a tabela na sequência para entendermos os resultados esperados através das operações com a porta Lógica OR:

Porta OR (A+B = C)

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	0	Falso
0	1	1	Verdadeiro
1	0	1	Verdadeiro
1	1	1	Verdadeiro

Porta Lógica NOT (Negação)

Imagine que você tenha um botão "Ativar/Desativar" em uma interface de usuário de um software em desenvolvimento. A ideia é alternar o estado do sistema sempre que o botão for pressionado. Você pode utilizar a porta NOT, pois com sua aplicação é possível inverter o valor de um estado.

A porta NOT funciona como um inversor e possui somente uma entrada ou operando A, um dígito 0 ou 1. Sua utilização em nível de hardware também é caracterizada pela inversão de um sinal, como na criação de memórias de acesso aleatório (RAM) ou na execução de operações de negação.

Ok, entendemos que a porta NOT inverte o valor recebido, mas podemos consolidar esse aprendizado através das imagens a seguir:

Triângulo com o ângulo superior apontado para a direita, com um pequeno círculo na ponta. Duas linhas na horizontal saem na reta da esquerda do triângulo e do círculo, que indicam a entrada de dados e saída de dados respectivamente.

A bola na ponta direita do triângulo deitado significa que há uma inversão. Por fim, a expressão C = A representa que o resultado é a inversão do dígito de entrada.

Sendo assim, a tabela-verdade se apresenta da seguinte forma:

Porta NOT (C = A)

Entrada A	Saída C =A	Verdadeiro/Falso
0	1	Verdadeiro
1	0	Falso

Agora, confira a imagem com um circuito que representa esse processo:

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto inferior direito. Na reta inferior do retângulo há um quadrado com um círculo no meio que muda da cor verde para vermelho, e representa um botão. O botão fica verde e aparece o número 0 acima, quando fica vermelho, o número muda para 1. Quando o botão fica verde e com 0 no topo, a lâmpada fica acesa. Quando o botão fica vermelho e com o número 1 acima, a lâmpada fica apagada. Isso simula uma mudança de estado.

Note que, na imagem acima, temos uma lâmpada ligada a uma fonte de tensão. O botão A começa com o nível lógico alto e a lâmpada fica apagada. Quando o botão A for clicado, o seu estado irá mudar para um nível lógico baixo e a lâmpada acenderá.

A partir das principais operações, houve a criação de variações para ampliar as possibilidades. Vamos conhecer essas variações a seguir!

Porta Lógica XOR (OU exclusivo)

O OU exclusivo, também conhecido como disjunção exclusiva, tem como principal função verificar a igualdade entre os valores de entrada, e por isso é aplicado na criação de testadores. A saída será verdadeira se, e somente se, as duas entradas forem diferentes.

Dessa forma, o resultado será falso sempre que os valores de A e B forem iguais.

Símbolo da Porta lógica OU Exclusivo: há duas entradas com a descrição de A e B que são linhas e se conectam a uma figura semelhante a uma flecha, com a parte esquerda arqueada e extremidades pontiagudas, há também uma linha em formato de arco próxima a figura de flecha ao lado esquerdo. A parte da frente apresenta uma ponta, onde há uma linha horizontal saindo do meio, representando a saída da operação, marcada pela letra C.

Portas XOR em desenvolvimento de software podem ser úteis para comparação de dois conjuntos de dados. É possível encontrar elementos que são exclusivos em cada conjunto. Por exemplo, se você tem duas listas e quer encontrar os elementos que estão em apenas uma delas, a lógica XOR pode funcionar. Por outro lado, em nível de hardware, o conceito de portas XOR são utilizados para verificar se duas entradas são diferentes e adicionar números binários.

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto superior direito acompanhada da letra C; na reta inferior há dois retângulos menores, uma ao lado da outra, com duas linhas em paralelo que se abrem e fecham completando o retângulo maior, representando as entradas A e B. Na lateral esquerda há duas pequenas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando as chaves A e B do topo dos retângulos menores estão fechadas, as chaves de baixo ficam abertas e a lâmpada fica acesa. Se as chaves A e B do topo dos retângulos menores estiverem abertas, as chaves abaixo ficam fechadas e a lâmpada fica acesa. Se apenas uma chave de cima estiver aberta, a chave correspondente de baixo fica fechada e a lâmpada fica apagada.

A animação acima demonstra o funcionamento da porta XOR, que pode ser sintetizada pela pergunta: A é igual a B? Se sim, o valor C é falso.

Temos as representações do estado de OU exclusivo quando duas portas apresentam o mesmo nível lógico, estão ligadas ou desligadas, a lâmpada não acende. Por outro lado, quando existe a diferença entre níveis lógicos na entrada, a saída é Verdadeiro, ou seja, a lâmpada irá acender.

Assim, a tabela-verdade seria:

Porta XOR (AB = C)

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	0	Falso
0	1	1	Verdadeiro
1	0	1	Verdadeiro
1	1	0	Falso

Porta Lógica NAND (Não E)

Essa porta combina as operações AND(E) e NOT(Negação), funciona como a inversão da porta AND. O processo para obter o resultado da operação é realizar primeiro o cálculo da porta AND e depois inverter o seu valor.

As portas NAND são fundamentais para implementação de funções lógicas, um exemplo é que elas podem ser utilizadas para criação de somadores binários.

Outro caso de uso já no desenvolvimento de sistemas, é quando você precisa certificar que um usuário não terá acesso ao sistema, se condições como nome de usuário correto e senha correta não forem atendidas.

Símbolo da Porta lógica NAND: há duas entradas com a descrição de A e B que são linhas e se conectam a uma figura semelhante a um quadrado, mas que possui a lateral direita arredondada, com uma bolinha no ponto mais externo da curva. Há uma linha horizontal saindo do meio da lateral direita que representa a saída da operação.

Sua representação em um circuito simples funciona como na imagem a seguir:

A animação apresenta um retângulo com uma lâmpada no canto inferior direito. Dentro do retângulo há uma reta vertical com duas retas menores que abrem e fecham, representando as chaves de entradas A e B. Na reta horizontal da esquerda do retângulo há duas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando a chave A está aberta, a lâmpada fica acesa. Quando a chave B fica aberta, a lâmpada fica acesa. Quando as chaves A e B estão abertas, a lâmpada fica acesa. Quando as chaves A e B estão fechadas, a lâmpada apaga.

A lâmpada apaga somente quando as duas entradas estão fechadas, com um valor de 1, pois isso gera um curto-circuito no circuito. Interessante, não é? Vamos conferir a tabela-verdade da porta NAND?

Porta NAND (C = A.B)

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	1	Verdadeiro
1	0	1	Verdadeiro
0	1	1	Verdadeiro
1	1	0	Falso

Porta NOR (NÃO OU)

A porta NOR é a negação dos valores de saída da porta OR.

Um caso para seu uso é durante a construção de sistema de controle de iluminação, você pode criar uma condição de desligamento geral com a porta NOR: SE nenhuma das condições de acionamento das luzes for verdadeira, todas as luzes se apagarão.

Assim como a porta NAND, a porta NOR também é uma porta universal e pode ser usada para implementar qualquer função lógica em circuitos digitais. Vamos conhecer sua simbologia a seguir:

Símbolo da Porta lógica OU: há duas entradas com descrições de A e B que são linhas e se conectam a uma figura semelhante a uma flecha, com a parte esquerda arqueada e extremidades pontiagudas. A parte da direita apresenta uma ponta, em sua extremidade há um pequeno círculo. Em seguida há uma linha horizontal saindo da ponta da direita que representa a saída da operação.

Como podemos notar, a bolinha na saída indica a negação da operação de com os dados de entrada. O resultado é algo similar a representação do circuito simples abaixo:

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto inferior direito. No meio do retângulo há uma reta vertical com duas retas menores que abrem e fecham, representando as chaves de entrada A e B. Na reta horizontal da esquerda do retângulo há duas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando a chave A está aberta, a lâmpada fica apagada. Quando a chave B fica aberta, a lâmpada fica apagada. Quando as chaves A e B estão abertas, a lâmpada fica acesa. Quando as chaves A e B estão fechadas, a lâmpada apaga.

No circuito, a lâmpada fica acesa apenas quando todas as entradas são 0.

Podemos representar a tabela-verdade da porta NOR através da expressão C = A+B . Vamos analisar na sequência os valores de saída?

Porta NOR ( C = A+B )

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	1	Verdadeiro
0	1	0	Falso
1	0	0	Falso
1	1	0	Falso

Porta Lógica XNOR (Negação do OU exclusivo)

A negação do OU Exclusivo , conhecida também como NOR, que significa coincidência, resulta em um valor de alto nível se, e somente se, todas as variáveis de entrada forem iguais.

A sua representação algébrica consiste em AB e o seu símbolo é a imagem do XOR com a bolinha de negação em sua saída, como na imagem a seguir:

Símbolo da Porta lógica XNOR: há duas entradas com aa descrições de A e B que são linhas e se conectam a uma figura semelhante a uma flecha, com a parte esquerda arqueada e extremidades pontiagudas, à sua esquerda há uma linha também arqueada que acompanha a curva da flecha. A parte da frente apresenta uma ponta, nessa extremidade há um pequeno círculo. Em seguida há uma linha horizontal saindo do meio da frente que representa a saída da operação.

A Porta XNOR funciona como um comparador de igualdade, pois identifica valores de entrada iguais. Vamos entender com o desenho de um circuito simples?

A animação apresenta um retângulo, onde há uma lâmpada no canto superior direito, acompanhada pela letra C; na reta inferior há dois retângulos menores com duas linhas em paralelo que se abrem e fecham completando o retângulo maior, e que representam as entradas A e B (no primeiro retângulo menor, as chaves de cima e de baixo são descritas como A; no segundo retângulo, as chaves de cima e de baixo são B). Na lateral esquerda há duas pequenas linhas na vertical que indicam uma fonte de energia, representando um circuito elétrico. Quando as chaves A e B de cima dos retângulos menores estão fechadas, as chaves de baixo ficam abertas e a lâmpada fica apagada. Se as chaves A e B de cima estiverem abertas, as chaves de baixo ficam fechadas e a lâmpada fica apagada. Se apenas uma chave de cima estiver aberta, a chave correspondente de baixo fica fechada e a lâmpada fica acesa.

A lâmpada se mantém acesa quando A e B apresentam valores iguais e apagada quando as entradas possuem níveis lógicos diferentes.

A representação da tabela-verdade segue o princípio de inversão do resultado de saída da porta NOR, que é:

Porta XNOR (AB = C)

Entrada A	Entrada B	Saída C	Verdadeiro/Falso
0	0	1	Verdadeiro
0	1	0	Falso
1	0	0	Falso
1	1	1	Verdadeiro

Sua expressão completa pode ser definida como C =AB = AB + AB = A ⊙ B

Conclusão

Até aqui aprendemos muito sobre as portas lógicas, mas você pode estar se perguntando “Como tudo isso ajuda aprimorar minhas habilidade de dev?”.

A escolha da porta lógica adequada nos permite compreender o funcionamento dos computadores em nível de hardware e também de software. Assim, é possível desenvolver a lógica de seus programas com o estudo das expressões e suas representações nas condições que o sistema precisa.

Nesse sentido, é possível utilizar tudo que abordamos sobre portas lógicas para otimizar programas e seus resultados, a partir da abstração de sua lógica de funcionamento. Não é incrível?!

Isso significa que não basta saber o que são ou quais são as portas lógicas, ou mesmo decorar as saídas de todas as expressões. O fundamental é entender como o seu funcionamento impacta a sua atuação como pessoa desenvolvedora.

Lembrando que as portas lógicas podem ter mais de uma ou duas entradas, assim como existem diversas combinações entre expressões para a criação de sistemas. Dessa forma, você pode aprofundar os estudos sobre o tema e exercitar sempre!