Als ein Projekt neben dem Studium habe ich vor, bald einen 8-bit BreadBoard Computer zu bauen. Mit diesem etwas größeren Projekt in Sicht, in einem Bereich, von dem ich noch nicht so viel Ahnung habe, starte ich in das Unterfangen zu lernen, wie ein Computer funktioniert. Sobald ich angefangen habe an der Hardware zu basteln, werde ich das Projekt natürlich mit euch teilen. Bis jetzt kann ich jedoch nur ein paar theoretische Grundlagen mit euch teilen, die für das Verständnis von großer Bedeutung sind.

Das heutige Thema: Logikgatter

Um zu verstehen, wie ein Computer funktioniert, müssen wir uns erstmal mit ein paar Grundlagen beschäftigen, wie dem Binärcode oder dem heutigen Thema des Logikgatters. Es gibt sieben grundlegende Logikgatter welche wir nun genauer in Betracht nehmen werden: das NOT-Gatter/der Invertierer, das OR-Gatter, das AND-Gatter, das NOR-Gatter, das NAND-Gatter, das XOR-Gatter und das XNOR-Gatter. Diese Gatter führen grundlegende logische Funktionen in Geräten wie Smartphones und Computern durch. Die Gatter die wir in Betracht nehmen haben entweder ein oder zwei inputs. Unser systematisches Vorgehen basiert auf Boolean und jeder Ein-/ wie auch Ausgang kann entweder die variable Wahr oder die Variable Falsch abbilden. Die Variable für Wahr bekommt von uns die Nummer 1 und weiß, während die Variable für Falsch von uns die Zahl 0 und schwarz zugeordnet bekommt. Je nachdem, welchen Input wir dem gewählten Gatter geben, wird der Output entweder zur 0 oder zur 1. Um das Ganze ein wenig verständlicher zu machen, werden wir die Gatter einzeln in Augenschein nehmen. Ich habe die Funktion der Gatter auf meinem Weiqi Brett veranschaulicht.  Ich habe diese Idee von Tobias Hübner aus seinem Buch "Geheimakte Computer", welches eine tolle Inspiration ist, wenn man zum ersten Mal in das Thema Computer eintaucht. In dem Buch teilt der Autor viele Ideen und Ansätze von AI und Quantencomputern über Hacking bis zum Programmieren.

NOT-Gatter/Invertierer:

Das NOT-Gatter wird oft auch als Invertierer bezeichnet, da es genau dies tut. Ist der Input 1 wird der Output 0, und ist der Input 0 so wird der Output 1. Was eingegeben wird, wird also negiert. Ziemlich verständlich!

OR-Gatter:

Wenn wir nun das OR-Gatter betrachten wird das Ganze schon etwas komplizierter. Wir können erkennen, dass dieses nun zwei Inputs besitzt. Aufgrund dessen haben wir nun vier verschiedene Zustände, in denen sich das Gatter befinden kann. Wenn Input A und Input B beide negativ (0) sind, so ist auch der Output negativ (0). In jedem anderen Zustand ist der Output positiv (1), da die Regel gilt, dass mindestens ein Input positiv (1) sein muss, damit der Output positiv ist. 

AND-Gate: 

Das AND-Gatter bekommt nur den Output 1, wenn Input A wie auch der Input B positiv (1) sind. In allen anderen Fällen ist der Output 0.

NOR-Gatter:

Das NOR-Gatter ist die Negation des zuvor betrachteten OR-Gatters. Es besteht aus der Kombination des OR-Gatters und des NOT-Gatters. Der Output ist demzufolge nur Wahr (1), wenn beide Inputs Falsch (0) sind.Its output is only true (1) if both inputs are false (0). 

NAND-Gatter:

Das NAND-Gatter ist die Kombination des AND-Gatters und des NOT-Gatters. Wir kommen also zu dem Schluss, dass dies die Negation des AND-Gatters darstellt. Der Output ist somit nur Falsch (0) wenn beide Inputs Wahr (1) sind.

XOR-Gatter:

Das XOR-Gatter wird als "Exclusive OR" beschrieben. Wir haben zuvor das OR-Gatter betrachtet, bei dem die Bedingung war, dass mindestens ein Input positiv (1) ist. Bei dem XOR-Gatter ist es nun so, dass mindestens ein Input und maximal ein Input positiv (1) sein dürfen. Somit ist der Output Negativ (0), wenn entweder beide Inputs negativ (0) oder beide Inputs positiv (1) sind. 

XNOR-Gate:

Betrachten wir nun das Letzte Gatter für heute - das XNOR-Gatter. Wir können sehen, dass dies die Negation des XOR-Gatters ist und der Output ist somit wahr, wenn entweder beide Inputs positiv (1) sind oder  wenn beide Inputs negativ (0) sind.

Wenn wir die Gatter zusammen fügen können wir damit Komplexe Logische Operationen durchführen. Wenn wir dies auf den Computer beziehen, welchen ich bauen möchte, so werden die In-/und Outputs durch hohe und niedere Spannung repräsentiert. Der Input hält die Variable 1 (wahr) wenn der Stromkreis eine Spannung von ca. 5V aufweist. Im Gegenzug dazu hält der Input die Variable 0 (falsch), wenn eine Spannung von ca. 0V anliegt.

Wir haben nun ein wichtiges Prinzip zur Funktion von Computern kennengelernt. Wir könnten solch ein Gatter aus LEDs, Widerständen und Transistoren bauen. Lass mich in den Kommentaren wissen, ob ich solch ein Gatter als kleines Nebenprojekt bauen soll!