George Boole estableció sus reglas para lo que se conocería como álgebra booleana en su primer libro El análisis matemático de la lógica (1847). El álgebra booleana es la rama del álgebra en la que los valores de las variables son Verdadero y Falso, generalmente denotados 1 y 0 respectivamente. Es por eso que casi todas las computadoras funcionan con aritmética binaria. Las tres operaciones lógicas básicas son AND, OR y NOT.
En la década de 1930, mientras estudiaba los circuitos de conmutación, Claude Shannon observó que también se podían aplicar las reglas del álgebra de Boole en esta configuración, e introdujo el álgebra de conmutación como una forma de analizar y diseñar circuitos por medios algebraicos en términos de puertas lógicas.
Así, las primeras puertas lógicas se implementaron utilizando relés, como parte de conmutadores telefónicos diseñados por Bell Labs y compañías independientes. Un relé tiene un electroimán que, cuando se activa, hace que uno o más contactos eléctricos se cierren (o en algún momento se abran). Estos contactos se pueden usar en combinación para operar otros relés. En el siguiente diagrama, los contactos A y B son otros relés. El primero ilustra una puerta AND, y el segundo, una puerta OR.
- Si la mayoría de los grandes inventos / descubrimientos de herramientas de ingeniería aplicadas o fuerzas fundamentales del universo son por casualidad, ¿cuál es el punto de ir a la escuela?
- ¿Se inventará una máquina del tiempo? En caso afirmativo, ¿cuál es la probabilidad?
- Si vivieras durante siglos pasados, ¿qué invento moderno extrañarías más?
- ¿Cuáles son los mayores inventos sumerios antiguos?
- ¿Cuán diferente sería nuestra vida si los espejos nunca se inventaran o si nunca pudiéramos ver nuestra cara?
Una puerta NOT se implementa en un relé cuando un contacto está normalmente cerrado y se abre cuando el relé se activa.
Cuando estaba en la secundaria, me fascinaron los relevos. Me contacté con varias docenas de ellos a través de un amigo en la oficina telefónica local que me avisó cuando una central telefónica antigua estaba siendo reemplazada por un equipo más nuevo, y se me permitió tomar lo que quería antes de que tocara el hacha (Bell Telephone destruyó equipo viejo para que los competidores no pudieran tomarlo.) También desmantelé una máquina de pinball que funcionaba solo para llegar a los relés y otros componentes electromecánicos del interior.
A partir de estos relevos construí varios proyectos en los que participé en ferias de ciencias. Cuando era estudiante de segundo año en la escuela secundaria, fui seleccionado para competir en una feria de ciencias de varios estados en un estado vecino. Una universidad cercana (estado de Iowa, donde más tarde obtendría mi BSEE) me llevó a mí y a otros participantes a la Universidad de Illinois en Urbana – Champaign, donde la feria se realizaría en uno de sus aviones privados.
Mientras estaba en el campus, entré en la librería del campus y hojeé la sección de EE. Allí encontré un libro llamado The Design of Switching Circuits , escrito por miembros del personal técnico de Bell Labs en 1951, que trataba sobre circuitos de conmutación de relés y álgebra booleana (la primera imagen de arriba es de una página anterior de ese libro, el uno a continuación es un circuito que utiliza muchos relés:
Estuve despierto la mayor parte de la noche y dibujé todas las ecuaciones booleanas para mi proyecto. Al día siguiente, los escribí durante una presentación oral a los jueces.
La Z3, la primera computadora digital programable en funcionamiento del mundo, se completó en 1941 y utilizó 2200 relés. Fue utilizado por el Instituto Alemán de Investigación de Aeronaves para realizar análisis estadísticos del aleteo de las alas. Fue destruido el 21 de diciembre de 1943 durante un bombardeo aliado de Berlín.
Otra computadora de retransmisión temprana fue la Harvard Mark 1, completada en 1944. John von Neumann la usó para realizar cálculos de implosión para el Proyecto Manhattan.
Las computadoras de retransmisión eran demasiado lentas para ser prácticas, y esto condujo a la invención de la primera generación de computadoras electrónicas (principios de la década de 1940 a mediados de la década de 1950) utilizando tubos de vacío. El ENIAC, la primera computadora digital electrónica de propósito general, tenía más de 17,000 tubos de vacío.
Panel posterior de ENIAC, que muestra algunos de sus tubos de vacío.
Aquí hay una puerta NOR con tubos de vacío:
Una puerta NOR es lo mismo que una puerta OR seguida por un inversor, o una puerta NO. Junto con un NAND (Y siguiendo NO), ambos se consideran puertas universales ya que cualquier circuito lógico puede estar compuesto solo por puertas NAND o puertas NOR debido a las Leyes de De Morgan.
Las computadoras de segunda generación (finales de la década de 1950 a principios de la década de 1960) reemplazaron a la primera generación y utilizaron transistores en lugar de tubos de vacío. Aquí hay implementaciones de NOT, AND y NOR usando transistores:
Puede ver la similitud entre la compuerta NOR del tubo de vacío y la del transistor.
El inversor del transistor, o la compuerta NOT, simplemente invierte la señal: cuando el transistor está apagado, Vcc (menos cualquier caída en la resistencia) o la lógica 1 está presente en la salida. Cuando hay un valor alto (lógica 1) en Vin, al encender el transistor, la salida se acerca al suelo, o lógica 0.
En el caso de las compuertas NAND, ambos transistores deben estar encendidos (ambas entradas, lógica 1) para llevar la salida a la lógica 0. En el caso de la NOR, al encender cualquiera de los transistores, la salida se pone en una lógica 0.
En las computadoras de tercera generación (mediados de la década de 1960 a principios de la década de 1970), los circuitos integrados reemplazaron los transistores discretos, pero las CPU todavía se construyeron a partir de muchos cientos de circuitos integrados separados.
El Apollo Guidance Computer (AGC) fue la primera computadora en usar circuitos integrados. La segunda versión (Bloque II), utilizada en los vuelos tripulados, utilizaba 2.800 circuitos integrados cada uno con puertas NOR dobles de tres entradas. El uso de un solo tipo de IC (el NOR3 dual) en todo el AGC evitó los problemas que plagaron otro diseño temprano de la computadora IC.
Finalmente, la cuarta generación de computadoras (desde principios de la década de 1970 hasta la actualidad) utiliza microprocesadores, que pueden contener miles de millones de transistores. Todos están compuestos de puertas individuales como las que se muestran arriba, excepto que usan transistores MOSFET en lugar de bipolares:
