Porțile logice sunt folosite în circuite digitale pentru a implementa operațiile din algebra booleană. Fiindcă sunt foarte multe moduri în care o anumită funcție logică poate fi realizată (nu numai ca design de circuit, ci și ca mod de fabricație al circuitelor integrate), porțile sunt grupate în familii logice. Exemple de astfel de familii sunt:

• Wired logic (logică cablată cu diode): circuite extrem de ușor de realizat, folosind numai diode și rezistențe de pull-up/pull-down. Sunt circuite pur pasive (nu au etaj final de amplificare), așa că nivelele logice de la ieșire sunt degradate (spre exemplu 0.6V în loc de 0V, 4.4V în loc de 5V).
• RTL (resistor-transistor logic): prima formă de logică digitală ce foloseste elemente active, și anume tranzistori bipolari. Logica este efectuată în etajul de intrare, utilizând rezistențe. Dezavantajul acestei familii de porți logice este consumul foarte mare, din cauza tranzistorilor folosiți și a rezistențelor.
• DTL (diode-tranzistor logic): această familie combină logica cablata cu un etaj final cu tranzistori bipolari.
• TTL (transistor-transistor logic): reprezintă un avans față de DTL, folosind tranzistori bipolari, în general multiemitor, inclusiv în etajul de intrare. Etajul de ieșire este realizat folosind 2 tranzistori, unul NPN și unul PNP, într-o conexiune ce poartă denumirea de stâlp totemic sau push-pull.
• ECL (emitter-coupled logic): o familie de mare viteză, ce folosește tot tranzistori bipolari, însă care nu intră niciodată în saturație. Din acest motiv, marginea de zgomot (diferența dintre tensiunea în starea LOW și tensiunea în starea HIGH) este foarte mica, deci aceste circuite sunt susceptibile la zgomot.
• NMOS (N-type metal-oxide-semiconductor logic): spre deosebire de familiile anterioare, NMOS se folosește de tranzistori cu efect de camp (FET) și de rezistențe de pull-up.
• CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor logic): nu folosește deloc rezistențe, ci tranzistori de tip nMOS și pMOS. Este tehnologia folosita În prezent la fabricarea majorității dispozitivelor electronice.

După cum se poate vedea, aproape toate formele de logică digitală contin, într-un mod sau altul, tranzistori.

Din motive tehnice, este mai ușor să realizăm porți logice pentru funcțiile NAND și NOR decât pentru echivalentele lor în logica pozitivă, AND și OR. Din această cauză, ne vom rescrie funcțiile logice astfel încat să folosim numai aceste operații. Nu este ieșit din comun ca procesoare întregi să fie implementate utilizând doar porți NAND sau doar porți NOR.

Să vedem cum poate fi realizată o poartă NOT în logică NMOS.

Funcționarea sa este următoarea:

• În starea HIGH pe intrare, (A), tranzistorul se deschide și trage V_out (tensiunea la terminalul F) la masă.
• În starea LOW pe intrare, tranzistorul se închide și V_out este tras la V_DD de către rezistența R (numită rezistență de pull-up).

Să vedem cum poate fi realizată o poartă NOT în logică CMOS.

Această poartă funcționează astfel:

• Observăm că cei doi tranzistori sunt legați în stâlp totemic: pMOS-ul legat la V_DD și nMOS-ul legat la masă.
• Având intrările conectate în paralel, niciodată cei doi tranzistori nu vor fi deschiși în același timp.
• În starea LOW pe intrare tranzistorul pMOS este deschis iar cel nMOS este închis. Ieșirea este legată la V_DD.
• În starea HIGH pe intrare tranzistorul pMOS este închis iar cel nMOS este deschis. Ieșirea este legată la masă.

Pentru că tendința în electronică este, în general, “set-and-forget” (construim niște dispozitive din siliciu, le numim tranzistori și uităm de siliciu, apoi construim niște porți logice din tranzistori și uităm de tranzistori, apoi construim niște circuite integrate din porți logice și uităm de porți logice, apoi construim niște procesoare din circuite integrate și uităm de circuite integrate, apoi uităm de electronica și programăm procesoarele în assembly, apoi uităm de assembly și programăm in C, apoi uităm de C și programăm în Java, apoi uităm tot și ne angajăm la McDonalds), asta vom face și noi. În loc de scheme bloc cu tranzistori, vom lucra cu imagini de ansamblu care să reprezinte porțile logice la nivel conceptual. De asemenea, vom înlocui valorile de tensiune cu nivele logice, LOW și HIGH. Astfel, putem sâ rezumăm întreaga poveste în felul următor:

Denumire	Simbol	Operator	Tabel de adevăr
Inversor (NOT)		F = ¬A
Poartă ŞI (AND)		F = A ∧ B
Poartă SAU (OR)		F = A ∨ B
Poarta ŞI-NU (NAND)		F = ¬(A ∧ B)
Poartă SAU-NU (NOR)		F = ¬(A ∨ B)
Poartă SAU EXCLUSIV (XOR)		F = A ⊕ B

Circuitele logice combinaționale sunt circuitele reprezentate prin porți logice ce aplică o funcție pe intrări. Valorile de ieșire depind doar de valorile de intrare, nu și de stări de reacție (feedback), iar când starea unei intrări se schimbă, se reflectă imediat la ieșiri.

Un circuit combinațional poate fi descris printr-o schema de interconectarea a unor porți logice, prin funcția (expresia) în logica booleană ce este aplicată pe intrări și prin tabele de adevăr (dacă nu au un număr prea mare de intrări).

Circuitele combinaționale sunt folosite în procesoare în cadrul componentelor de calcul, iar cele mai des întalnite sunt:

• Multiplexoare și demultiplexoare
• Sumatoare
• Codificatoare și decodificatoare
• Comparatoare
• Memorii ROM (read-only, nu păstrează starea)

Un multiplexor digital este un circuit combinațional care implementează o funcție de selecție a uneia dintre intrările sale. Alegerea semnalului de ieșire se face pe baza unor intrări suplimentare care reprezintă în baza 2 numărul intrării ce trebuie selectate, astfel un multiplexor cu 2ⁿ intrări va avea nevoie de n semnale de selecție. În exemplul din figura de mai jos avem schema bloc a unui multiplexor cu 4 intrări, iar acesta are nevoie de doar 2 intrări de selecție.

Funcția logică corespunzătoare unui multiplexorului 4:1 din exemplul de mai sus este următoarea: out = ¬S₁∧¬S₂∧I₁ ∨ S₁∧¬S₂∧I₂ ∨ ¬S₁∧S₂∧I₃ ∨ S₁∧S₂∧I₄. Folosind această expresie putem descrie circuitul combinațional pentru multiplexor, având nevoie conform formulei de 4 porți logice AND cu trei intrări, o poartă OR cu 4 intrări și porți NOT pentru negarea semnalelor de selecție.

Sumatoarele (adders), folosite cel mai mult în unitățile aritmetice logice ale procesoarelor, realizează adunări pe un număr dat de biți, furnizând la ieșirea circuitului suma și transportul (carry) rezultat în urma operației. Există mai multe tipuri de sumatoare pentru adunarea numerelor pe n biți, iar acestea se bazează pe sumatoare simple de 1 bit ce pot fi de două tipuri:

• Half-adder: însumează doi operanzi pe 1 bit și oferă la ieșire suma acestora și un transport.
• Full-adder: însumează doi operanzi pe 1 bit și un transport și oferă la ieșire suma acestora trei și un transport.

Denumire	Schemă bloc	Operație
Half-adder		S = A ⊕ B Cout = A ∧ B
Full-adder		S = (A ⊕ B) ⊕ Cin Cout = A ∧ B ∨ (Cin ∧ (A ⊕ B))

Spre deosebire de circuitele logice combinaționale, cele secvențiale nu depind exclusiv de starea curentă a intrărilor, ci și de stările anterioare ale circuitului. Circuitului combinațional format din porți logice i se adaugă un element de memorare a stărilor.

Circuitele secvențiale sunt de două tipuri:

• asincrone (se mai numesc și latch): sunt rar folosite și țin cont de ordinea în care se schimbă intrările, elementul de memorare fiind de fapt căi de feedback.
• sincrone: se folosesc pentru memorarea stării (acel “black box” din figura de mai sus).
  • Exemplu: bistabili (sau Flip-Flop), ce își schimbă valoarea stocată doar la schimbarea semnalului de ceas primit la intrare.

Latch-ul SR are două intrări:

• S (Set): pune Q pe HIGH, deci stochează valoarea HIGH.
• R (Reset): pune Q pe LOW, deci stochează valoarea LOW.

Funcționarea sa este următoarea:

• S = R = LOW ⇒ Q nu se schimbă
• S = HIGH, R = LOW ⇒ Q = HIGH
• R = HIGH, S = LOW ⇒ Q = LOW
• S = R = HIGH ⇒ stare nedeterminată

Acest bistabil este similar celui SR, având două intrări J și K, însă elimină starea ambiguă (ambele intrări HIGH):

• J = K = LOW ⇒ Q nu se schimbă
• J ≠ K ⇒ Q = J
• J = K = HIGH ⇒ Q basculeaza

Ideea acestui bistabil pornește tot de la eliminarea stării ambigue de la bistabilul SR, și reușește acest lucru prin a nu mai permite ca S și R să fie egale. Bistabilul D are o singură intrare, D, conectând cele două intrări SR printr-un invertor:

• D = 0 ⇒ Q_t+1 = 0
• D = 1 ⇒ Q_t+1 = 1