Technische Informatik
Logische Grundbausteine: AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR
Sechs Bausteine, aus denen sich jede Schaltung bauen lässt, und die Tabelle, die jede Frage über sie beantwortet.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Ein Auto piept, wenn die Zündung an ist und der Gurt nicht angelegt ist. Ein Treppenhauslicht schaltet um, egal welchen der beiden Schalter man drückt. Eine Alarmanlage schlägt an, wenn Fenster oder Tür geöffnet werden.
Jede dieser Regeln lässt sich mit einer Handvoll Bausteinen bauen, und es sind immer dieselben. In diesem Kapitel lernst du sie kennen, und du wirst sehen, dass zwei davon eine überraschende Eigenschaft haben: Mit einem einzigen von ihnen lässt sich alles andere nachbauen.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die Gatter AND, OR, NOT, XOR, NAND und NOR benennen und ihre Wirkung erklären.
für jedes Gatter die Schaltbelegungstabelle aufstellen.
eine Schaltung aus mehreren Gattern analysieren und ihre Tabelle bestimmen.
eine Alltagsregel in eine Schaltung übersetzen.
begründen, warum NAND allein genügt, um alle anderen Gatter nachzubauen.
Woher die Bausteine kommen
Im Kapitel zur hast du gesehen, dass ein Rechner nur zwei kennt: 0 und 1. Was er damit tut, sind Verknüpfungen: Aus einem oder zwei Eingangswerten wird ein Ausgangswert berechnet.
Ein Bauteil, das genau eine solche Verknüpfung ausführt, heißt Gatter (englisch gate). Sein Verhalten schreibt man vollständig in einer Schaltbelegungstabelle auf, die jede mögliche Eingabekombination und den zugehörigen Ausgang enthält.
Bei zwei Eingängen gibt es Kombinationen, also vier Zeilen. Diese Zahl kennst du: Es ist dieselbe Zweierpotenz wie bei den Bitmustern.
Die drei Grundgatter
NOT (Negation, „nicht“) hat einen Eingang und dreht ihn um.
| A | NOT A |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
AND (Konjunktion, „und“) liefert genau dann 1, wenn beide Eingänge 1 sind.
| A | B | A AND B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
OR (Disjunktion, „oder“) liefert 1, wenn mindestens ein Eingang 1 ist.
| A | B | A OR B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
🔴 Beachte die letzte Zeile des OR: Auch wenn beide 1 sind, ist das Ergebnis 1. Das umgangssprachliche „oder“ meint oft „entweder das eine oder das andere, aber nicht beides“; das logische OR meint „mindestens eines“. Für das ausschließende Oder gibt es ein eigenes Gatter.
Die drei Grundgatter
Drei Bausteine, und mit ihnen lässt sich jede logische Verknüpfung bauen. Das Zeichen im Kasten ist die eigentliche Definition: & verlangt beide Eingänge, ≥1 mindestens einen, die 1 mit dem Kringel am Ausgang dreht um. Der kleine Kreis ist dabei nicht Verzierung, sondern bedeutet immer „und dann verneint“, du wirst ihn gleich bei NAND und NOR wiedersehen.
XOR: das ausschließende Oder
XOR liefert 1, wenn die Eingänge verschieden sind.
| A | B | A XOR B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Man kann es sich als „Ungleichheitsprüfer“ merken: Ausgang 1 bedeutet „die beiden sind verschieden“.
Das Treppenhauslicht ist genau ein XOR: Betätigt man einen der beiden Schalter, ändert sich der ; betätigt man beide, ist man wieder am Anfang.
OR und XOR nebeneinander
Beide Spalten stehen absichtlich nebeneinander, denn sie unterscheiden sich in genau einer Zeile, der hervorgehobenen letzten. Sind beide Eingänge , sagt OR weiterhin („mindestens eines“), XOR dagegen („genau eines“). In den ersten drei Zeilen sind sie nicht zu unterscheiden, und daher rührt die Verwechslung: Wer nur bis Zeile 3 prüft, hält die beiden für dasselbe Gatter.
NAND und NOR: die Verneinungen
NAND ist „nicht und“, also ein AND mit nachgeschaltetem NOT.
| A | B | A NAND B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
NOR ist „nicht oder“.
| A | B | A NOR B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Beide Tabellen entstehen, indem man die Ausgangsspalte von AND beziehungsweise OR umdreht. Man muss sie also nicht auswendig lernen.
NAND und NOR
Dieselben Zeichen wie bei AND und OR, nur mit dem Kringel am Ausgang, mehr ist der Unterschied nicht. NAND ist also wörtlich „AND, danach verneint“, NOR ist „OR, danach verneint“. Deshalb muss man ihre Wahrheitstabellen auch nicht auswendig lernen: Man schreibt die von AND beziehungsweise OR hin und dreht jede Zeile des Ergebnisses um.
Warum NAND besonders ist
Jetzt kommt der bemerkenswerte Teil. Aus NAND allein lassen sich alle anderen Gatter bauen.
NOT aus NAND: Man legt denselben Wert an beide Eingänge.
Probe: Bei liefert NAND(0,0) den Wert 1. Bei liefert NAND(1,1) den Wert 0. Genau die NOT-Tabelle.
AND aus NAND: NAND ist ein verneintes AND, also verneint man es noch einmal.
OR aus NAND: Man verneint beide Eingänge und verknüpft sie mit NAND.
Probe für : Links steht NAND(0,0) = 1, rechts NAND(1,1) = 0, zusammen NAND(1,0) = 1. Und OR(0,1) ist ebenfalls 1.
Warum ist das nützlich? Weil eine Fabrik dann einen einzigen Bautyp herstellen muss statt sechs. Das senkt Kosten, vereinfacht die Fertigung und macht Schaltungen gleichmäßiger. Gatter mit dieser Eigenschaft nennt man vollständig; NOR ist ebenfalls vollständig, AND allein dagegen nicht, weil man aus lauter AND-Bausteinen nie eine Verneinung erzeugen kann.
Schaltungen analysieren
Werden mehrere Gatter hintereinandergeschaltet, bestimmt man das Verhalten, indem man eine Tabelle mit Zwischenspalten anlegt und von links nach rechts rechnet.
Beispiel:
| A | B | C | A AND B | NOT C | Y |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
Bei drei Eingängen sind es Zeilen. Die Eingangsspalten füllt man systematisch: Die rechte Spalte wechselt in jeder Zeile, die mittlere alle zwei, die linke alle vier. So kann keine Kombination fehlen und keine doppelt vorkommen.
XOR aus drei Grundgattern
Diese Schaltung ist genau das XOR von vorhin, nachgebaut aus den drei Grundgattern. Als Formel: , das obere AND liefert , das OR darunter , und der Kringel am Eingang des rechten Gatters negiert den ersten Teil. Rechne sie zeilenweise durch: Bei , liefert das obere AND eine , der Kringel am unteren Eingang macht daraus eine , und . Bei , dagegen liefert OR eine , AND eine , der Kringel daraus eine und . Vergleiche die vier Fälle mit der Tabelle: Es ist dieselbe Spalte.
Von der Regel zur Schaltung
Der umgekehrte Weg ist der praktisch wichtigere. Man übersetzt den Satz Wort für Wort:
- „und“ wird zu AND
- „oder“ (im Sinne von mindestens eines) wird zu OR
- „nicht“ wird zu NOT
- „entweder oder, aber nicht beides“ wird zu XOR
Beispiel Gurtwarnung: „Es piept, wenn die Zündung an ist und der Gurt nicht angelegt ist.“
Die Probe macht man mit der Tabelle: Bei Zündung 1 und Gurt 0 ergibt sich , es piept. Bei Zündung 1 und Gurt 1 ergibt sich , es ist still. Bei ausgeschalteter Zündung ist es in beiden Fällen still. Genau so soll es sein.
Eine Alltagsregel übersetzen
Ein Rasenmähroboter soll nur fahren, wenn er genug Akku hat und es nicht regnet und kein Hindernis erkannt wird. Stelle die Schaltung und die Tabelle auf.
- 1
Eingänge benennen: A = Akku voll, R = Regen, H = Hindernis. Jeder ist 1, wenn die Aussage zutrifft.
- 2
Wort für Wort übersetzen: „genug Akku“ ist A. „nicht regnet“ ist NOT R. „kein Hindernis“ ist NOT H. Die drei sind mit „und“ verbunden.
- 3
- 4
Tabelle mit Zeilen:
A R H NOT R NOT H Fahren 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 - 5
Probe: Genau eine Zeile liefert 1, nämlich Akku voll, kein Regen, kein Hindernis. Das ist ein gutes Zeichen: Eine Regel mit lauter „und“ trifft immer nur auf genau eine Kombination zu.
, mit genau einer 1 in der Tabelle.
NOT und AND aus NAND bauen
Zeige durch vollständige Tabellen, dass dasselbe liefert wie , und dass dasselbe liefert wie .
- 1
NOT aus NAND: Man legt beide Eingänge auf denselben Wert.
A A NAND A NOT A 0 1 1 1 0 0 Die beiden rechten Spalten sind gleich, also stimmen die Gatter überein.
- 2
Warum funktioniert das? NAND liefert nur bei zwei Einsen eine 0. Legt man denselben Wert an, gibt es nur die Fälle (0,0) und (1,1), und deren Ausgänge sind 1 und 0. Genau die NOT-Tabelle.
- 3
AND aus NAND: NAND ist ein verneintes AND, also verneint man noch einmal, und die Verneinung baut man wieder aus NAND.
A B A NAND B Ergebnis A AND B 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 - 4
Die Spalte „Ergebnis“ entsteht, indem man die Spalte davor mit sich selbst durch NAND verknüpft, also verneint. Sie stimmt mit AND überein.
- 5
Damit ist gezeigt: Wer NAND hat, hat NOT und AND. Und weil sich OR aus AND und NOT bauen lässt, hat er auch OR. Ein einziger Bautyp genügt.
Beide Nachbauten stimmen zeilenweise überein. NAND ist deshalb vollständig.
Typischer Fehler
„Bei kommt 0 heraus, weil man ja nur eines von beiden nehmen kann.“
Hier wird das umgangssprachliche „oder“ auf das logische übertragen, und die beiden bedeuten Verschiedenes.
Im Alltag ist „Kuchen oder Eis“ meist ausschließend gemeint: eines von beiden, nicht beides. Das logische OR bedeutet dagegen mindestens eines, und damit ist beides ausdrücklich eingeschlossen. Deshalb gilt .
Für die ausschließende Bedeutung gibt es ein eigenes Gatter, XOR, und genau dort ist .
Die Verwechslung fällt in Aufgaben sofort auf, weil sie nur die letzte Zeile der Tabelle betrifft; die ersten drei Zeilen sind bei OR und XOR gleich. Wer sich unsicher ist, prüft deshalb immer den Fall, in dem beide Eingänge 1 sind. Er ist der einzige, der die beiden Gatter unterscheidet.
Ein Merksatz hilft: OR fragt „mindestens einer?“, XOR fragt „genau einer?“
Übung 1
leichtBestimme die Ausgänge:
a) b) c) d) e) f)
Tipp anzeigen
NAND und NOR sind AND und OR mit umgedrehtem Ausgang.
Lösung anzeigen
a) 0 (AND braucht beide 1) b) 1 (OR heißt mindestens eines) c) 1 d) 0 (XOR ist 1 nur bei verschiedenen Eingängen) e) 1 (AND wäre 0, NAND dreht das um) f) 0 (OR wäre 1, NOR dreht das um)
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Jedes Gatter als einen Satz merken
Statt sechs Tabellen auswendig zu lernen, genügt je Gatter ein Satz: AND, nur wenn beide 1 sind. OR, wenn mindestens eines 1 ist. NOT, dreht um. XOR, nur wenn die Eingänge verschieden sind.
- 2
a) bis d): die vier Grundgatter anwenden
ist 0, denn AND braucht beide. ist 1, mindestens eines genügt. ist 1. ist 0, denn die Eingänge sind gleich.
- 3
e) und f): NAND und NOR sind AND und OR mit umgedrehtem Ausgang
Man rechnet in zwei Schritten. ist 0, NAND dreht das um: 1. ist 1, NOR dreht das um: 0. Das kleine N vorn bedeutet immer „und dann NOT“.
Übung 2
mittelEine Alarmanlage soll auslösen, wenn die Anlage scharf geschaltet ist und entweder das Fenster oder die Tür geöffnet wird.
a) Benenne die Eingänge und stelle die logische Verknüpfung auf. b) Erstelle die vollständige Schaltbelegungstabelle. c) In wie vielen Zeilen löst der Alarm aus? d) Wie ändert sich die Tabelle, wenn nur bei genau einer geöffneten Öffnung Alarm gegeben werden soll?
Tipp anzeigen
Zu a): „entweder Fenster oder Tür“ ist hier im Sinne von „mindestens eines“ gemeint.
Lösung anzeigen
a) Eingänge: S = scharf geschaltet, F = Fenster offen, T = Tür offen.
b) Tabelle mit Zeilen:
| S | F | T | F OR T | Alarm |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
c) In drei Zeilen. Alle drei haben S = 1 und mindestens eine geöffnete Stelle.
d) Dann wird aus dem OR ein XOR: . In der Tabelle ändert sich genau eine Zeile, die letzte: Bei S = 1, F = 1, T = 1 ist der Alarm dann 0. Praktisch wäre diese Variante allerdings unsinnig, denn bei zwei offenen Zugängen sollte erst recht Alarm geschlagen werden. Das zeigt, dass die Wahl zwischen OR und XOR eine inhaltliche Entscheidung ist und keine sprachliche Feinheit.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Teil a): Eingänge festlegen und benennen
Zuerst wird jede Bedingung zu einem eigenen Eingang mit klarer Bedeutung: 1 heißt „trifft zu“. Diese Festlegung muss man aufschreiben, sonst rechnet man später mit vertauschten Bedeutungen.
Zwischenergebnis
S = scharf, F = Fenster offen, T = Tür offen. Jeweils 1 = ja.
Achte auf Verneinungen im Aufgabentext. „Fenster geschlossen“ als Eingang zu nehmen würde die ganze Tabelle umdrehen.
- 2
Teil a): den Satz Wort für Wort übersetzen
„scharf geschaltet und (Fenster oder Tür)“ wird direkt zu AND und OR. Die Klammer ist wichtig: Ohne sie würde die Rangfolge der Operatoren die Bedeutung verändern.
\text{Alarm} = S \text{ AND } (F \text{ OR } T)
Zwischenergebnis
Die Verknüpfung steht.
- 3
Teil b): die Tabelle systematisch füllen
Bei drei Eingängen sind es acht Zeilen. Die Eingangsspalten werden nach festem Muster gefüllt, dann kommt eine Zwischenspalte für die Klammer, erst danach die Ergebnisspalte.
2^3 = 8\ \text{Zeilen}
Zwischenergebnis
Zwischenspalte F OR T, danach Alarm = S AND (F OR T).
- 4
Teil d): OR gegen XOR abwägen
Der Unterschied betrifft nur die Zeile, in der beide Öffnungen offen sind. Bei OR bleibt der Alarm dort an, bei XOR fällt er aus.
Zwischenergebnis
Genau eine Zeile ändert sich, die letzte.
Hier lohnt der Blick über die Technik hinaus: Die XOR-Variante wäre formal korrekt und praktisch gefährlich. Eine richtige Tabelle ist noch keine sinnvolle Regel.
Übung 3
schwera) Bestimme die vollständige Tabelle von . b) Zeige durch eine Tabelle, dass und dasselbe liefern. c) Begründe, warum man aus lauter AND-Gattern allein niemals ein NOT bauen kann. d) Ein Treppenhaus hat drei Schalter; jeder soll das Licht umschalten können. Welche Verknüpfung leistet das, und warum?
Tipp anzeigen
Zu c): Was passiert bei AND, wenn alle Eingänge 0 sind?
Lösung anzeigen
a) Tabelle:
| A | B | C | A XOR B | NOT C | Y |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
b) Tabelle:
| A | B | A NAND A | B NAND B | Ergebnis | A OR B |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
Die letzten beiden Spalten stimmen zeilenweise überein.
c) Ein AND-Gatter liefert bei lauter Nullen am Eingang immer eine 0. Setzt man nur AND-Gatter zusammen, bleibt diese Eigenschaft erhalten: Legt man an alle Eingänge der Schaltung 0 an, ist jeder Zwischenwert 0 und damit auch der Ausgang. Ein NOT müsste aus 0 aber eine 1 machen. Also kann keine reine AND-Schaltung ein NOT sein. AND ist deshalb nicht vollständig, NAND dagegen schon.
d) Ein XOR über drei Eingänge, also . Der Grund: XOR liefert genau dann 1, wenn eine ungerade Anzahl der Eingänge 1 ist. Betätigt man einen beliebigen Schalter, ändert sich dessen Wert, damit ändert sich die Anzahl der Einsen um genau eins und die Antwort auf die Frage „ungerade?“ kippt. Also schaltet jeder Schalter das Licht um, unabhängig von der Stellung der anderen. Genau das ist die Anforderung.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Die Tabelle in Zwischenspalten zerlegen statt im Kopf zu rechnen
Bei drei gibt es Zeilen. Man legt Zwischenspalten an: erst , dann , dann das AND aus beiden. Damit wird jede Zeile eine einfache Ablesung statt einer Kopfrechnung.
Zeilen; nur bei und
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b) Zwei Ausdrücke durch spaltenweisen Vergleich als gleich nachweisen
Man baut eine Tabelle mit beiden Ausdrücken und vergleicht die Ergebnisspalten zeilenweise. ist , ebenso für B; das äußere NAND verknüpft die beiden Negationen. In allen vier Zeilen stimmt das Ergebnis mit überein.
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c) Warum aus lauter AND kein NOT wird
Ein AND-Gatter liefert bei lauter Nullen am Eingang immer eine 0. Setzt man nur AND-Gatter zusammen, bleibt diese Eigenschaft erhalten: Legt man an alle Eingänge 0 an, ist jeder Zwischenwert 0 und damit auch der Ausgang. Ein NOT müsste aus 0 aber eine 1 machen. Also kann keine reine AND-Schaltung ein NOT sein.
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d) Das Treppenhaus: XOR zählt die Ungeradheit
Ein XOR über drei Eingänge, also . Der Grund: XOR liefert genau dann 1, wenn eine ungerade Anzahl der Eingänge 1 ist. Betätigt man einen beliebigen Schalter, ändert sich dessen Wert, damit die Anzahl der Einsen um genau eins und die Antwort auf „ungerade?“ kippt.
Zusammenfassung
Ein Gatter berechnet aus einem oder zwei nach fester Regel ein Ausgangsbit; sein Verhalten steht vollständig in der Schaltbelegungstabelle mit Zeilen. AND liefert 1 nur bei zwei Einsen, OR bei mindestens einer, NOT dreht um, XOR liefert 1 bei verschiedenen Eingängen, und NAND sowie NOR sind AND und OR mit umgedrehter Ausgangsspalte. Der häufigste Fehler liegt in der letzten Zeile: Das logische OR ist auch bei zwei Einsen 1, das ausschließende Oder heißt XOR. Zusammengesetzte Schaltungen analysiert man mit Zwischenspalten von links nach rechts, Alltagsregeln übersetzt man Wort für Wort. NAND ist vollständig, mit ihm allein lassen sich alle übrigen Gatter nachbauen, was in der Fertigung einen einzigen Bautyp genügen lässt; AND allein ist es nicht, weil aus lauter Nullen niemals eine Eins entstehen kann.


