Algebra Boole a i jej zastosowania

Podobne dokumenty
Logika binarna. Prawo łączności mówimy, że operator binarny * na zbiorze S jest łączny gdy (x * y) * z = x * (y * z) dla każdego x, y, z S.

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych (I)

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Algebra Boole a

x x

Algebra Boole a. Ćwiczenie Sprawdź, czy algebra zbiorów jestrównież algebrą Boole a. Padaj wszystkie elementy takiej realizacji.

Podstawy Automatyki. Wykład 13 - Układy bramkowe. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Rys. 2. Symbole dodatkowych bramek logicznych i ich tablice stanów.

Wykład nr 1 Techniki Mikroprocesorowe. dr inż. Artur Cichowski

Arytmetyka liczb binarnych

Automatyka Treść wykładów: Literatura. Wstęp. Sygnał analogowy a cyfrowy. Bieżące wiadomości:

Podstawy Automatyki. Wykład 13 - Układy bramkowe. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Automatyzacja Ćwicz. 2 Teoria mnogości i algebra logiki Akademia Morska w Szczecinie - Wydział Inżynieryjno-Ekonomiczny Transportu

Część 2. Funkcje logiczne układy kombinacyjne

Elementy logiki. Algebra Boole a. Analiza i synteza układów logicznych

1 Działania na zbiorach

Podstawy Automatyki. Wykład 12 - synteza i minimalizacja funkcji logicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

1. Wstęp do logiki. Matematyka jest nauką dedukcyjną. Nowe pojęcia definiujemy za pomocą pojęć pierwotnych lub pojęć uprzednio wprowadzonych.

Układy równań i nierówności liniowych

Architektura komputerów ćwiczenia Bramki logiczne. Układy kombinacyjne. Kanoniczna postać dysjunkcyjna i koniunkcyjna.

WYRAŻENIA ALGEBRAICZNE

dr inż. Rafał Klaus Zajęcia finansowane z projektu "Rozwój i doskonalenie kształcenia i ich zastosowań w przemyśle" POKL

Wykład 2. Informatyka Stosowana. 8 października 2018, M. A-B. Informatyka Stosowana Wykład 2 8 października 2018, M. A-B 1 / 41

Bramki logiczne V MAX V MIN

Cyfrowe bramki logiczne 2012

0.1. Logika podstawowe pojęcia: zdania i funktory, reguły wnioskowania, zmienne zdaniowe, rachunek zdań.

Laboratorium podstaw elektroniki

dr inż. Małgorzata Langer Architektura komputerów

LOGIKA I TEORIA ZBIORÓW

Tab. 1 Tab. 2 t t+1 Q 2 Q 1 Q 0 Q 2 Q 1 Q 0

Cyfrowe układy kombinacyjne. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

W jakim celu to robimy? Tablica Karnaugh. Minimalizacja

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Architektura komputerów Wykład 2

Podstawowe operacje arytmetyczne i logiczne dla liczb binarnych

Układy równań liniowych

Grupy, pierścienie i ciała

Podstawy Automatyki. Wykład 9 - Podstawy matematyczne automatyki procesów dyskretnych. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

ćwiczenie 202 Temat: Układy kombinacyjne 1. Cel ćwiczenia

Automatyka Lab 1 Teoria mnogości i algebra logiki. Akademia Morska w Szczecinie - Wydział Inżynieryjno-Ekonomiczny Transportu

Zależności funkcyjne

Lista tematów na kolokwium z wykładu z Techniki Cyfrowej w roku ak. 2013/2014

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Ćwiczenie 26. Temat: Układ z bramkami NAND i bramki AOI..

LABORATORIUM PROJEKTOWANIA UKŁADÓW VLSI

Automatyzacja i robotyzacja procesów produkcyjnych

Zbiory, relacje i funkcje

1 Podstawowe oznaczenia

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Układy logiczne. Wstęp doinformatyki. Funkcje boolowskie (1854) Funkcje boolowskie. Operacje logiczne. Funkcja boolowska (przykład)

WSTĘP. Budowa bramki NAND TTL, ch-ka przełączania, schemat wewnętrzny, działanie 2

Chcąc wyróżnić jedno z działań, piszemy np. (, ) i mówimy, że działanie wprowadza w STRUKTURĘ ALGEBRAICZNĄ lub, że (, ) jest SYSTEMEM ALGEBRAICZNYM.

Minimalizacja funkcji boolowskich - wykład 2

0 + 0 = 0, = 1, = 1, = 0.

Np. Olsztyn leży nad Łyną - zdanie prawdziwe, wartość logiczna 1 4 jest większe od 5 - zdanie fałszywe, wartość logiczna 0

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Bramki logiczne Podstawowe składniki wszystkich układów logicznych

Podstawowe układy cyfrowe

Przykłady zdań w matematyce. Jeśli a 2 + b 2 = c 2, to trójkąt o bokach długości a, b, c jest prostokątny (a, b, c oznaczają dane liczby dodatnie),

Ćw. 8 Bramki logiczne

Indukcja matematyczna. Zasada minimum. Zastosowania.

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Uwaga 1.2. Niech (G, ) będzie grupą, H 1, H 2 < G. Następujące warunki są równoważne:

Kongruencje pierwsze kroki

INSTYTUT CYBERNETYKI TECHNICZNEJ POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ ZAKŁAD SZTUCZNEJ INTELIGENCJI I AUTOMATÓW

Funkcja Boolowska. f:b n B, gdzieb={0,1} jest zbiorem wartości funkcji. Funkcja boolowska jest matematycznym modelem układu kombinacyjnego.

Układy równań liniowych

; B = Wykonaj poniższe obliczenia: Mnożenia, transpozycje etc wykonuję programem i przepisuję wyniki. Mam nadzieję, że umiesz mnożyć macierze...

Schematy Piramid Logicznych

Laboratorium podstaw elektroniki

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Metoda Karnaugh. B A BC A

Część wspólna (przekrój) A B składa się z wszystkich elementów, które należą jednocześnie do zbioru A i do zbioru B:

Wstęp do Techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Krzysztof Rykaczewski. Szeregi

Temperatura w atmosferze (czy innym ośrodku) jako funkcja dł. i szer. geogr. oraz wysokości.

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Andrzej Wiśniewski Logika I Materiały do wykładu dla studentów kognitywistyki. Wykład 9. Koniunkcyjne postacie normalne i rezolucja w KRZ

Tranzystor JFET i MOSFET zas. działania

Wykład 6 Centralne Twierdzenie Graniczne. Rozkłady wielowymiarowe

Kombinacje liniowe wektorów.

Indukcja matematyczna

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /10

Wykład 1. Informatyka Stosowana. 3 października Informatyka Stosowana Wykład 1 3 października / 26

Bramki logiczne. 2. Cele ćwiczenia Badanie charakterystyk przejściowych inwertera. tranzystorowego, bramki 7400 i bramki

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, zima 2014/15

Lekcja na Pracowni Podstaw Techniki Komputerowej z wykorzystaniem komputera

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Zwykle układ scalony jest zamknięty w hermetycznej obudowie metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego.

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

Wykład z równań różnicowych

Rozwiązaniem jest zbiór (, ] (5, )

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

Przestrzenie liniowe

Jest to zasadniczo powtórka ze szkoły średniej, być może z niektórymi rzeczami nowymi.

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

Szukanie rozwiązań funkcji uwikłanych (równań nieliniowych)

Transkrypt:

lgebra oole a i jej zastosowania Wprowadzenie Niech dany będzie zbiór dwuelementowy, którego elementy oznaczymy symbolami 0 oraz 1, tj. {0, 1}. W zbiorze tym określamy działania sumy :, iloczynu : _ oraz dopełnienia :. mianowicie, przyjmujemy: 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 Zbiór wraz z powyższymi działaniami nazywa się algebrą oole a. Jedną z możliwych jej realizacji są układy elektroniczne zwane bramkami. nalogicznie do w/w działań wprowadzamy bramki (Or Gate), (nd Gate), I (Inverter) oznaczane na schematach następującymi symbolami: i zdefiniowane takimi samymi tabelami, jak powyżej. Twierdzenie. Dla dowolnych elementów X, Y, Z algebry zachodzą następujące równości: (1) 0 X X ; (2) 1 X 1; (3) X X X ; (4) X X 1; (5) 0 X 0; (6) 1 X X ; (7) X X X ; (8) X X 0; (9) ( X ) X ; (10) X Y Y X ; (11) X Y Z Y Z ; (12) X Y Y X ; Z (13) X Y Z Y Z ; Z I Z 1

(14) X Y Z Y Z ; (15) X Y Z Y Z ; (16) Y X Y ; (prawo de Morgana) (17) Y X Y ; (prawo de Morgana). Powyższe własności można udowodnić m.in. metodą zero-jedynkową polegającą na sprawdzeniu wszystkich możliwych przypadków, których jest skończona ilość. Oto przykładowy dowód własności (11): X Y Z Y+Z X+(Y+Z) X+Y (X+Y)+Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Dzięki równościom (11) i (13) uogólniamy indukcyjnie dodawanie i mnożenie na dowolną skończoną liczbę argumentów. mianowicie, jeżeli n 2, to przyjmujemy:...... ; 1 1 n n... 1 n 1.... 1 W analogiczny sposób uogólniamy bramki i ND. Ponadto przyjmujemy taką samą umowę dotyczącą kolejności działań i opuszczania znaku mnożenia, jak w tradycyjnej algebrze, co pozwala na zredukowanie zbędnych nawiasów i uproszczenie zapisów. Twierdzenie. Dla dowolnych elementów X, Y, Z algebry zachodzą następujące równości: (18) X X Z X ; (19) X Z X ; (20) X X Y X Y ; (21) X Y Y Z Y Z X Y Z. Dowody. Zastosujemy bardziej efektywną metodę polegającą na wykorzystaniu własności już udowodnionych, do których zaliczymy własności (1) - (17). d (18) X X Z X 1 X Z X 1 Z X 1 X. d (19) X d (20) X Y 1 d (21) (18) Z X Z X X Z X. n 1 Y X Y X X X Y X X X Y (18) X Y 0 X Y X X Y. X Y Y Z Y Z X Y Y Z Y Z X Y Z Y Y X Y Z 1 X Y Z. W zagadnieniach dotyczących zastosowań algebry oole a kluczowe znaczenie ma przekształcanie wyrażeń do najprostszej postaci i to odpowiedniego kształtu. Okazuje się, że każde takie wyrażenie zawsze daje się sprowadzić do jednej z dwóch tzw. postaci kanonocznych: sumy iloczynów bądź iloczynu sum pojedynczych argumentów bądź ich dopełnień. n n 2

Przykłady. Uprościmy dwa wyrażenia algebry oole a. a) W ( X Y )( X Y )( X Z) ( X X X Y Y X Y Y )( X Z) ( X X Y X Y )( X Z) X X X Z X Y X X Y Z X Y X X Y Z X Z ( X Y Z X Y Z) X Z X Z ( Y Y ) X Z X Z X Z. Inne, prostsze rozwiązanie: W ( X Y )( X Y ) ( X Z) ( X Y Y )( X Z) X ( X Z) X X X Z X Z. b) V X ( Y Z Y Z Y Z ) X ( Y Z Y Z) ( Y Z Y Z ) X Z ( Y Y ) Y ( Z Z ) X ( Z 1 Y 1) X ( Y Z) lub V X Y X Z. Pierwszy z wyników przedstawia wyrażenie V w postaci kanonicznej iloczynu sum (trzeba założyć, że X jest sumą jednoskładnikową), a drugi z tych wyników w postaci kanonicznej sumy iloczynów. Przy okazji warto postawić pytanie, która wersja rozwiązania jest prostsza? by na nie odpowiedzieć, przedstawmy ich realizację przy pomocy bramek: X Y Z Teraz jest jasne, że pierwsze z rozwiązań jest prostsze, gdyż jego realizacja wymaga jednej bramki mniej. Następnym ważnym problem z uwagi na zastosowania w informatyce jest projektowanie wyrażeń algebry oole a, które spełniają wymagane warunki wejścia/wyjścia. Wyjaśnimy to przy pomocy serii przykładów. Przykład. Znajdziemy wyrażenie zależne na wejściu od zmiennych X, Y oraz wyprowadzające na wyjściu wyrażenie Z tak, aby zachodziły zależności: Input X Y Z 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 by otrzymać rozwiązanie w postaci sumy iloczynów dodajemy dodatkową kolumnę zawierającą utworzone w odpowiedni sposób iloczyny: Input X Y Z Iloczyny 0 0 1 X Y 0 1 0 X Y 1 0 1 X Y 1 1 1 X Y Szukanym rozwiązaniem jest suma wyrażeń z ostatniej kolumny wybranych z tych wierszy, dla których Z 1: X Z Y 3

Z X Y X Y X Y. Uprośćmy je: Z ( X Y X Y ) ( X Y X Y ) Y ( X X ) X ( Y Y ) Y X X Y. by otrzymać rozwiązanie w postaci iloczynu sum dodajemy dodatkową kolumnę zawierającą utworzone w odpowiedni sposób sumy: Input X Y Z Sumy 0 0 1 X Y 0 1 0 X Y 1 0 1 X Y 1 1 1 X Y Szukanym rozwiązaniem jest iloczyn wyrażeń z ostatniej kolumny wybranych z tych wierszy, dla których Z 0: Z X Y. Widać, że otrzymaliśmy dokładnie takie samo rozwiązanie. Jego realizacja przy pomocy bramek wygląda następująco: X Y Przykład. Znajdziemy wyrażenie zależne na wejściu od zmiennych X, Y, Z oraz wyprowadzające na wyjściu wyrażenie tak, aby zachodziły zależności: Input X Y Z 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 Znajdziemy oba rozwiązania w postaciach kanonicznych: I lub X Y 4

Input X Y Z Iloczyny Sumy 0 0 0 1 X Y Z * X Y Z 0 0 1 0 X Y Z X Y Z * 0 1 0 1 X Y Z * X Y Z 0 1 1 0 X Y Z X Y Z * 1 0 0 1 X Y Z * X Y Z 1 0 1 0 X Y Z X Y Z * 1 1 0 1 X Y Z * X Y Z 1 1 1 0 X Y Z X Y Z * Rozwiązanie w postaci sumy iloczynów: ( X Y Z X Y Z ) ( X Y Z X Y Z ) X Z ( Y Y ) X Z ( Y Y ) X Z X Z Z ( X X ) Z. Rozwiązanie w postaci iloczynu sum: ( X Y Z )( X Y Z ) ( X Y Z )( X Y Z ) ( X Z ) ( Y Y ) ( X Z ) ( Y Y ) ( X Z )( X Z ) Z ( X X ) Z. Również teraz otrzymaliśmy dokładnie takie samo rozwiązanie. Jego realizacja wymaga tylko jednego inwertera: Z I Z Przykład. Znajdziemy wyrażenie zależne na wejściu od zmiennych X, Y, Z oraz wyprowadzające na wyjściu wyrażenie tak, aby zachodziły zależności: Input X Y Z 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 Znajdziemy oba rozwiązania w postaciach kanonicznych: 5

Input X Y Z Iloczyny Sumy 0 0 0 0 X Y Z X Y Z * 0 0 1 0 X Y Z X Y Z * 0 1 0 1 X Y Z * X Y Z 0 1 1 1 X Y Z * X Y Z 1 0 0 0 X Y Z X Y Z * 1 0 1 0 X Y Z X Y Z * 1 1 0 1 X Y Z * X Y Z 1 1 1 0 X Y Z X Y Z * Rozwiązanie w postaci sumy iloczynów: ( X Y Z X Y Z) ( X Y Z X Y Z ) X Y ( Z Z) Y Z ( X X ) X Y Y Z. Rozwiązanie w postaci iloczynu sum: ( X Y Z)( X Y Z ) ( X Y Z)( X Y Z ) ( X Y Z )( X Y Z ) ( X Y ) ( Z Z ) ( X Y ) Z Z ( X Z ) Y Y ( X Y )( X Y ) ( X Z ) Y X X ( X Z ) Y ( X Z ). Otrzymaliśmy dwa różne rozwiązania, z których drugie jest prostsze. Widać to z ich realizacji przy pomocy bramek: Y X Z Y X Z Oprócz wcześniej zdefiniowanych bramek duże znaczenie praktyczne mają dwie dodatkowe: bramka N (Not Or Gate) i bramka Nand (Not nd Gate). Oto ich oznaczenia i definicje w wersji dla dwóch zmiennych wejściowych (może być ich więcej): N Z Z Z ( ) 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Z ( ) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 6

Istotna zaleta powyższych dwóch bramek polega na tym, że każde wyrażenie algebry oole a daje się zrealizować tylko przy pomocy bramek N albo tylko przy pomocy bramek. Uzasadniają to poniższe schematy: Tylko bramki N N N N N N N Tylko bramki W praktyce nie ma potrzeby stosowania powyższych schematów. Jak już wcześniej zauważyliśmy, wszystkie wyrażenia algebry oole a dają się sprowadzić do jednej z dwóch postaci kanonicznych: sumy iloczynów bądź iloczynu sum. W pierwszym z tych przypadków zamiast stosować układ bramek typu nd-to-or można użyć układu Nand-to-Nand zastępując w pierwszym układzie wszystkie bramki bramkami Nand. W przypadku układu typu -to-nd ten sam efekt uzyskuje się poprzez zastąpienie wszystkich bramek bramkami typu Nor. Daje to układ typu Nor-to- Nor. W obu przypadkach otrzymuje się układy logicznie równoważne, ale fizycznie różne. Zagadnienie ilustrują poniższe przykłady. 7

Przykłady a) D C C D C D E F G F E G D C C D C D E F G C D E F G b) F E G E F G C D E D E C C D E C D E C D E D C E C D E C D E 8

c) D C C D ( ) ( C D) ( E F G ) F E G E F G N D C N C D N C D E F G C D E F G d) F E G N E F G C D E D C E C D E N N C D E C D E D C E N C D E C D E 9

Układy zintegrowane 10

11

12