Algebra Boole'a i logika cyfrowa

Podobne dokumenty
Algebra Boole'a i logika cyfrowa

Algebra Boole'a i logika cyfrowa

i, lub, nie Cegieªki buduj ce wspóªczesne procesory. Piotr Fulma«ski 5 kwietnia 2017

x y x y x y x + y x y

Algebra Boole'a i logika cyfrowa

Ciaªa i wielomiany. 1 Denicja ciaªa. Ciaªa i wielomiany 1

Algebra Boole'a i logika cyfrowa

Wstęp do Techniki Cyfrowej... Algebra Boole a

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

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

Metodydowodzenia twierdzeń

Indeksowane rodziny zbiorów

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

Maªgorzata Murat. Modele matematyczne.

Zbiory i odwzorowania

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

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.

Rachunek zda«. Relacje. 2018/2019

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Wyra»enia logicznie równowa»ne

Część 2. Funkcje logiczne układy kombinacyjne

Logika dla matematyków i informatyków Wykªad 1

Macierze i Wyznaczniki

Zdzisªaw Dzedzej, Katedra Analizy Nieliniowej pok. 611 Kontakt:

Arytmetyka liczb binarnych

Lekcja 9 Liczby losowe, zmienne, staªe

JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1. JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1

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

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

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

Architektura komputerów Wykład 2

Podstawy logiki i teorii zbiorów wiczenia

Wykład nr 1 Techniki Mikroprocesorowe. dr inż. Artur Cichowski

Matematyka dyskretna

Metody dowodzenia twierdze«

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

Informacje pomocnicze

2 Podstawowe obiekty kombinatoryczne

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych

Bramki logiczne Podstawowe składniki wszystkich układów logicznych

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

Maszyny Turinga i problemy nierozstrzygalne. Maszyny Turinga i problemy nierozstrzygalne

Algebra Boole a i jej zastosowania

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Prawa rachunku zbiorów to takie wyra enia j zyka tego rachunku, które staj si zdaniami prawdziwymi przy ka dym podstawieniu nazw zbiorów za zmienne.

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

dr inż. Małgorzata Langer Architektura komputerów

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

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Tranzystor JFET i MOSFET zas. działania

Automatyka Treść wykładów: Literatura. Wstęp. dr inż. Szymon Surma pok. 202, tel.

Technika cyfrowa Synteza układów kombinacyjnych (I)

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Lekcja 9 - LICZBY LOSOWE, ZMIENNE

Listy Inne przykªady Rozwi zywanie problemów. Listy w Mathematice. Marcin Karcz. Wydziaª Matematyki, Fizyki i Informatyki.

Model obiektu w JavaScript

Wstęp do Techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Elektronika i techniki mikroprocesorowe

KLASYCZNE ZDANIA KATEGORYCZNE. ogólne - orzekaj co± o wszystkich desygnatach podmiotu szczegóªowe - orzekaj co± o niektórych desygnatach podmiotu

Rzut oka na zagadnienia zwi zane z projektowaniem list rozkazów

Podstawowe operacje arytmetyczne i logiczne dla liczb binarnych

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

Logika matematyczna (16) (JiNoI I)

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

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

Lekcja 5 Programowanie - Nowicjusz

c Marcin Sydow Przepªywy Grafy i Zastosowania Podsumowanie 12: Przepªywy w sieciach

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

Macierze i Wyznaczniki

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Zestaw 1 ZESTAWY A. a 1 a 2 + a 3 ± a n, gdzie skªadnik a n jest odejmowany, gdy n jest liczb parzyst oraz dodawany w przeciwnym.

Bramki logiczne V MAX V MIN

c Marcin Sydow Spójno± Grafy i Zastosowania Grafy Eulerowskie 2: Drogi i Cykle Grafy Hamiltonowskie Podsumowanie

Listy i operacje pytania

Lekcja 12 - POMOCNICY

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

Metoda tablic semantycznych. 1 Metoda tablic semantycznych

LOGIKA I TEORIA ZBIORÓW

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

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

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Ksztaªt orbity planety: I prawo Keplera

I. LOGICZNE STRUKTURY DRZEWIASTE

Wielomiany. El»bieta Sadowska-Owczorz. 19 listopada 2018

Ekstremalnie fajne równania

Algebra i jej zastosowania ćwiczenia

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Matematyka dyskretna dla informatyków

Wykład 1. Informatyka Stosowana. 2 października Informatyka Stosowana Wykład 1 2 października / 33

X WARMI SKO-MAZURSKIE ZAWODY MATEMATYCZNE 18 maja 2012 (szkoªy ponadgimnazjalne)

Laboratorium podstaw elektroniki

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

Wykªad 12. Transformata Laplace'a i metoda operatorowa

Transkrypt:

Algebra Boole'a i logika cyfrowa 7.X. 2009 1 Aksjomatyczna denicja algebry Boole'a Do opisywanie ukªadów cyfrowych b dziemy u»ywali formalizmu nazywanego algebr Boole'a. Formalnie algebra Boole'a to struktura matematyczna zªo»ona z uniwersum B i zdeniowanych na nim trzech dziaªa«: dwuargumentowych and i or, oznaczanych przez i + oraz jednoargumentowego not, oznaczanego przez (pozioma kreska nad argumentem). Priorytet operatorów: not, and, or. Podajemy nast puj cy zestaw aksjomatów algebry Boole'a (spotykane s te» inne warianty): 1. ª czno± i przemienno± + i 2. istnieje element neutralny dziaªania +, oznaczany przez 0, czyli x + 0 = x dla dowolnego x B; 3. istnieje element neutralny dziaªania, oznaczany przez 1, czyli x 1 = x dla dowolnego x B; 4. x + x = 1 5. x x = 0 6. prawo podwójnego zaprzeczenia: x = x 7. rozdzielno± wzgl dem +, czyli x (y + z) = x y + x z 8. rozdzielno± + wzgl dem, czyli x + (y z) = (x + y) (x + z) 9. xy = x + y (prawo de Morgana) 10. x + y = x y (prawo de Morgana) Z aksjomatów tych wynika szereg dodatkowych wªasno±ci, m.in.: 1. 0 x = 0, 1 + x = 1 2. idempotentno± : x + x = x, x x = x 3. prawo absorpcji: x(x + y) = x, x + xy = x Modelami algebry Boole'a s rodziny podzbiorów ustalonego zbioru, z dziaªaniami przekroju, sumy i dopeªnienia zbiorów. Model, który nas b dzie interesowaª: Zbiór B = {0, 1} z dziaªaniami logicznej sumy, iloczynu i negacji. Elementy 0, 1 s czasem nazywane faªszem i prawd. Jak si niedªugo przekonamy w takim modelu bardzo wygodnie opisuje si dziaªanie cyfrowych ukªadów komputerowych. Tak naprawd nasz model jest izomorczny ze zbiorem podzbiorów zbioru 1-elementowego. 1

2 Wyra»enia i funkcje boolowskie Od teraz b dziemy si porusza w naszym modelu dwuelementowym. U»ywaj c symboli dziaªa«, staªych 0 i 1 oraz zmiennych (zazwyczaj x, y, z,...) mo»emy budowa wyra»enia boolowskie. Ka»de wyra»enie w naturalny sposób deniuje funkcj boolowsk. Funkcj tak mo»emy opisa u»ywaj c tabeli prawdy. Przykªad: x y z F = x + yz 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Czasem konstruuj c tablic prawdy dodajemy jeszcze dla wygody kolumny po±rednie (np. yz). Okazuje si,»e ka»da funkcja boolowska da si opisa za pomoc wyra»enia boolowskiego. Dowód: konstrukcja wyra»enia w dysjunkcyjnej postaci normalnej (...). Dwa wyra»enia boolowskie nazywamy równowa»nymi je±li opisywane przez nie funkcje boolowskie s identyczne. Oczywi- ±cie ka»de wyra»enie ma niesko«czenie wiele wyra»e«równowa»nych, a st d ka»da funkcja mo»e by zapisana na niesko«czenie wiele sposobów. Najlepsze s reprezentacje mo»liwie najprostsze (w jakim± sensie). 2.1 Upraszczenie wyra»e«boolowskich U»ywaj c aksjomatów i praw algebry Boole'a mo»emy próbowa upraszcza wyra»enia boolowskie (proces ten jest odpowiednikiem upraszczenia obwodów cyfrowych komputera). Przykªad: F (x, y, z) = xyz + xyz + xz. Upraszamy: xy(z + z) + xz = xy(1) + xz = xy + xz. Trudniejszy przykªad: F (x, y, z) = xy + xz + yz = xy + xz + yz(1) (el. neutralny) = xy + xz + yz(x + x) (uzupeªnienie) = xy + xz + (yz)x + (yz)x (rozdzielno± ) = xy + xz + x(yz) + x(yz) (przemienno± ) = xy + xz + (xy)z + (xz)y (ª czno± ) = xy + (xy)z + xz + (xz)y (przemienno± ) = xy(1 + z) + xz(1 + y) (rozdzielno± ) = xy(1) + xz(1) = xy + xz W podobny sposób mo»emy dowodzi praw algebry Boole'a (czyli uzasadnia,»e dwa ró»ne wyra»enia boolowskie opisuj t sam funkcj ). Upraszczaj c wyra»enia na podstawie praw algebry Boole'a zdajemy si nie tyle na algorytm co na wªasn pomysªowo±. Co wi cej zauwa»my,»e my w zasadzie nie wiemy co to znaczy najprostsza posta wyra»enia... Zdenujmy zatem pewne standardowe proste postacie wyra»enia. Dowodz c,»e ka»da funkcja boolowska mo»e by zapisana jako wyra»enie boolowskie u»yli±my wyra»e«boolowskich o szczególnej budowie: w dysjunkcyjnej postaci normalnej. Wyra»enia w dysjunkcyjnej postaci normalnej to sumy iloczynów: F (x, y, z) = xy +xyz +yz. Ka»d funkcj 2

boolowsk mo»na zapisa w tej postaci. Podobnie mo»emy wprowadzi koniunkcyjn posta normaln posta iloczynu sum. Zauwa»,»e funkcja wci» mo»e mie wiele reprezentacji w d.p.n. Dla nas najlepsze b d te, które maj najmniejsz mo»liw liczb skªadników, a w±ród reprezentacji z jednakow liczb skªadników preferowa b dziemy te, które maj mniej literaªów w skªadnikach. Niestety takie okre±lenie wci» nie deniuje jednoznacznej minimalnej postaci. Np. x y+xy+xz = x y+xy+yz, to dwie minimalne postaci tego samego wyra»enia. 3 Bramki logiczne Rysunki w tym rozdziale zostaªy pobrane z ocjalnej strony podr cznika Lindy Null i Julii Lobur. Dobra strona o logice cyfrowej: http://www.play-hookey.com/digital/ (zawiera opisy ukªadów, interaktywne diagramy,...). Bramki logiczne s podstawowymi elementami z jakich budujemy komputery. W zale»no±ci od typu bramka logiczna zbudowana jest z jednego, dwóch lub kilku tranzystorów. Na pocz tek wprowadzamy bramki odpowiadaj ce operatorom algebry Boole'a bramki AND, OR, NOT. Oprócz bramek dwuwej±ciowych mo»emy u»ywa ich naturalnych kilkuwej±ciowych wersji. Czasami, oprócz podstawowego wyj±cia bramki dorysowujemy jej drugi wyj±cie, b d ce negacj pierwszego. Czasem, zamisat rysowa bramk negacji, na wej±ciu kolejnej bramki rysujemy puste kóªeczko. Rysunek 1: Symbole podstawowych bramek logicznych Rysunek 2: Trzywej±ciowa bramka OR U»ywaj c diagramów logicznych mo»emy reprezentowa wyra»enia boolowskie. Przykªad F (x, y, z) = x + yz. Ogólnie bramki odpowiadaj dwu- lub kilkuagrumentowym funkcjom logicznym. Jest zatem 2 4 typów bramek o dwóch wej±ciach. Niektóre z nich sa popularniejsze od innych i maj swoje wªasne symbole i nazwy. Cz sto wykorzystywan bramk jest bramka XOR (rys. 4). Kolejne bramki: NOR (rys. 5) i NAND (rys. 6). Mówimy,»e zbiór bramek (lub odpowiadaj cych im funkcji logicznych) jest funkcjonalnie peªny je±li mo»na za jego pomoc wyrazi ka»d funkcj logiczn. Pokazali±my ju»,»e zbiór { AND, OR, NOT } jest funkcjonalnie peªny (konstrukcja wyra»enia w dysjunkcyjnej postaci normalnej). Šatwo wyeliminowa z niego bramk AND lub OR (u»ywaj c prawa de Morgana 3

Rysunek 3: Prosty diagram logiczny Rysunek 4: Bramka XOR i jej tablica prawdy Rysunek 5: Bramka NOR: tablica prawdy, symbol, realizacja za pomoc AND i NOT Rysunek 6: Bramka NAND: tablica prawdy, symbol, realizacja za pomoc OR i NOT symulujmemy jedn za pomoc drugiej i negacji). Okazuje si,»e bramka NAND (podobnie jak i NOR) stanowi sama w sobie zbiór funkcjonalnie peªny. Dowód: realizujemy AND, OR i NOT przez NAND (rys. 7). Wynika st d,»e w peªni funkcjonalny komputer mo»na by zbudowa u»ywaj c tylko bramek NAND. W praktyce u»ywa si bramek ró»nego typu, bo to po prostu pozwala budowa mniej skomplikowane obwody. Wiadomo,»e konstruuj c obwody logiczne warto stara si u»ywa jak najmniejszej liczby bramek. Zwró my jeszcze w tym miejscu uwag na jedn rzecz jak warto bra pod uwag. Popatrzmy na przykªad: F = ((ab + c)d) + e = abd + cd + e. Która posta jest lepsza i dlaczego? 4

Rysunek 7: Realizacja AND, NOT i OR przez NAND Ró»nica polega na liczbie poziomów bramek (narysuj oba obwody). Fizyczna realizacja drugiej wersji b dzie wyliczaªa warto± wyra»enia nieco szybciej ni» pierwszej. Poniewa» ka»de wyra»enie mo»na zapisa w dysjunkcyjnej postaci normalnej, wi c ka»dy obwód mo»na zrealizowa u»ywaj c tylko dwóch poziomów bramek. Nie znaczy to,»e zawsze jest to praktyczne i po» dane (podstawowa niedogodno± : potrzebujemy do tego celu bramek o du»ej liczbie wej±, które same w sobie musz by skomplikowane). 5