Синтез комбінаційної схеми в обмеженому базисі

Дослідження основ двійкової арифметики. Порозрядні логічні операції, Бульові функції та комбінаційні схеми. Еквівалентні формули та закони. Мінімізація методом послідовного виключення логічних змінних та карт Карно. Зведення до базису та часові діаграми.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Вінницький національний технічний університет

Інститут інформаційних технологій та комп'ютерної інженерії

Кафедра ОТ

Пояснювальна записка

з дисципліни "Організація функціонування ЕОМ"

Синтез комбінаційної схеми в обмеженому базисі

Керівник курсової роботи

к.т.н., доц. Біліченко Н.О.

Розробив студент гр. 1КІ-10

Гнатюк А.В.

Вінниця ВНТУ 2011



Анотація

У цій курсовій роботі ми детально познайомимся з двійковою арифметикою, яка є невід`ємною частиною обчислювальної техніки. Тобто, ми розглянемо закони диз'юнкції, кон'юнкції та інші? які пов'язані з булевою алгеброю.



• Зміст
• Вступ
• 1. Основи двійкової арифметики. Порозрядні логічні операції (Булівські операції)
• 1.1 Суттєві та несуттєві змінні
• 1.2 Еквівалентні формули та закони
• 1.3 Бульові функції та комбінаційні схеми
• 2. Розрахунок таблиці істинності
• 2.1 Мінімізація методом послідовного виключення логічних змінних
• 2.2 Мінімізація методом мінімізуючих карт Карно
• 2.3 Зведення до базису
• 2.4 Синтез комбінаційної схеми
• 2.5 Часові діаграми
• Висновок
• Список посилань

• Вступ
• Вся інформація в пам'яті цифрового комп'ютера зберігається в двійковій формі, тобто у вигляді послідовностей нулів та одиниць. Причина цього полягає в особливостях фізичної реалізації, при якій електронні елементи цифрового комп'ютера можуть перебувати в одному з двох стійких станів: висока напруга - низька напруга, або є струм - немає струму тощо. Усе це реалізується в комп'ютерній схемотехніці за допомогою законів булевої алгебри які надалі будуть розглянути.


1. Основи двійкової арифметики. Порозрядні логічні операції (Булеві операції)

Множину {0, 1} позначимо літерою B. Множину всіх можливих послідовностей з 0 і 1 - Bn. Такі послідовності за традицією будемо називати наборами або векторами довжини n. Очевидно, Bn містить 2n елементів. Значення 0 і 1 називаються протилежними одне до одного.

Означення. Всюди визначена функція з Bn у B називається n-місною функцією алгебри логіки або n-місною бульовою функцією.

Послідовність змінних (x1, x2, …, xn) із значеннями у B позначимо . Бульова функція f() задається у вигляді таблиці, або графіка зі стандартним розташуванням наборів:

Зауважимо, що в стандартному розташуванні набори можна розглядати як двійкові записи послідовних чисел від 0 до 2n-1. Функцію, задану зі стандартним розташуванням наборів, можна ототожнити з набором довжини 2n. Наприклад, двомісну функцію, задану таблицею можна ототожнити з вектором (1011).



Далі іноді будемо позначати n-місну функцію f() як f(n)(), підкреслюючи кількість змінних, від яких вона залежить.

Очевидно, що множина всіх можливих наборів довжини 2n, тобто множина n-місних бульових функцій, складається з 22n елементів. При n=0 це 2, при n=1 - 4, при n=2 - 16, при n=3 - 256 тощо.

Нуль-місними функціями є сталі 0 і 1.

Одномісні функції подано у наступній таблиці разом з виразами, якими ці функції позначаються:

Функції 0 і 1 називаються тотожними нулем і одиницею, функція x - тотожною, Ox - запереченням. Замість виразу Ox вживається ще вираз . Ці вирази читаються як "не x".

Подамо також деякі з 16 двомісних функцій разом із їх позначеннями:

Функція, позначена виразом xUy, називається кон'юнкцією і позначається ще як x&y, x?y або xy. Усі ці вирази читаються як "x і y".

Функція, позначена виразом xUy, називається диз'юнкцією. Вираз читається як "x або y".

Функція, позначена виразом x®y, називається імплікацією і позначається ще як xEy. Ці вирази читаються як "x імплікує y" або "з x випливає y".

Функція, позначена виразом x"y, називається еквівалентністю і позначається ще як x~y або x?y. Ці вирази читаються як "x еквівалентно y", що в даному випадку збігається з "x дорівнює y".

Функція, позначена виразом xAy, називається додаванням за модулем 2 або "виключним або". Зауважимо, що її значення є протилежними до значень еквівалентності.

Функція, позначена виразом x|y, називається штрихом Шеффера і має значення, протилежні значенням кон'юнкції. Її вираз читається як "не x або не y".

Функція, позначена виразом x?y, називається стрілкою Пірса і має значення, протилежні значенням диз'юнкції. Її вираз читається як "не x і не y".

Зауважимо, що інфіксні позначення наведених функцій вигляду x f y, де f - відповідний знак, склалися історично. Їх так само можна позначати й у вигляді f(x, y), наприклад, U(x, y).

З тримісних функцій наведемо лише так звану функцію голосування m(x, y, z), графік якої має такий вигляд:

Її назва зумовлена тим, що її значення на кожному наборі збігається з більшістю значень змінних у цьому наборі.

Множину всіх n-місних функцій позначимо P(n), а множину всіх функцій, тобто об'єднання P(n) по всіх n - P2.

Перейдемо до означення таких понять, як алгебра бульових функцій і алгебра формул.

Алгебри бульових функцій, як і всі інші алгебри, визначаються своїми носіями та сигнатурами операцій. Носіями в алгебрах бульових функцій є множини функцій. Сигнатуру складає операція суперпозиції, або підстановки.

Означення. Нехай є n-місна функція f(n)() і n функцій g1(y1,1, y1,2, …, y1,m1), g2(y2,1, y2,2, …, y2,m2), …, gn(yn,1, yn,2, …, yn,mn), залежні від змінних з деякої їх множини Y={y1, y2, …, yk}. Суперпозицією, або підстановкою функцій g1, g2, …, gn у функцію f(n) називається функція h(m)(y1, y2, …, ym), кожне значення якої h(a1, a2, …, am) визначається як

f(n)(g1(a1,1, a1,2, …, a1,m1), g2(a2,1, a2,2, …, a2,m2), …, gn(an,1, an,2, …, an,mn)).

Суперпозиція ще позначається як S(f(n); g1(y1,1, y1,2, …, y1,m1), g2(y2,1, y2,2, …, y2,m2),…, gn(yn,1, yn,2, …, yn,mn)).

Приклади.

1. h1(x, y, z)=S(U; xUy, y®z) задається наступною таблицею:

2. h2(x, y)=S(U; xUy, y®x) задається таблицею:



Нехай є множина бульових функцій F. Утворюючи з них та їх суперпозицій усі можливі суперпозиції, ми одержимо множину функцій, яку позначимо [F]. Отже, маємо алгебру ([F]; S), породжену множиною функцій F. Інша множина функцій F1 буде породжувати, взагалі кажучи, іншу алгебру ([F1]; S). Наприклад, алгебри ([{(0111), (0001)}]; S) і ([{(10), (0001)}]; S).

Розглянемо тепер поняття алгебри формул (термів, або виразів). Нехай є множина функцій F. Кожній n-місній функції з F поставимо у взаємно однозначну відповідність символ, що її позначає (функціональний символ) f(n). Нехай X - зліченна множина змінних (точніше, їх імен).

Означення.

1. Ім'я змінної є формулою.

2. Якщо f(n) - функціональний символ, а T1, T2, …, Tn є формулами, то f(n)( T1, T2, …, Tn) є формулою.

3. Інших формул немає.

Це означення задає множину формул із функціональними символами з множини F, які одержуються за допомогою підстановок, тобто суперпозицій. Таким чином, ми маємо алгебру формул, породжену множиною функціональних символів F. Інша множина функціональних символів буде породжувати й іншу алгебру формул.

Зв'язки між алгебрами функцій і алгебрами формул встановлюють наступні два означення.

Означення. Значенням формули T на наборі значень змінних з множини X є:

1) значення змінної x, якщо T є змінною x;

2) f(n)(a1, a2, …, an), якщо T=f(n)(T1, T2, …, Tn), а формули T1, T2, …, Tn мають на цьому наборі значення відповідно a1, a2, …, an.

Означення. n-місна бульова функція f(n) задається формулою T, якщо всі змінні у формулі T є змінними з множини X, і при будь-якому наборі значень (a1, a2, …, an) цих змінних x1, x2, …, xn значення формули дорівнює значенню f(n)(a1, a2, …, an).

Звідси випливає інше означення суперпозиції функцій.

Означення. n-місна бульова функція f(n) є суперпозицією функцій f1, f2, …, fn, якщо її можна задати формулою, усі функціональні символи якої є серед символів функцій f1, f2, …, fn.

З наведених прикладів 1 і 2 видно, що функція h1(x, y, z) задається формулою U(U(x, y), ®(y, z)), або в інфіксному записі (xUy)U(y®z). Аналогічно функція h2(x, y) задається формулою U(U(x, y), ®(y, x)), або (xUy)U(y®x). Як бачимо, обидві функції задаються формулами з тими самими функціональними символами U, U, ®, тобто є суперпозиціями цих функцій.

Наостанок наведемо узгодження, які склалися в математиці й дозволяють у формулах з функціональними символами O, U, U, ®, A, ", |, ? записувати не всі необхідні дужки.

1.1 Суттєві та несуттєві змінні

Розглянемо поняття суттєвої залежності функції від її змінних. Почнемо з прикладів: значення функції h2(x, y) з прикладу 2 на кожному з наборів збігаються зі значеннями x. Отже, зміна знач...