1.3 Методические указания к выполнению курсового проекта

Система управления состоит из набора различных компонентов, выполняющих определенные функции по отношению к внешнему окружению системы. Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и передавать ее для управления, система должна иметь входы и выходы. Так, например, ввод информации в станок осуществляется с помощью штурвалов или рычагов, приводимых в действие оператором. Выходом системы является движение режущего инструмента. Функция станка заключается в изменении размеров и формы сырьевой заготовки при помощи режущего инструмента, движение которого задается входной информацией, введенной оператором. Более сложные электронные системы используются в задачах комплексных измерений. Эти системы конструируются из стандартных электронных элементов и мотивируются с жесткой конфигурацией.

Микрокомпьютер в отличие от других электронных компонентов не обладает фиксированным набором функциональных характеристик. Его характеристики определяются во время проектирования системы, используя процесс, который называется программированием. Неограниченный диапазон программируемых функциональных возможностей микрокомпьютера и придает ему особое значение. Электронные компоненты системы (в том числе и микрокомпьютер), которые называются аппаратными средствами (nardware) или техническими, являются сравнительно жесткими и трудно поддающимися изменениям после того, как параметры этих компонентов выбраны и система построена. В противоположность выше сказанному программные компоненты, создаваемые во время проектирования и называемые программным обеспечением (software), относительно легко могут быть изменены даже после того, как проектирование завершено и система управления сконструирована.

1.4 Формализация и преобразование связей между логическими переменными

Устройства ЭВМ состоят из элементарных логических схем. Работа этих схем основана на законах и правилах алгебры логики, которая оперирует двумя понятиями: истинности и ложности высказывания. Высказывания называются логическими двоичными переменными и обозначаются 1 и 0 соответственно. Высказывания могут быть простые, если содержат одно законченное утверждение, и сложные, содержащие два и более простых, связанных между собой некоторыми логическими связями.

Формализация и преобразование связей между логическими переменными осуществляется в соответствии с правилами алгебры логики, называемой Буля (английский математик Джордж Буля).

Две логические переменные А и В, принимающие значение 0 или 1, могут образовать логические функции. Из 16 возможных функций двух переменных наибольший практический интерес представляют функции отрицания, логического умножения и логического сложения.

Логическое отрицание НЕ переменной А есть логическая функция X, которая истинна только тогда, когда ложно А, и наоборот.

В алгебре логики любые функции удобно изображать в виде таблицы соответствия всех возможных комбинаций входных логических переменных и выходной логической функции, называемой таблицей истинности. Для функции логического отрицания НЕ эта таблица имеет вид

А 0 1

X 1 0

,

где А – входная переменная, X – выходная функция.

Функцию НЕ в символах алгебры логики записывают следующим образом:

___

X=А

Графически эта функция обозначается кружком на входе или выходе логического символа (рис. 4.1,а,б).

Рисунок 4.1 - Графическое изображение функции НЕ

Пример реализации функции НЕ представлены на рисунке 4.2

Рисунок 4.2 - Пример реализации логической функции НЕ (а) и ее временные диаграммы (б)

Примем положение переключателя за входную переменную и обозначим замкнутое состояние ключа логической единицей (X = 1), а разомкнутое — логическим нулем (X = 0).

Логическое умножение И двух переменных А и В есть логическая функция X, которая истинна только тогда, когда одновременно истинны входные переменные. Для функции логического умножения таблица истинности имеет вид

А	0	0	1	1
В	0	1	0	1
X	0	0	0	1

В алгебре логики логическое умножение И иногда называют конъюнкцией и записывают в виде X = А • В или X = А ∩ В. Графически функция И обозначается в виде прямоугольника, внутри которого ставится символ & (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Графическое изображение функции И

На рисунке 4.4 показан пример реализации логической функции X и диаграммы входных и выходных сигналов.

Рисунок 4.4 - Схема логической функции И (а), диаграмма входных

и выходных сигналов (б)

Логическая сумма ИЛИ переменных А и В есть логическая функция X, которая истинна, когда хотя бы одна из входных функций истинна. Для логической суммы таблица истинности имеет вид

А	0	0	1	1
В	0	1	0	1
X	0	1	1	1

Логическая сумма в символах алгебры логики записывается .так:

X=A+B=AVB.

Пример реализации функции логической суммы двух переменных А, В и диаграммы входных и выходных сигналов представлены на рисунке 4.5.

а - графическое изображение;

б — схема логической суммы;

в - диаграммы входных и выходных сигналов

Рисунок 4.5 - Пример реализации логической суммы переменных А и В:

Три рассмотренных функции позволяют реализовать любую логическую зависимость.

Рисунок 4.6 - Графическое изображение и временные диаграммы функции:

а -X = ИЛИ - НЕ; б -X = И - НЕ; в - X = =АВ+АВ

Широкое распространение получили в реализации современных логических схем функции ИЛИ—НЕ, И—НЕ, исключающие ИЛИ (рис. 4.6). Таблица истинности перечисленных функций соответственно имеет вид

А	0011		А	0	0	1	1
В	0101		В	0	1	0	1
Х= ИЛИ -НЕ	1000		Х=И-НЕ	1	1	1	0

А	0	0	1	1
В	0	1	0	1
	0	1	1	0

В таблице 1 приведен полный перечень функций двух аргументов. Функции, образованные логическими переменными, можно преобразовывать в соответствии с правилами или законами алгебры логики. При этом стремятся минимизировать логическое выражение, т.е. привести его к виду, удобному для практической реализации на логических элементах.

Таблица 1

Функции	Аргументы					Обозначение функции	Название функции
	Х	0	0	1	1
	Y	0	1	0	1
1	2	3	4	5	6	7	8
f 0 (X,Y)		0	0	0	0	0	Константа 0
f1 (Х,Y)		0	0	0	1	Х Y	Конъюнкция (логическое И)
f2 (Х,Y)		0	0	1	0	Х∆Y	Запрет по Y (отрицание импликации)
f3 (Х,Y)		0	0	1	1	X	Переменная X
f4 (Х,Y)		0	1	0	0	Y∆Х	Запрет по X (отрицание импликации)
f5 (Х,Y)		0	1	0	1	Y	Переменная Y
f6 (Х,Y)		0	1	1	0	X Y	Сумма по модулю 2
f7 (Х,Y)		0	1	1	1	X Y	Дизъюнкция (логическое ИЛИ
f8 (Х,Y)		1	0	0	0	X↓Y	Стрелка Пирса ( отрицание дизъюнкции)
f9 (Х,Y)		1	0	0	1	X~Y	Эквивалентность
f10 (Х,Y)		1	0	1	0		Отрицание Y (функция НЕ)
f11 (Х,Y)		1	0	1	1	Y→X	Импликация от Y к Х
f12 (Х,Y)		1	1	0	0		Отрицание X (функция НЕ)
f13 (Х,Y)		1	1	0	1	X→Y	Импликация от X к Y

f14 (Х, Y)		1	1	1	0	X\Y	Штрих Шеффера ( отрицание конъюнкции)
f15 (Х,Y)		1	1	1	1	1	Константа 1

Рисунок 4.7 – Примеры преобразования логических функций: а- Х=А0; б- Х=А1=А; в- Х=А =А; г-Х= А =0; д-Х=А+0=А; е-Х=А+1=1; ж-Х=А+А=А; з-Х=А+ =1; и-Х= =А; к-Х=(АВ)С=А(ВС); л-Х=(А+В)+С=А+(В+С); м- = + ; н- = 

Рассмотрим наиболее распространенные правила алгебры .логики на примерах с минимальным количеством переменных (рис. 4.7).

Правило 1: X = А -0 = 0 (рис. 4.7,а). Логическое произведение любого аргумента на 0 всегда равно 0. Правило часто используется для выполнения процедуры "маскирования" входных переменных.

Правило 2: X =А • 1 = А (рис. 4.7,б). Логическое произведение любого аргумента на 1 равно значению аргумента.

Доказательства правил 1 и 2 можно получить подстановкой значений аргументов в таблицы истинности для логических функций И, ИЛИ.

Правило 3: X =А • А =А (рис. 4.7,в) . Логическое произведение одних и тех же аргументов равно аргументу. В таблице истинности этому правилу соответствуют значения аргументов

Правило 4: А • А =0. Логическое произведение аргумента с его инверсией равно 0.

Правила 5,6,1,8 касаются логической суммы и аналогичны рассмотренным правилам для логических произведений.

Правило 5:Х=А +0=А (рис. 4.7,д).

Правило 6: X =А + 1 = 1 (рис. 4.7,е).

Правило 7: Х = А+4 =А (рис. 4.7,ж).

Правило 8: X =А,+ А = 1 (рис. 4.7,з) .

Правило 9: X ⁼ А = А (рис. 4.7,и). Двойная инверсия аргумента дает его истинное значение.

Правило 10: X = А•В= В•А.

Правило 11:Х=А+В=В+А.

Правила 10 и 11 аналогичны переместительному закону алгебры и указывают на возможность перемещения аргументов в логических функциях И, ИЛИ.

Правило 12: АГ = (А-В) -С = А- (В-С) (рис. 4.7,к).

Правило 13: X = (А + В) + С = А + (В + С).

Правила 12 и 13 аналогичны сочетательному закону алгебры и показывают, что аргументы логических функций И, ИЛИ мож­но группировать произвольно.

Правило 14: X = А (В + С) = АВ + АС.

Правило 15:Х = А + (В-С) = (А+В)(А+С).

Правило 15 можно доказать при помощи составления и сравнения таблиц истинности для правой и левой частей каждой формулы, описывающей тот или иной закон:

Левая часть Правая часть

А	0 0 0 0 1 1 1 1			А	0 0 0 0 1 1 1 1
В	0 0 1 1 0 0 1 1			В	0 0 1 1 0 0 1 1
С	0 1 0 1 0 1 0 1			С	0 1 0 1 0 1 0 1
В·С	0 0 0 1 0 0 0 1			А+В	0 0 1 1 1 1 1 1
				А+С	0 1 0 1 1 1 1 1
А+ВС,	0 0 0 1 1 1 1 1			(А+В)(А+С)	0 0 0 1 1 1 1 1

Правило 16: X = А + АВ = А.

Правило 17: X = А + = А+ В.

Правила 16, 17 применяют при преобразовании логических выражений.

Для доказательства правила 16 воспользуемся правилами 2 и 6:

А+АВ = А (1 + В)=А_•1=А, а_для доказательства правила 17 - правилом 15:

А+ В=(А+ )(А+В)=(А+ В) =А +В.

Правило 18: = (рис. 4.7,м).

Правило 1.9: (рис. 4.7, н).

Правила 18, 19 известны как правила де Моргана, или законы инверсии.

Убедиться в справедливости правил 16—19 можно, если воспользуемся методом доказательства, который был применен для правила 15.

Правила алгебры логики применяют для преобразования исходных выражений к виду, удобному для их практической реализации. В этом случае логические функции задаются в виде таблицы истинности, в которой всем возможным значениям аргументов присваивается определенное значение функции. Например, в таблице 2 задана логическая функция Y трех переменных (А, В, С):

Таблица 2

А	В	С	Y		А	В	С	Y
0	0	0	0		1	0	0	0
0	0	1	0		1	0	1	0
0	1	0	0		1	1	0	1
0	1	1	1		1	1	1	1

Эта функция принимает единичное значение при наборах переменных BC, AB , ABC и в соответствии с этим может быть записана в виде уравнения

Y = BC+АВ + ABC (1)

Для реализации полученной логической функции потребуются три трехвходовые схемы И, одна трехвходовая схема ИЛИ и два инвертора. Правила алгебры логики позволяют преобразовать исходное уравнение к более удобному виду.

Во втором и третьем слагаемых уравнения (1) произведение АВ можно вынести за скобки:

Y= BС+ АВ( +C).

В соответствии с правилом 8 логическая сумма ( +С) = 1. Следовательно,

Y = BC+АВ1 = BC+ АВ.

После вынесения за скобки общего множителя В имеем

Y = В( С+А).

Применив для преобразования выражения в скобках правило 17, получим

Y = В( +А)(С+А) = В(С+А). (2)

После раскрытия скобок уравнение (2) можно представить в виде

Y = ВС + АВ.

Очевидно, что уравнение (2) проще уравнения (1) для практической реализации и обеспечивает ту же выходную функцию (рис. 8).

Правила 18, 19 позволяют преобразовать уравнение (2) к виду, удобному для реализации схемы на других элементах

Рисунок 4.8 - Функциональная схема устройства

Рисунок 4.9 - Схема устройства в базисе элементов И-НЕ

Допустим, что для реализации схемы мы располагаем только элементами И— НЕ. Применим к (2) правила 9 и 19:

Y = (3)

Схема, соответствующая уравнению (3) представлена на рисунке 4.9.

Для обеспечения минимизации логических уравнений можно использовать запись исходных данных в виде диаграмм Карно.

На рисунке 4.10, а, б представлены диаграммы Карно для трех переменных. Каждая клетка диаграммы соответствует логическому произведению прямого или инверсного значения переменных, присвоенных столбцу или строке, на пересечении которых она находится. Например, клетка с номером 0 находится на пересечении строки со значением переменной А и столбца со значениями переменных В и С соответствует логическому произведению ABC (рис. 4.10, а, б). В диаграммах Карно значения переменных присваиваются таким образом, чтобы соседние клетки по строкам и столбцам отличались между собой значением только одной переменной. Клетки, находящиеся на границах одной строки или одного столбца, считаются соседними.

На рисунке 4.11 представлена диаграмма Карно для четырех переменных и показаны значения логических произведений, соответствующие каждой клетке диаграммы.

а- с номером клетки, б — с логическим обозначением клетки

Рисунок 4.10 - Диаграммы Карно для трех переменных:

Рисунок 4.11 - Диаграмма Карно для четырех переменных

По описанию логической функции нескольких переменных на диаграммах Карно в клетки записывают значения логических произведений из таблицы истинности. На рисунке 4.12 представлена диаграмма Карно, соответствующая логической функции, заданной таблице 2

Рисунок 4.12 - Пример логической функции

Диаграммы Карно позволяют легко выделить произведения, которые можно упростить. Если произведения стоят в соседних клетках, то из общего выражения можно исключить одну переменную. Например, элементы 3 и 7 клеток (см. рис. 10, а) можно преобразовать к виду

ABC+ BC=(А+ )•ВС=ВС.

Элементы 6 и 7 клеток — соответственно к виду

AB +ABC=АВ( +С)=АВ.

Одно и то же произведение можно использовать несколько раз в сочетании с другими. Применяя правило преобразования, функцию, представленную на рисунке 4.12, определяют уравнением

Y=АВ+ВС

а) б) в) г)

					А						А	1			1		А
1	1	1	1
				В		1	1			В						В		1	1	1	1
						1	1					1			1			1	1	1	1

D D D D

F=AB F= F= F=

Рисунок 4.13 - Логические функции: а-F =АВ;б-F= C;в-F—B ;

г — F =

Используя правила 8, 14, 17, легко доказать, что четыре логических произведения, образующие столбец или строку, позволяют исключить из выражения аргументы, встречающиеся в прямом и инверсном кодах. Произведения, образующие квадрат (с учетом замкнутости краевых линий диаграммы), позволяют исключить из общего выражения две переменные. Основные варианты группирования клеток на диаграммах Карно представлены на рисунке 4.13, а – г.