17 Основные тождества

В данном разделе повторяются свойства и аксиомы, описанные выше с добавлением ещё нескольких.

Сводная таблица свойств и аксиом, описанных выше:

;	.	1 коммутативность переместительность
;	.	2 ассоциативность сочетательность
3.1 конъюнкция относительно дизъюнкции	3.2 дизъюнкция относительно конъюнкции	3 дистрибутивность распределительность
;	.	4 комплементность дополнительность (свойства отрицаний)
;	.	5 законы де Моргана
;	.	6 законы поглощения
;	.	7 Блейка-Порецкого
;	.	8 Идемпотентность
.		9 инволютивность отрицания
;	.	10 свойства констант
;	.
дополнение 0 есть 1 ;	дополнение 1 есть 0 .
;	.	11 Склеивание

19

Дизъюнкти́вная норма́льная фо́рма (ДНФ) в булевой логике — нормальная форма, в которой булева формула имеет вид дизъюнкции конъюнкций литералов. Любая булева формула может быть приведена к ДНФ.^[1] Для этого можно использовать закон двойного отрицания, закон де Моргана, закон дистрибутивности. Дизъюнктивная нормальная форма удобна для автоматического доказательства теорем.

1) Избавиться от всех логических операций, содержащихся в формуле, заменив их основными: конъюнкцией, дизъюнкцией, отрицанием. Это можно сделать, используя равносильные формулы:

2) Заменить знак отрицания, относящийся ко всему выражению, знаками отрицания, относящимися к отдельным переменным высказываниям на основании формул:

3) Избавиться от знаков двойного отрицания.

4) Применить, если нужно, к операциям конъюнкции и дизъюнкции свойства дистрибутивности и формулы поглощения.

Конъюнкти́вная норма́льная фо́рма (КНФ) в булевой логике — нормальная форма, в которой булева формула имеет вид конъюнкции дизъюнкций литералов. Конъюнктивная нормальная форма удобна для автоматического доказательства теорем. Любая булева формула может быть приведена к КНФ.^[1] Для этого можно использовать: Закон двойного отрицания, Закон де Моргана, Дистрибутивность.

1) Избавиться от всех логических операций, содержащихся в формуле, заменив их основными: конъюнкцией, дизъюнкцией, отрицанием. Это можно сделать, используя равносильные формулы:

2) Заменить знак отрицания, относящийся ко всему выражению, знаками отрицания, относящимися к отдельным переменным высказываниям на основании формул:

3) Избавиться от знаков двойного отрицания.

4) Применить, если нужно, к операциям конъюнкции и дизъюнкции свойства дистрибутивности и формулы поглощения.

20

СКНФ (Совершенная Конъюнктивная Нормальная Форма) — это такая КНФ, которая удовлетворяет трём условиям:

• в ней нет одинаковых элементарных дизъюнкций

• в каждой дизъюнкции нет одинаковых пропозициональных букв

• каждая элементарная дизъюнкция содержит каждую пропозициональную букву из входящих в данную КНФ пропозициональных букв.

СДНФ (Совершенная Дизъюнктивная Нормальная Форма) — это такая ДНФ, которая удовлетворяет трём условиям:

• в ней нет одинаковых элементарных конъюнкций

• в каждой конъюнкции нет одинаковых пропозициональных букв

• каждая элементарная конъюнкция содержит каждую пропозициональную букву из входящих в данную ДНФ пропозициональных букв, причем в одинаковом порядке.

Если в простой дизъюнкции не хватает какой-то переменной (например, z), то добавляем в нее выражение : (это не меняет самой дизъюнкции), после чего раскрываем скобки с использованием распределительного закона:

Таким образом, из КНФ получена СКНФ.

Если в какой-то простой конъюнкции недостает переменной, например, Z, вставляем в нее выражение : ,после чего раскрываем скобки (при этом повторяющиеся дизъюнктные слагаемые не пишем). Например:

Таким образом, из ДНФ получили СДНФ.

21

Законы булевой алгебры

В булевой алгебре используются четыре основных закона: переместительный, сочетательный, распределительный, инверсии. Эти законы позволяют проводить эквивалентные преобразования ПФ, записанных с помощью операций НЕ, И, ИЛИ, т. е. приводить выражения ПФ к удобному (более простому) виду. Рассмотрим эти законы.  Переместительный закон аналогичен переместительному закону обычной алгебры и записывается в виде: а) для дизъюнкции (3.1) б) для конъюнкции (3.2) Таким образом, от перемены мест слагаемых (сомножителей) их логическая сумма (логическое произведение) не меняется.  Сочетательный закон также аналогичен сочетательному закону обычной алгебры и записывается в виде: а) для дизъюнкции (3.3) б) для конъюнкции (3.4) Следовательно, можно группировать переменные, объединенные знаком дизъюнкции или конъюнкции, это не меняет значений ПФ.  Распределительный закон записывается в виде: а) для дизъюнкции (3.5) т. е. дизъюнкция переменной и конъюнкции равносильна конъюнкции дизъюнкций этой переменной с сомножителями; б) для конъюнкции (3.6) т. е. конъюнкция переменной и дизъюнкции эквивалентна дизъюнкции конъюнкций этой переменной со слагаемыми. Справедливость выражения (3.5) доказывается путем г составления таблиц истинности для левой и правой частей. Значения этих таблиц совпадают для одинаковых наборов переменных, это и доказывает справедливость (3.5).  Закон инверсии: а) для дизъюнкции (3.7) т. е. отрицание дизъюнкции логических переменных эквивалентно конъюнкции отрицаний этих переменных; б) для конъюнкции (3.8) т. е. отрицание конъюнкции переменных эквивалентно дизъюнкции отрицаний этих переменных.

22

Метод Куайна—Мак-Класки — табличный метод минимизации булевых функций, предложенный Уиллардом Куайном и усовершенствованный Эдвардом Мак-Класки. Представляет собой попытку избавиться от недостатков метода Куайна.

Сложность

Несмотря на некоторые преимущества перед картами Карно, метод Куайна — Мак-Класки тоже ограничен: время работы метода растёт экспоненциально с увеличением входных данных. Поэтому для функций с большим количеством переменных используют эвристические алгоритмы, например, эспрессо.

23

Куб Карно́ — графический способ минимизации переключательных (булевых) функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями и устранение потенциальных гонок. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как перестроенная соответствующим образом таблица истинности функции. Карты Карно можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба. Не допускается название карта Карно с 2012 года.

Карты Карно были изобретены в 1952 Эдвардом В. Вейчем и усовершенствованы в 1953 Морисом Карно, физиком из «Bell Labs», и были призваны помочь упростить цифровые электронные схемы.

В карту Карно булевы переменные передаются из таблицы истинности и упорядочиваются с помощью кода Грея, в котором каждое следующее число отличается от предыдущего только одним разрядом.

Основным методом минимизации логических функций, представленных в виде СДНФ или СКНФ, является операция попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Операция попарного склеивания осуществляется между двумя термами (членами), содержащими одинаковые переменные, вхождения которых (прямые и инверсные) совпадают для всех переменных, кроме одной. В этом случае все переменные, кроме одной, можно вынести за скобки, а оставшиеся в скобках прямое и инверсное вхождение одной переменной подвергнуть склейке. Например:

Аналогично для КНФ:

Возможность поглощения следует из очевидных равенств

Таким образом, главной задачей при минимизации СДНФ и СКНФ является поиск термов, пригодных к склейке с последующим поглощением, что для больших форм может оказаться достаточно сложной задачей. Карты Карно предоставляют наглядный способ отыскания таких термов.

Как известно, булевы функции N переменных, представленные в виде СДНФ или СКНФ, могут иметь в своём составе 2^N различных термов. Все эти члены составляют некоторую структуру, топологически эквивалентную N–мерному кубу, причём любые два терма, соединённые ребром, пригодны для склейки и поглощения.

На рисунке изображена простая таблица истинности для функции из двух переменных, соответствующий этой таблице 2-мерный куб (квадрат), а также 2-мерный куб с обозначением членов СДНФ и эквивалентная таблица для группировки термов:

25. Геометрическое представление булевых функций

В геометрическом смысле каждый набор значений переменных 12 ( , ,..., ) n xxx можно рассматривать как n -мерный вектор, определяющий точку в n -мерном пространстве [1]. Все множество двоичных наборов значений аргументов образует геометрическое множество вершин

n -мерного единичного куба. Выделяя вершины, на которых значение функции равно 1, можно получить геометрический образ истинностной функции.

26.

Логические элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней в двоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

Лог. Схемы - - физ. устройства, реализующие функции матем. логики. Л. с. подразделяют на 2 класса: комбинационные схемы (Л. с. без памяти) и послед овател ьностные схемы (Л. с. с памятью). Л. с. являются основой любых систем (различных назначений и физ. природы) обработки дискретной информации. Л. с. может быть представлена в виде многополюсника (рис. 1), на к-рый поступает п входных сигналов и с к-рого снимается т выходных сигналов. При этом как независимые (логические) переменные Х ₁,......, Х _n, так и ф-ции Y₁,..., Y_n, также наз. логическими, могут принимать к.-л. значения только из одного и того же конечного множества значений.

29.

Построение комбинационных логических схем по заданным булевым выражениям

Как правило, построение и расчет любой схемы осуществляется начиная с ее выхода. Допустим задано булево выражение : F =`B A + B`A + C`B. Первый этап: выполняется логическое сложение, логическую операция ИЛИ, считая входными переменными функции `B A, B`A и C`B:

Второй этап: к входам элемента ИЛИ подключаются логические элементы И, входными переменными которых являются уже A, B, C и их инверсии: Третий этап: для получения инверсий `A и`B на соответствующих входах ставят инверторы:

Данное построение основано на следующей особенности, – поскольку значениями логических функций могут быть только нули и единицы, то любые логические функции могут быть представлены как аргументы других более сложных функций. Таким образом, построение комбинационной логической схемы осуществляется с выхода ко входу.

 

30

Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Аналоговые и цифровые^[1][2] мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико — порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами^[3] или коммутаторами.

Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции, называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мультиплексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором и такие устройства могут называться коммутаторами

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство^[1]) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

• Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.

• Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

Дешифратор (декодер) — комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в -ичный одноединичный код, где  — основание системы счисления. Логический сигнал появляется на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду. Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

Двоичный дешифратор работает по следующему принципу: пусть дешифратор имеет N входов, на них подано двоичное слово , тогда на выходе будем иметь такой код, разрядности меньшей или равной , что разряд, номер которого равен входному слову, принимает значение единицы, все остальные разряды равны нулю. Очевидно, что максимально возможная разрядность выходного слова равна . Такой дешифратор называется полным. Если часть входных наборов не используется, то число выходов меньше , и дешифратор является неполным.

Часто дешифраторы дополняются входом разрешения работы. Если на этот вход поступает единица, то дешифратор функционирует, в ином случае на выходе дешифратора вырабатывается логический ноль вне зависимости от входных сигналов.

Существуют дешифраторы с инверсными выходами, у такого дешифратора выбранный разряд показан нулём.

Демультиплексор — это логическое устройство, предназначенное для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. На схемах демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Сумматор — устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.^[1]

В зависимости от формы представления информации различают сумматоры аналоговые и цифровые.^[1]