3.12.2.2 Минимизация пф с помощью карт Карно

На рисунке 3.5 показан пример карты Карно для ПФ четырех переменных (n=4).

Рисунок 3.5

Каждая клетка в картах Карно так же, как и в диаграммах Вейча соответствует определенному набору переменных. Соседние клетки соответствуют наборам, отличающимся значением одной из переменных. Каждая строка и столбец обозначаются значением конкретной переменной или комбинацией (произведением) переменных в прямой или инверсной форме.

Клетки, помеченные переменными в прямой форме, соответствуют наборам, где эти переменные принимают единичные значения, а клетки, обозначенные переменными в инверсной форме – наборам, где эти переменные равны нулям.

Карты Карно удобно использовать, если ПФ задана в виде булевого выражения в СДНФ.

Например,

  

(3.14)

  

Правила минимизации с помощью карт Карно в основном аналогичны правилам, изложенным при рассмотрении диаграмм Вейча. Отличие состоит в заполнении карты Карно единицами. Если диаграмма Вейча заполняется единицами в соответствии с номерами наборов, на которых исходная ПФ принимает единичное значение, то в карте Карно единицы ставят в клетки, лежащие на пересечении строк и столбцов карты, помеченных комбинациями переменных, которые при их перемножении дают запись соответствующей конституенты единицы (конъюнкции) в булевом выражении минимизируемой функции (3.14). На рисунке 3.5 показан пример заполнения карты Карно по выражению (3.14), содержащему шесть конституент единиц.

Булево выражение минимизированной ПФ имеет вид

. (3.15)

Другие примеры использования диаграмм Вейча и карт Карно показаны в [3, 18].

4 Логические элементы

Для аппаратной реализации булевых выражений используется некоторый набор логических элементов, выпускаемых в виде интегральных микросхем (ИМС). Существуют специализированные ИМС, разработанные методами интегральной технологии специально для получения требуемой логической зависимости. Специализированные ИМС не требуют никаких паяных межсоединений и обладают высокой надежностью. Однако разработка подобных микросхем экономически оправдана лишь при большом объеме выпуска. Примером может служить массовый выпуск специализированных БИС для электронных часов, микрокалькуляторов и т.д.

Помимо специализированных ИМС имеется универсальный набор логических элементов в виде ИМС, обеспечивающий реализацию любых логических функций. К этому набору можно отнести: инвертор; конъюнктор; дизъюнктор; повторитель; И-НЕ; ИЛИ-НЕ; исключающее ИЛИ; сложение по модулю два (нечетность); сложение по модулю два с отрицанием (четность); эквивалентность; неэквивалентность; И-ИЛИ-НЕ; запрет и др.

4.1 Инвертор (логический элемент не)

Инвертор реализует логическую функцию

.(4.1)

Ниже показаны его обозначение на электрических схемах (рисунок 4.1,а)

и принципиальная схема (рисунок 4.1,б).

а	б
Рисунок 4.1

4.2 Конъюнктор (логический элемент и)

Конъюнктор реализует логическую функцию

. (4.2)

Ниже показаны его обозначение на электрических схемах (рисунок 4.2,а), принципиальная схема (рисунок 4.2,б) и таблица истинности (таблица 4.1).

а	б
Рисунок 4.2

Таблица 4.1
№ набора	B	A	F
0	0	0	0
1	0	1	0
2	1	0	0
3	1	1	1

Термин “логический” обычно применяют по отношению к процедуре принятия решения. В таком случае можно сказать, что логический элемент – это такая схема, которая “основываясь” на входных сигналах, “может решать”, что ей ответить на выходе - “да” или “нет”. Схема конъюнктора на рисунке 4.2,б отвечает “да” (на выходе появляется высокий уровень напряжения) только в том случае, когда на оба её входа поданы сигналы “да” (оба входных напряжения имеют высокий уровень).

Рисунок 4.3

На рисунке 4.3 показана схема исследования логического элемента И в лабораторных условиях.

Входы логического элемента подключены к ключам SA1 и SA2. Индикатором выхода служит светодиод. Если на входах А и В возникают сигналы НИЗКОГО логического уровня (земля), то светодиод не излучает. Эту ситуацию отражает первая строка таблицы 4.2.

Таблица 4.2
	Входы				Выход
	B		A		F
	Уровень напряжения	Двоичный Сигнал	Уровень напряжения	Двоичный сигнал	Излучение	Двоичный сигнал
Строка 1	Низкий	0	Низкий	0	Нет	0
Строка 2	Низкий	0	Высокий	1	Нет	0
Строка 3	Низкий	1	Низкий	0	Нет	0
Строка 4	Высокий	1	Высокий	1	Есть	1

Помимо значений уровней напряжений и отметки наличия излучения входные и выходные сигналы в таблице 4.2 обозначены двоичными цифрами: 0 и 1. Согласно строке 1, если на оба входа поданы двоичные нули, то на выходе логического элемента также возникает двоичный нуль. Двоичная единица на выходе элемента И появляется только в том случае, когда на оба входа А и В поданы двоичные единицы.

Двоичной единице, или напряжению ВЫСОКОГО уровня, в точках А, В или F соответствует потенциал +5В относительно земли. Двоичный нуль, или напряжение НИЗКОГО уровня, в точках А, В или F соответствует потенциалу земли (точнее, близко к потенциалу земли, т.е. к нулю). Мы применяем здесь так называемую “положительную логику”, поскольку для получения двоичной единицы используется положительное напряжение +5В. При работе с цифровыми электронными устройствами мы чаще всего будем иметь дело с “положительной логикой”.