Принципы минимизации

) по так называемым картам Карно.

Карты Карно — это другое графическое представление таблиц истинности. Структура таких карт для функции двух, трех и четырех переменных имеет вид:

Каждая клетка такой таблицы содержит значение логической функции x при фиксированном значении всех ее аргументов a 3 , a 2 , a 1 , a 0 т.е. Изображает одну из строчек таблицы истинности. Соответствующий аргумент считается истинным для данной клетки, если эта клетка входит в строки или столбцы, помеченные сбоку или снизу символом этого аргумента, в противном случае аргумент для данной клетки считается ложным. Сокращенную ДНФ записывают по прямоугольным группам смежных клеток карты содержащих единицу. Допустимое число клеток в группе равно 2 n , n=1,2,3,…

Правило записи сокращенной ДНФ аналогичны правилам записи ДСНФ и отличаются только тем, что в элементарных произведениях не указываются те аргументы, которые истинны лишь для половины клеток соответствующей группы.

Запишем, для примера, ДНФ в последующей карте Карно:

Сокращенная ДНФ для данного случая имеет вид:

При выделении прямоугольных групп клеток следует иметь в виду, что:

1. выделение групп часто неоднозначно, а, следовательно, неоднозначно и решение задачи синтеза;

2. группы должны быть как можно больше, а число групп как можно меньше;

3. группы могут пересекаться, т.е. иметь общие клетки

4. с точки зрения формирования прямоугольных групп, карты трех и четырех переменных следует считать трехмерными. Карму функции с тремя переменными следует рассматривать как цилиндр со склеенными правым и левым краями. Поэтому на плоском рисунке карты прямоугольные группы смежных клеток могут оказаться разорванными. Например:

В прямоугольной группе смежных клеток на нашем рисунке сокращенной ДНФ соответствует слагаемое.

Карту функций с четырьмя аргументами следует рассматривать как поверхность тора. Поэтому здесь следует считать склеенными не только правый и левый, но и верхний и нижний края карты. В этих условиях на карте функции четырех переменных тоже могут оказаться разорванные группы смежных клеток. Примеры таких разрывов иллюстрируют рисунки:

По карте Карно можно записать также и сокращенную КНФ . Она записывается по прямоугольным группам смежных клеток содержащих нули. Прямоугольные группы выделяются также как и при записи ДНФ . Правило записи сокращенной КНФ аналогичны правилам записи КСНФ и отличаются только тем, что в элементарных суммах не учитываются те аргументы, которые истинны лишь для половины клеток соответствующей группы.

Метод карт Карно широко используется в инженерной практике при решении задач с числом аргументов не более четырех.

В 1953 г. Морис Карно опубликовал статью о разработан­ной им системе графического представления и упрощения булевых выражений. Карта Карно показана на рисунке 1.8. Четыре квадрата (1, 2, 3, 4) соответствуют четырем воз­можным комбинациям A и B в таблице истинности с двумя переменными. При таком изображении квадрат 1 на карте Карно соответствует произведению , квадрат 2-про­изведению и т. Д.

Рисунок 1.8  Обозначение квадрантов на карте Карно

Предположим теперь, что нам надо составить карту Карно для логической задачи, проиллюстрированной на рисунке 1.7. Исходное булево выражение для удобства еще раз переписано на рисунке 1.9 а. Разме­стим логические единицы во всех квадратах, которым со­ответствуют произведения в исходном булевом выражении на рисунке 1.9 а.

Рисунок 1.9  Нанесение единиц на карту Карно

Заполненная таким образом карта Карно теперь готова для построения, и эта процедура демонстри­руется на рисунке 1.10. В соответствии с ней соседние единицы объединяются в один контур группами по две, четыре или восемь единиц. Построение контуров продолжается до тех пор, пока все единицы не окажутся внутри контуров. Каждый контур представляет собой новый член упрощенно­го булева выражения. Заметим, что на рисунке 1.10 у нас полу­чилось только два контура. Это означает, что новое, упро­щенное булево выражение будет состоять только из двух членов, связанных функцией ИЛИ.

Рисунок 1.10  Объединение единиц группами в один контур на карте Карно

Теперь упростим булево выражение, принимая во внима­ние два контура на рисунке 1.10, повторенные на рисунке 1.11. Взяв сначала нижний контур, замечаем, что А здесь встречается в комбинации с B и . В соответствии с правилами булевой алгебры B и дополняют друг друга и их можно опустить. Тогда в нижнем контуре остается один член А. Аналогично этому вертикально расположенный контур содержит A и , которые можно также опустить, оставив только В. Остав­шиеся в результате А и В затем объединяются функцией ИЛИ, что приводит к упрощенному булеву выражению А + В= Y.

Рисунок 1.11  Упрощение булевых выражений на основе карты Карно

Процедура упрощения булева выражения сложна лишь на первый взгляд. На самом деле после некоторой трени­ровки ее легко освоить, выполняя последовательно шесть шагов, указанных ниже:

Начните с булева выражения в дизъюнктивной нормаль­ной форме.

Нанесите единицы на карту Карно.

Объедините соседние единицы контурами, охватывающи­ми два или восемь квадратов.

Проведите упрощения, исключая члены, дополняющие друг друга внутри контура.

Объедините оставшиеся члены (по одному в каждом контуре) функцией ИЛИ.

Запишите полученное упрощенное булево выражение в дизъюнктивной нормальной форме.

1.5 Карты Карно с тремя переменными

Рассмотрим исходное булево выражение , приведенное на рисунке 1.12 а. Карта Карно для случая трех переменных показана на рисунке 1.12 б. Обратите внимание на то, что имеется во­семь возможных комбинаций переменных А, В и С , которые представлены восемью квадратами на карте. В них зане­сены четыре единицы, отображающие каждый из четырех членов исходного булева выражения. Заполненная карта Карно повторена на рисунке 1.12 в, где каждая группа из двух соседних единиц обведена контуром. Нижний контур содер­жит B и , вследствие чего B и можно опустить. После этого в составе нижнего контура сохраняются лишь A и , которые дают член . В верхний контур входят C и , поэтому C и опускаются, в результате чего остается толь­ко член . Булево выражение в дизъюнктивной нормаль­ной форме получается введением символа операции ИЛИ. Упрощенное булево выражение, записанное на рисунке 1.12 г, имеет вид = Y .

Рисунок 1.12  Упрощение булевых выражений на основе карты Карно

Карты Карио представляют собой специально организованные таблицы соответствия, на которых удобно осуществляются операции склеивания при упрощении функции на пути к минимальным формам. Столбчы и строки таблицы соответствуют всевозможным наборам значений переменных, причем эти наборы расположены в таком порядке, что каждый последующий отличается от предыдущего только одной из переменных. Благодаря этому соседнне ячейки по горизонтали и вертикали отличаются значением только одной переменной. Ячейки, расположенные по краям таблицы, также считаются соседними и обладают этим свойством. На рис. 2.1 показаны карты Карно для двух, трех и четырех переменных.

Каждому набору значений переменных по строкам и столбцам соответствует своя ячейка, расположенная на их пересечении. Она заполняется единицей, если на соответствующем наборе функция принимает единичное значение, или нулем при нулевом значении функции (нули обычно не вписываются, а оставляются пустые клетки). Таким образом, отмеченные ячейки соответствуют ыицтермам, а неотмеченные - макстермам канонических форм. Например, на рис. 2.2,а показана карта Карно для функцин, заданной таблицей соответствия из рассмотренного в § 2.7 примере.

Операции склеивания двух минтермов ранга исходной формулы соответствует на карте Карно объединение двух соседних ячеек, отмеченных единицами, и эта объединенная пара ячеек представляет собой результирующий минтерм ранга. Аналогично склеивание двух минтермов ранга в минтерм ранга представляется объединением соответствующих пар ячеек в прямоугольную группу из четырех соседних ячеек и т. д. Полное число ичеек в любой группе всегда выражается целой степенью двойки , где а и b - соответственно целые числа пар ячеек по горизонтали и вертикали, причем каждая такая группа отображает минтерм ранга и покрывает минтермов ранга исходной канонической формы. Так, на рис. показано сокращенное покрытие, импликанты которого образованы в результате склеивания минтермов функции, изображенной на рис. 2.2,а. На рис. показаны тупиковые покрытия рассматриваемой функции, причем покрытие на рис. 2.2,в является минимальным.

Считывание минтермов с карты Карно осуществляется последовательным рассмотрением групп ячеек. В минтерм входят только те переменные, которые сохраняют свои значения в данной группе, причем значениям 1 соответствует сама переменная, а значению 0 - ее отрицание. Переменные, которые принимают в данной группе различные значения (0 и 1), являются свободными и в данном минтерме отсутствуют. Примеры считывания минтермов с карт Карно для различного числа переменных показаны на рис. 2.3.

Любая совокупность групп ячеек, покрывающая все отмеченные ячейки, соответствует некоторой сумме минтермов различных рангов, которая равнозначна данной функции. Стремление к простейшей форме интуитивно понимается как поиск такого минимального покрытия, число групп в котором было бы поменьше, а сами группы были покрупнее. Действительно, чем меньше групп в покрытии, тем меньше минтермов в формуле, а при увеличении размеров группы соответственно понижается ранг минтерма, а значит, уменьшается количество содержащихся в нем переменных.

Практически для отыскания минимальною покрытия на карте Карно прежде всего выбирается отмеченная ячейка, входящая в такую наибольшую группу, которая покрывает любые другие возможные группы с этой ячейкой. После формирования этой наибольшей группы по тому же признаку выбираетси другая не покрытая ячейка и формируется ее наибольшая группа. Эгот процесс продолжается до тех пор, пока все отмеченные ячейки окажутся в тех или иных группах либо останутся только такие непокрытые ячейки, которые можно сгруппировать различными способами. Из возможных вариантов выбираются те, которые приводят к минимальным покрытиям.

Наглядность карт Карно позволяет решать задачи минимизации, не прибегая к промежуточным покрытиям - сокращенным и тупиковым формам, существенно упрощает этот процесс. К сожалению, возможности этого метода ограничиваются по существу функциями четырех переменных. При большем числе переменных приходится прибегать к различным ухищрениям и основное преимущество - наглядность теряется. Тем не менее этот метод еще используется в инженерной практике для пяти, шести, а иногда и большего числа переменных, что требует увеличения количества карт Карно. Так, при пяти переменных используются две карты, одна которых соответствует инверсии пятой - переменной, а другая - этой же переменной без инверсии, причем они размечаются либо одинаково и сравниваются наложением (рис. 2.4,а), либо симметрично и сравниваются ошосительно оси симметрии (рис. ). Для упрощения разметки строки и столбцы, соответствующие значениям 1 для иекоюрой переменной, выделяются фигурной скобкой. Теперь смежными считаются и такие ячейки, которые занимают на картах одинаковые или симметричные области (в зависимости от способа разметки).

В качестве примера на рис. 2.4 показана функция, заданная таблицей соответствия:

Сначала строятся простейшие покрытия на каждой карте раздельно, с которых списываются две функции: для левой карты и для правой карты .

Затем ищутся такие импликанты в этих функциях, которые различаются только вхождением и их можно объгдннить. В данном случае это (соответствующие им группы ячеек, обведенные жирной линией на рис. 2.4, а, совпадают при наложении, а на рис. 2.4, б они расположены симметрично), в результате объединения которых получается иыпликанта . Наконец, можно также дополнять одну из карт несущественными нмпликантами, которые можно считать соседними имплшеантам другой карты и, объединяя их между собой, упрощать результирующее выражение. Так, в левую карту можно добавить импликанту (на рис. 2.4 она показана пунктиром), которая, объединяясь с имплнкантой правой карты , дает . Окончательное выражение получаем как сумму с учетом выполненных преобразований:

Для функций шести переменных потребовалось бы четыре карты Карно, а с каждой новой переменной количество требуемых карт увеличивается вдвое и, например, для восьми переменных уже равно 16. В практике используются и другие графические структуры, например, карты Вейча, которые отличаются только способом разметки переменных. Ясно, что графические методы пригодны для минимизации вручную сравнительно простых функций.

В то же время машинные методы анализа и проектирования логических схем основаны на формальном алгоритме Квайиа-Мак-Класки и его разновидностях.

Для получения минимальной формы инверсии функции необходимо найти на карте Карно минимальное покрытие совокупности нулевых ячеек и описать соответствующую формулу по указанному выше правилу. Так, для функции на рис. имеются два таких покрытия (рис. 2.5), отличающихся только одной импликантой. Если требуется найти минимальную форму как произведения макстермов, то в соответствии с изложенным в § 2.4 правилом достаточно в выражении для инверсной функции заменить все логические операции на дуальные, а вхождения переменных - на инверсные: . Эти же формы можно записать на основе принципа дуальности непосредственно по минимальным покрытиям нулевых ячеек карты Карно. Для этого достаточно каждую группу ячеек идентифицировать как сумму переменных при инверсной разметке карты Карно, т. е. считая отмеченные значения переменных нулевыми.

Логика работы цифрового устройства описывается таблицей истинности, в которой показывается, какие логические уровни будут присутствовать на выходе цифровой схемы при заданных логических уровнях на входе этой схемы. Для того чтобы синтезировать схему с заданной логикой работы необходимо составить булево уравнение (в случаи если у схемы предполагается один выход) или систему уравнений (в случаи если выходов у схемы больше одного). Рассмотрим два способа составления уравнений из таблицы истинности: прямым и методом карт Карно.

Способ первый: составление уравнений из таблицы истинности прямым способом.

При составлении булевых уравнений прямым способом нужно учитывать, что получившиеся уравнения могут быть не минимально возможными.

Выделим алгоритм составления уравнения по таблице истинности:

• 1. Выделим те строки, в которых функция принимает истинное значение;
• 2. Составим для этих строк минтермы операндов;
• 3. Соединим минтермы при помощи операции дизъюнкции.

Рассмотрим пример.

Составим уравнение для устройства, имеющего один выход y, три входа x 0 , x 1 , x 2 . Логика работы устройства описана в таблицы 8.

Таблица 8 - Описание работы устройства

Составим функцию для строки три. В этой строке x 0 и x 2 принимают ложные значения, x 1 принимает истинное значение. Соединим эти операнды при помощи конъюнкции (элемент И):

Такая функции (принимающая истинное значения), в которую входит конъюнкция переменных или их отрицания называется минтермом.

Составим минтерм для строки пять:

Так как имеется два минтерма, соединим их при помощи дизъюнкции (элемент ИЛИ):

Что и будет уравнением устройства описанной таблицей истинности 8.

Выделим алгоритм составления системы уравнений по таблице истинности:

• 1. Определим количество выходов, следовательно, и количество уравнений в системе;
• 2. Для каждого из выходов составим уравнение:
• 2.1 Выделяем те строки, в которых функция принимает истинное значение;
• 2.2 Составлим для этих строк минтермы операндов;
• 2.3 Если минтермов больше одного, то соединим минтермы при помощи операции дизъюнкции.
• 3. Объединим полученные уравнения в систему.

Рассмотрим пример.

Пусть заданно устройство, логика работы которого описана в таблице 10. У устройства имеется два входа x 0 и x 1 , и два выхода y 1 , y 0 . Так как задано два выхода уравнения для каждого из выходов будут составляться отдельно. Составим систему уравнений, состоящую из двух уравнений.

Таблица 10 - Описание работы устройства

Выделим строки, в которых y 0 принимает истинные значения. y 0 принимает истинное значение только в одной строке, а именно в четвертой строке. Составим уравнение для y 0:

Выделим строки, в которых y 1 принимает истинные значения. Здесь имеется две строки: вторая и пятая. Для второй строки минтерм будет иметь вид. Для пятой. Объединим их с помощью операции ИЛИ, тем самым составив уравнение для y 1:

Остается составить систему уравнений, описывающую заданное устройство:

Способ второй: составление уравнений из таблицы истинности методом карт Карно.

Карты Карно представляет собой видоизмененную таблицу истинности, который позволяет минимизировать булевы функции. Это значит, что по сравнению с составлением булевых уравнений из не видоизмененной таблицы истинности, уравнения, полученные методом минимизации карт Карно, будут содержать меньше операций над операндами. Отметим, что последние утверждение не всегда верно, так как булева функция, полученная напрямую из таблицы истинности, может иметь минимально возможную форму.

Здесь не будет приводиться подробный алгоритм составления карт Карно для разного числа операндов, ограничимся рассмотрением примеров составления уравнений посредствам карт Карно для таблиц истинности, содержащих два, три, четыре операнда.

Перед тем как привести примеры, отметим основные положения, которыми будем руководствоваться при объединении областей (групп):

• 1. Область, которая подвергается объединению, должна состоять из логических единиц, при этом объединению подлежат только прямоугольные области, содержащие число логических единиц 2 n (т.е. 2 клетки, 4 клетки и т.д.).
• 2. Клетки, находящиеся на границе карты, граничат между собой, и могут быть объединены.
• 3. Все единицы должны быть объединены в какую-либо область, причем количество областей должно быть минимальным.
• 4. Одна ячейка может быть включена в разные области.

Названные положения касаются только случая объединения областей, состоящих из логических единиц.

Уравнение составляется следующим образом: в конъюнкцию области входит только те операнды, которые не меняют свои состояния на противоположные в пределах области. В случае если областей больше одного, между конъюнкциями областей ставятся дизъюнкции.

Система уравнений строится по тем же принципам, но карты Карно должны быть построены для каждого из выходов по отдельности.

Пример 1. Составим уравнение содержащих два операнда (или их инверсию) по таблице истинности 11 посредствам карт Карно.

Таблица 11 - Карта Карно для двух операндов

Составим карту Карно, для этого преобразуем таблицу истинности к виду, показанному на рисунке 18.

Рис. 18.

Здесь, горизонтальная часть отводится операнду x 1 , которое принимает значение 0 и 1 (). Вертикальной части таблицы аналогично соответствует x 0 .

Выделим те строки таблицы истинности 11, где y принимает значение логической единицы: строки два и три. Заметим, что во второй строке x 0 и x 1 принимает значение 00 (), в третьей строке x 0 и x 1 принимает значение 10 ().

Проставим в карте Карно 18 на пересечениях x 0 x 1 единицы в тех местах, где и (рис. 19).

Рис. 19.

Выделим область согласно положениям объединения областей (Рис. 20).

Рис. 20.

Получена одна область, составим уравнение. Операнд меняет в области свое значение на инверсию. Неинвертированный операнд x 1 не входит в область. Единственный операнд, который не меняет своего значения в полученной области - . Тогда уравнение примет вид:

Заметим, что если составлять уравнение из таблицы 10 прямым способом, то получилось бы не минимизированное уравнение:

которое можно преобразовать к минимально возможной форме путем применения аксиом и свойств алгебры логики.

Пример 2. Составим уравнение содержащих три операнда (или их инверсию) по таблице истинности 12 посредствам карт Карно.

Таблица 12 - Карта Карно для трёх операндов

Составим карту Карно дл трех операндов (рис. 21).

Рис. 21.

Для трех операндов горизонтальная часть соответствует операндам x 1 x 2 , которые принимают значение 00, 01, 11, 10. Важно отметить, что порядок 00, 01, 11, 10 должен соблюдаться в точности, изменения его на другой порядок не допускается. Вертикальной части таблицы соответствует операнд x 0 , принимающей значение 1 и 0).

Заполним карту Карно. Аналогично предыдущему примеру: выделим строки в таблице истинности 12, где y принимает истинное значение (вторая, третья, четвертая, седьмая строки). Проставим единицы в те ячейки карты Карно, которые соответствуют значениям операндов в этих строках (рис. 22).

Рис. 22.

Выделим области согласно положениям объединения областей (Рис. 23).

Рис. 23.

Выделено две области. В первой области полностью находится операнды и, объединим их конъюнкцией. Во второй области не меняют своего значения операнды, объединим их в конъюнкцию. Так как есть две области, объединим конъюнкции областей операцией дизъюнкции, тем самым составив конечное уравнение:

Пример 4. Составим уравнение содержащих четыре операнда (или их инверсию) по таблице истинности 13 посредствам карт Карно.

Таблица 13 - Карта Карно для четырех операндов

Инструкция . При вводе с клавиатуры используйте следующие обозначения:

Правила ввода логической функции

1. Вместо символа v (дизъюнкция, ИЛИ) используйте знак + .
2. Перед логической функцией не надо указывать обозначение функции. Например, вместо F(x,y)=(x|y)=(x^y) необходимо ввести просто (x|y)=(x^y) .
3. Максимальное количество переменных равно 10 .

Проектирование и анализ логических схем ЭВМ ведётся с помощью специального раздела математики - алгебры логики. В алгебре логики можно выделить три основные логические функции: "НЕ" (отрицание), "И" (конъюнкция), "ИЛИ" (дизъюнкция).
Для создания любого логического устройства необходимо определить зависимость каждой из выходных переменных от действующих входных переменных такая зависимость называется переключательной функцией или функцией алгебры логики.
Функция алгебры логики называется полностью определённой если заданы все 2 n её значения, где n – число выходных переменных.
Если определены не все значения, функция называется частично определённой.
Устройство называется логическим, если его состояние описывается с помощью функции алгебры логики.
Для представления функции алгебры логики используется следующие способы:
По алгебраической форме можно построить схему логического устройства, используя логические элементы.


Рисунок1- Схема логического устройства

Все операции алгебры логики определяются таблицами истинности значений. Таблица истинности определяет результат выполнения операции для всех возможны х логических значений исходных высказываний. Количество вариантов, отражающих результат применения операций, будет зависеть от количества высказываний в логическом выражении. Если число высказываний в логическом выражении N, то таблица истинности будет содержать 2 N строк, так как существует 2 N различных комбинаций возможных значений аргументов.

Операция НЕ - логическое отрицание (инверсия)

• если исходное выражение истинно, то результат его отрицания будет ложным;
• если исходное выражение ложно, то результат его отрицания будет истинным.

Операция ИЛИ - логическое сложение (дизъюнкция, объединение)

Операция И - логическое умножение (конъюнкция)

Операция «ЕСЛИ-ТО» - логическое следование (импликация)

Операция «А тогда и только тогда, когда В» (эквивалентность, равнозначность)

Операция «Сложение по модулю 2» (XOR, исключающее или, строгая дизъюнкция)

Приоритет логических операций

• Действия в скобках
• Инверсия
• Конъюнкция (&)
• Дизъюнкция (V), Исключающее ИЛИ (XOR), сумма по модулю 2
• Импликация (→)
• Эквивалентность (↔)

Совершенная дизъюнктивная нормальная форма

1. Каждое логическое слагаемое формулы содержит все переменные, входящие в функцию F(x 1 ,x 2 ,...x n).
2. Все логические слагаемые формулы различны.
3. Ни одно логическое слагаемое не содержит переменную и её отрицание.
4. Ни одно логическое слагаемое формулы не содержит одну и ту же переменную дважды.

Совершенная конъюнктивная нормальная форма

1. Все элементарные дизъюнкции содержат все переменные, входящие в функцию F(x 1 ,x 2 ,...x n).
2. Все элементарные дизъюнкции различны.
3. Каждая элементарная дизъюнкция содержит переменную один раз.
4. Ни одна элементарная дизъюнкция не содержит переменную и её отрицание.