Лекции по "Информатике"

Связь между выходом z этой схемы  и входами x и y описывается соотношением: z = xЧy (читается как "x и y").

Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком “&” (читается как "амперсэнд"), являющимся сокращенной записью английского слова and.

С х е м а   ИЛИ

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений.

Когда хотя бы на одном входе схемы  ИЛИ будет единица, на её выходе также  будет единица.

Условное обозначение схемы  ИЛИ представлено на рис. 5.2. Знак “1” на схеме — от устаревшего обозначения дизъюнкции как ">=1" (т.е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x v y (читается как "x или y"). Таблица истинности — в табл. 5.2.

 
Рис. 5.2

Таблица 5.2

xyx v y000011101111С х е м а   НЕ

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом x этой схемы и выходом z можно записать соотношением z =, где читается как "не x" или "инверсия х".

Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, на выходе 0. Условное обозначение инвертора — на рисунке 5.3, а таблица истинности — в табл. 5.3.

 
Рис. 5.3

Таблица 5.3

x 0110С х е м а   И - НЕ

Схема И-НЕ состоит из элемента И  и инвертора и осуществляет отрицание  результата схемы И.

Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом:, где читается как "инверсия x и y".

Условное обозначение схемы  И-НЕ представлено на рисунке 5.4. Таблица  истинности схемы И-НЕ — в табл. 5.4.

 
Рис. 5.4

Таблица 5.4

xy001011101110С х е м а   ИЛИ - НЕ

Схема ИЛИ-НЕ состоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы ИЛИ.

Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом:, где, читается как "инверсия x или y". Условное обозначение схемы ИЛИ-НЕ представлено на рис. 5.5.

Таблица истинности схемы ИЛИ-НЕ — в табл. 5.5.

 
Рис. 5.5

Таблица 5.5

xy0010101001105.7. Что такое триггер?

Триггер — это электронная схема, широко применяемая в регистрах компьютера для надёжного запоминания одного разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует двоичной единице, а другое — двоичному нулю. Термин триггер происходит от английского слова trigger — защёлка, спусковой крючок. Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop, что в переводе означает “хлопанье”. Это звукоподражательное название электронной схемы указывает на её способность почти мгновенно переходить (“перебрасываться”) из одного электрического состояния в другое и наоборот.

Самый распространённый тип триггера — так называемый RS-триггер (S и R, соответственно, от английских set — установка, и reset — сброс). Условное обозначение триггера — на рис. 5.6.

 
Рис. 5.6

Он имеет два симметричных входа S и R и два симметричных выхода Q и, причем выходной сигнал Q является логическим отрицанием сигнала.

На каждый из двух входов S и R могут  подаваться входные сигналы в  виде кратковременных импульсов ().

Наличие импульса на входе будем  считать единицей, а его отсутствие — нулем.

На рис. 5.7 показана реализация триггера с помощью вентилей ИЛИ-НЕ и соответствующая таблица истинности.

 
Рис. 5.7

SRQ00запрещено0110100111хранение битаПроанализируем  возможные комбинации значений  входов R и S триггера, используя его  схему и таблицу истинности  схемы ИЛИ-НЕ (табл. 5.5).

Если на входы триггера подать S=“1”, R=“0”, то (независимо от состояния) на выходе Q верхнего вентиля появится “0”. После этого на входах нижнего  вентиля окажется R=“0”, Q=“0” и  выход станет равным “1”.

Точно так же при подаче “0”  на вход S и “1” на вход R на выходе появится “0”, а на Q — “1”.

Если на входы R и S подана логическая “1”, то состояние Q и не меняется.

Подача на оба входа R и S логического  “0” может привести к неоднозначному результату, поэтому эта комбинация входных сигналов запрещена.

Поскольку один триггер может запомнить  только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно, 8 • 2¹⁰ = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.

5.8. Что такое сумматор?

Сумматор — это электронная  логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел. Сумматор служит, прежде всего, центральным узлом арифметико-логического  устройства компьютера, однако он находит  применение также и в других устройствах машины.

Многоразрядный двоичный сумматор, предназначенный для сложения многоразрядных двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров, с рассмотрения которых мы и начнём. Условное обозначение одноразрядного сумматора на рис. 5.8.

 
Рис. 5.8

При сложении чисел A и B в одном i-ом разряде приходится иметь дело с тремя цифрами:

1. цифра a_i первого слагаемого;

2. цифра b_i второго слагаемого;

3. перенос p_i–1 из младшего разряда.

В результате сложения получаются две  цифры:

1. цифра c_i для суммы;

2. перенос p_i из данного разряда в старший.

Таким образом, одноразрядный двоичный сумматор есть устройство с тремя входами и двумя выходами, работа которого может быть описана следующей таблицей истинности:

ВходыВыходыПервое слагаемоеВторое слагаемоеПереносСуммаПеренос0000000110010100110110010101011100111111Если требуется складывать двоичные слова длиной два и более бит, то можно использовать последовательное соединение таких сумматоров, причём для двух соседних сумматоров выход переноса одного сумматора является входом для другого.

Например, схема вычисления суммы C = (с₃ c₂ c₁ c₀) двух двоичных трехразрядных чисел A = (a₂ a₁ a₀) и B = (b₂ b₁ b₀) может иметь вид:

 

5.9. Какие основные законы выполняются в алгебре логики?

В алгебре логики выполняются следующие  основные законы, позволяющие производить тождественные преобразования логических выражений:

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ

ЗаконДля   ИЛИДля   ИПереместительныйСочетательныйРаспределительныйПравила де МорганаИдемпотенцииПоглощенияСклеиванияОперация переменной с ее инверсиейОперация с константамиДвойного отрицания5.10. Как составить таблицу истинности?

Согласно определению, таблица истинности логической формулы выражает соответствие между всевозможными наборами значений переменных и значениями формулы.

Для формулы, которая содержит две  переменные, таких наборов значений переменных всего четыре: (0,0),   (0,1),   (1,0),   (1,1).

Если формула содержит три переменные, то возможных наборов значений переменных восемь:

(0,0,0),   (0,0,1),   (0,1,0),   (0,1,1),

(1,0,0),   (1,0,1),   (1,1,0),   (1,1,1).

Количество наборов для формулы  с четырьмя переменными равно  шестнадцати и т.д.

Удобной формой записи при нахождении значений формулы является таблица, содержащая кроме значений переменных и значений формулы также и значения промежуточных формул.

Примеры.

1. Составим таблицу истинности для формулы, которая содержит две переменные x и y. В первых двух столбцах таблицы запишем четыре возможных пары значений этих переменных, в последующих столбцах — значения промежуточных формул и в последнем столбце — значение формулы. В результате получим таблицу:

ПеременныеПромежуточные логические формулыФормула 00100111011110111000100111001001Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 1, то есть является тождественно истинной.

2. Таблица истинности для формулы:

ПеременныеПромежуточные логические формулыФормула0001100011000010101101110000Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 0, то есть является тождественно ложной.

3. Таблица истинности для формулы:

ПеременныеПромежуточные логические формулыФормула000110100001110111010001101011001111100110000101110000110010000111010000Из таблицы видно, что формула в некоторых случаях принимает значение 1, а в некоторых — 0, то есть является выполнимой.

5.11. Как упростить логическую  формулу?

Равносильные преобразования логических формул имеют то же назначение, что  и преобразования формул в обычной  алгебре. Они служат для упрощения  формул или приведения их к определённому  виду путем использования основных законов алгебры логики.

Под упрощением формулы, не содержащей операций импликации и эквиваленции, понимают равносильное преобразование, приводящее к формуле, которая либо содержит по сравнению с исходной меньшее число операций конъюнкции и дизъюнкции и не содержит отрицаний неэлементарных формул, либо содержит меньшее число вхождений переменных. Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), тогда как другие преобразования основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.).

Покажем на примерах некоторые приемы и способы, применяемые при упрощении логических формул:

1)    
(законы алгебры логики применяются в следующей последовательности: правило де Моргана, сочетательный закон, правило операций переменной с её инверсией и правило операций с константами);

2)    
(применяется правило де Моргана, выносится за скобки общий множитель, используется правило операций переменной с её инверсией);

3)    
(повторяется второй сомножитель, что разрешено законом идемпотенции; затем комбинируются два первых и два последних сомножителя и используется закон склеивания);

4)    
(вводится вспомогательный логический сомножитель (); затем комбинируются два крайних и два средних логических слагаемых и используется закон поглощения);

5)    
(сначала добиваемся, чтобы знак отрицания стоял только перед отдельными переменными, а не перед их комбинациями, для этого дважды применяем правило де Моргана; затем используем закон двойного отрицания);

6)    
(выносятся за скобки общие множители; применяется правило операций с константами);

7)    
(к отрицаниям неэлементарных формул применяется правило де Моргана; используются законы двойного отрицания и склеивания);

8)    
(общий множитель x выносится за скобки, комбинируются слагаемые в скобках — первое с третьим и второе с четвертым, к дизъюнкции применяется правило операции переменной с её инверсией);

9)    
(используются распределительный закон для дизъюнкции, правило операции переменной с ее инверсией, правило операций с константами, переместительный закон и распределительный закон для конъюнкции);

10)    
(используются правило де Моргана, закон двойного отрицания и закон поглощения).

Из этих примеров видно, что при  упрощении логических формул не всегда очевидно, какой из законов алгебры  логики следует применить на том  или ином шаге. Навыки приходят с опытом.

5.12. Что такое переключательная  схема?

В компьютерах и других автоматических устройствах широко применяются  электрические схемы, содержащие сотни  и тысячи переключательных элементов: реле, выключателей и т.п. Разработка таких схем весьма трудоёмкое дело. Оказалось, что здесь с успехом может быть использован аппарат алгебры логики.

Переключательная схема — это  схематическое изображение некоторого устройства, состоящего из переключателей и соединяющих их проводников, а также из входов и выходов, на которые подаётся и с которых снимается электрический сигнал. Каждый переключатель имеет только два состояния: замкнутое и разомкнутое. Переключателю Х поставим в соответствие логическую переменную х, которая принимает значение 1 в том и только в том случае, когда переключатель Х замкнут и схема проводит ток; если же переключатель разомкнут, то х равен нулю.

Будем считать, что два переключателя  Х и связаны таким образом, что когда Х замкнут, то разомкнут, и наоборот. Следовательно, если переключателю Х поставлена в соответствие логическая переменная х, то переключателю должна соответствовать переменная.

Всей переключательной схеме также  можно поставить в соответствие логическую переменную, равную единице, если схема проводит ток, и равную нулю — если не проводит. Эта переменная является функцией от переменных, соответствующих всем переключателям схемы, и называется функцией проводимости.

Найдем функции проводимости F некоторых  переключательных схем:

a)  

Схема не содержит переключателей и проводит ток всегда, следовательно F=1; 
 

б)  

Схема содержит один постоянно разомкнутый  контакт, следовательно F=0; 
 

в)  

Схема проводит ток, когда переключатель  х замкнут, и не проводит, когда  х разомкнут, следовательно, F(x) = x; 
 

г)  

Схема проводит ток, когда переключатель  х разомкнут, и не проводит, когда  х замкнут, следовательно, F(x) = ; 
 

д)  

Схема проводит ток, когда оба переключателя  замкнуты, следовательно, F(x) = xЧy; 
 

е)  

Схема проводит ток, когда хотя бы один из переключателей замкнут, следовательно, F(x)=x v y; 
 

ж)  

Схема состоит из двух параллельных ветвей и описывается функцией. 
 

Две схемы называются равносильными, если через одну из них проходит ток тогда и только тогда, когда он проходит через другую (при одном и том же входном сигнале).

Из двух равносильных схем более простой считается та схема, функция проводимости которой содержит меньшее число логических операций или переключателей. Задача нахождения среди равносильных схем наиболее простых является очень важной. Большой вклад в ее решение внесли российские учёные Ю.И. Журавлев, С.В. Яблонский и др.