Способ минимизации логических функций

Минимизация логических функций

Минимизация логических функций

Преобразование логических функций с целью упрощения их аналитического представления называются минимизацией.

Понятие «упрощение» требует определенных договоренностей, что под этим будет пониматься. Упрощение можно рассматривать с точки зрения числа переменных в получаемоq эквивалентной функции, уменьшения количества отрицаний в результирующем выражении, более простой схемотехнической реализации при переводе получающейся ФАЛ на уровень интегральных микросхем и так далее.

Мы будем считать, что дизъюнктивная или конъюнктивная нормальная форма являются минимальными, если они содержат наименьшее суммарное число переменных среди всех ДНФ или КНФ, эквивалентных ей. При этом количество отрицаний над переменными учитывать не будем.

Методы минимизации можно разделить на несколько типов:

1. Метод непосредственных преобразований логических функций.
2. Метод неопределенных коэффициентов.

Аналитические методы (метод Квайна1 1 Квайн, Уиллард Ван Орман — американский философ, логик и математик , метод Квайна – Мак-Класки).

Рассмотрим их более подробно. Рассмотрение будем проводить на основе дизъюнктивных нормальных форм. Для КНФ теоретические рассуждения будут аналогичными.

В то же время, иллюстрировать соответствующие положения будем как на примерах дизъюнктивны, так и конъюнктивных форм.

Если некоторая логическая функция равна нулю на тех же наборах, на которых равняется нулю другая функция f, то говорят, что функция входит в функцию f. Другими словами, функция входит в функцию f тогда, когда она накрывает нулями все нули функции f, а единицы функции f могут быть накрыты как нулями, так и единицами функции .

Очевидно, что ФАЛ «Константа ноль» входит во все функции, а в ФАЛ «Константу единица» входят все функции.

Функцию , входящую в данную функцию f, называют ее импликантой.

Простыми (первичными) импликантами (имплицентами для КНФ) логической функции f называют такие элементарные произведения или элементарные суммы (для имплицент), которые сами входят в данную функцию, но никакая собственная частьэтих произведений (сумм) не входит в функцию f.

Собственной частью называют произведение, полученное путем исключения из данного произведения одного или нескольких сомножителей.

Примеры этих определений показаны в Табл. 3.1.

Источник

Схемотехника. Минимизация логических функций

Зачем это нужно?

Сложность логической функции, а отсюда сложность и стоимость реализующей ее схемы (цепи), пропорциональны числу логических операций и числу вхождений переменных или их отрицаний. В принципе любая логическая функция может быть упрощена непосредственно с помощью аксиом и теорем логики, но, как правило, такие преобразования требуют громоздких выкладок.

К тому же процесс упрощения булевых выражений не является алгоритмическим. Поэтому более целесообразно использовать специальные алгоритмические методы минимизации, позволяющие проводить упрощение функции более просто, быстро и безошибочно. К таким методам относятся, например, метод Квайна, метод карт Карно, метод испытания импликант, метод импликантных матриц, метод Квайна-Мак-Класки и др. Эти методы наиболее пригодны для обычной практики, особенно минимизация логической функции с использованием карт Карно. Метод карт Карно сохраняет наглядность при числе переменных не более шести. В тех случаях, когда число аргументов больше шести, обычно используют метод Квайна-Мак-Класки.

В процессе минимизации той или иной логической функции, обычно учитывается, в каком базисе эффективнее будет реализовать ее минимальную форму при помощи электронных схем.

Минимизация логических функций при помощи карт Карно

Карта Карно — 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.

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:

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 2N 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:

В случае функции трёх переменных приходится иметь дело с трёхмерным кубом. Это сложнее и менее наглядно, но технически возможно. На рисунке в качестве примера показана таблица истинности для булевой функции трёх переменных и соответствующий ей куб.

Как видно из рисунка, для трёхмерного случая возможны более сложные конфигурации термов. Например, четыре терма, принадлежащие одной грани куба, объединяются в один терм с поглощением двух переменных:

В общем случае можно сказать, что 2K термов, принадлежащие одной K–мерной грани гиперкуба, склеиваются в один терм, при этом поглощаются K переменных.

Для упрощения работы с булевыми функциями большого числа переменных был предложен следующий удобный приём. Куб, представляющий собой структуру термов, разворачивается на плоскость как показано на рисунке. Таким образом появляется возможность представлять булевы функции с числом переменных больше двух в виде плоской таблицы. При этом следует помнить, что порядок кодов термов в таблице (00 01 11 10) не соответствует порядку следования двоичных чисел, а клетки, находящиеся в крайних столбцах таблицы, соседствуют между собой.

Аналогичным образом можно работать с функциями четырёх, пяти и более переменных. Примеры таблиц для N=4 и N=5 приведены на рисунке. Для этих таблиц следует помнить, что соседними являются клетки, находящиеся в соответственных клетках крайних столбцов и соответственных клетках верхней и нижней строки. Для таблиц 5 и более переменных нужно учитывать также, что квадраты 4х4 виртуально находятся друг над другом в третьем измерении, поэтому соответственные клетки двух соседних квадратов 4х4 являются сосоедними, и соответствующие им термы можно склеивать.

Карта Карно может быть составлена для любого количества переменных, однако удобно работать при количестве переменных не более пяти. По сути Карта Карно — это таблица истинности составленная в 2-х мерном виде. Благодаря использованию кода Грея в ней верхняя строка является соседней с нижней, а правый столбец соседний с левым, т.о. вся Карта Карно сворачивается в фигуру тор (бублик). На пересечении строки и столбца проставляется соответствующее значение из таблицы истинности. После того как Карта заполнена, можно приступать к минимизации.

Если необходимо получить минимальную ДНФ, то в Карте рассматриваем только те клетки которые содержат единицы, если нужна КНФ, то рассматриваем те клетки которые содержат нули. Сама минимизация производится по следующим правилам (на примере ДНФ):

1. Объединяем смежные клетки содержащие единицы в область, так чтобы одна область содержала 2 n (n целое число = 0…) клеток(помним про то что крайние строки и столбцы являются соседними между собой), в области не должно находиться клеток содержащих нули;
2. Область должна располагаться симметрично оси(ей) (оси располагаются через каждые четыре клетки);
3. Не смежные области расположенные симметрично оси(ей) могут объединяться в одну;
4. Область должна быть как можно больше, а кол-во областей как можно меньше;
5. Области могут пересекаться;
6. Возможно несколько вариантов накрытия.

Далее берём первую область и смотрим какие переменные не меняются в пределах этой области, выписываем конъюнкцию этих переменных, если неменяющаяся переменная нулевая, проставляем над ней инверсию. Берём следующую область, выполняем то же самое что и для первой, и т. д. для всех областей. Конъюнкции областей объединяем дизъюнкцией.
Например(для Карт на 2-ве переменные):

Источник

Минимизация логических схем

Составление логических выражений по таблице истинности

Каноническая сумма минтермов

Минтерм — это полное произведение всех входных переменных, соответствующее одной строке таблицы истинности, в которой значение выходной переменной (значение функции) равно логической 1. Переменная входит в минтерм с инверсией, если ее значение в данной строке таблицы равно 0, и без инверсии, если ее значение в данной строке таблицы равно 1.

Каноническая сумма минтермов — это логическая сумма всех минтермов, которая представляет собой максимальное логическое выражение, соответствующее таблице истинности.Она составляется в следующей последовательности:

1. В заданной таблице истинности подсчитывается — количество строк таблицы, в которой значение функции равно 1.
2. Затем записывается логическая сумма полных произведений.
3. Далее в каждом произведении расставляются инверсии над переменными в соответствии с их значением в строке таблицы.

Для примера, представленного на рис. 1.6, каноническая сумма минтермов будет выглядеть так:

( 2.1)

Из сравнения (1.1) и (2.1) видно, что одной и той же таблице истинности (рис. 1.6,б) соответствуют два разных логических выражения, причем (1.1) записывается более компактно, но возможности минимизации для него еще есть. Следовательно, есть возможность минимизировать и логическую схему, представленную на рис. 1.6, a.

Минимизация логических выражений может осуществляться с помощью различных методов на основе правил булевой алгебры, в частности, диаграммы Вейча , диаграммы Венна и табличным методом, но наиболее простым и наглядным является графический способ минимизации с помощью карт Карно, опубликованный в 1953 г. Морисом Карно.

Минимизация с помощью карт Карно

Карта Карно — графическое представление таблицы истинности. Каждой клетке карты Карно соответствует строка таблицы истинности. По осям карты расставляются сочетания переменных, а внутри карты — значения функции.

Назначение карты Карно — найти логические суммы прямого и инверсного значения переменных. Для любой переменной, например, , такая сумма равна при любом значении : при это будет , при это . Поэтому при вынесении за скобки в выражении:

— сумму можно отбросить, при этом результат выражения не изменится. В этом и заключается минимизация логических выражений с помощью карт Карно. Для достижения поставленной цели минимизации нужно соблюдать правила разметки осей карты:

1. Вертикальная ось размечается независимо от горизонтальной.
2. Начинать разметку можно с любого сочетания переменных.
3. Все сочетания переменных должны быть перечислены.
4. Для соседних клеток карты сочетание переменных должно отличаться не более чем одним знаком, причем соседними являются крайние клетки строки (столбца).

Для функции двух переменных карта Карно — это квадрат 2×2 клетки. В этих клетках размещаются 4 значения функции из последнего столбца таблицы истинности (рис. 2.2).

Для функции трех переменных карта Карно — это прямоугольник 2×4 или 4×2 клетки. В этих клетках размещаются 8 значений функции из последнего столбца таблицы истинности (рис. 2.3). При разметке большей из осей нужно четко придерживаться последнего, четвертого правила разметки и следить за тем, чтобы соседними не оказались сочетания и , либо и , в которых одновременно меняются обе переменные.

Для функции четырех переменных карта Карно — это квадрат 4×4 клетки. В этих клетках размещаются 16 значений функции из последнего столбца таблицы истинности (рис. 2.4). При разметке обеих осей нужно также четко придерживаться последнего, четвертого правила разметки и следить за тем, чтобы по одной оси соседними не оказались сочетания и , либо и , в которых одновременно меняются обе переменные.

Для функции пяти переменных карта Карно представляет собой уже объемную фигуру — куб 4x4x4 клетки, поэтому для минимизации логических выражений она не применяется.

В конкретных случаях вместо значений функций в общем виде в клетки карты проставляются конкретные значения (логические 0 и 1) из соответствующих строк таблицы истинности. Затем рассматриваются только те клетки, которые заполнены единицами. Все эти единицы должны быть обведены контурами по следующим правилам составления контуров:

1. Контуры должны быть прямоугольными и содержать количество единиц, равное , где — целое число. Таким образом, в контуре может быть либо одна, либо две, либо четыре, либо восемь единиц.
2. Количество единиц в контуре должно быть максимальным, при этом контуры могут пересекаться между собой. Нужно учитывать, что крайние строки являются соседними и крайние столбцы также являются соседними, поэтому контуры могут быть «разорванными».
3. Количество контуров должно быть минимальным, но все единицы должны быть охвачены контурами. Нельзя забывать об отдельно стоящих единицах. Каждая такая единица — это контур, которому соответствует полное логическое произведение всех переменных.

После обведения контуров нужно записать минимальное выражение как логическую сумму логических произведений. Каждому произведению соответствует один контур карты Карно. В произведение входят только те переменные, которые остаются в данном контуре неизменными.При этом переменная входит в произведение с инверсией, если ее значение в данном контуре равно 0, и без инверсии, если ее значение равно 1.

Пример 1. Написать минимальное выражение для таблицы истинности, представленной на рис. 2.5,а и нарисовать по нему логическую схему.

При одном варианте разметки осей (рис. 2.5,б) первый контур, состоящий из четырех единиц, получается разорванным. Если же принять разметку, показанную на рис. 2.5,в, то контур будет иметь нормальные очертания, а выражение, ему соответствующее, останется без изменений. Учитывая, что при данном горизонтальном начертании карты Карно крайние столбцы являются соседними, ее можно представить себе как цилиндр, развернутый на плоскости. На рис. 2.5,б представлена развертка такого цилиндра, «разрезанная» между комбинациями , равными и . А на рис. 2.5,в представлена развертка этого же цилиндра, «разрезанная» между произведениями , равными и .

Первый контур охватывает четыре единицы, ему соответствует сумма минтермов: , в которой не изменяется только переменная . Второй контур охватывает две единицы. Ему соответствует сумма минтермов , в которой переменная принимает оба возможных значения, а произведение остается неизменным. Таким образом, получаем минимальное выражение:

( 2.2)

Ему соответствует логическая схема на рис. 2.5,г.

Для сравнения запишем максимальное выражение:

( 2.3)

Разница между (2.2) и (2.3) очевидна и в комментариях не нуждается, за исключением того, что схема, реализованная по (2.3), будет на порядок сложнее и, соответственно, менее надежна, чем схема, показанная на рис. 2.5,г.

Пример 2. Написать минимальное выражение для таблицы истинности, представленной на рис. 2.6,а, и нарисовать по нему логическую схему.

При первоначально выбранной разметке осей (рис. 2.6,б) первый контур, состоящий из четырех единиц с номерами 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4, расположенных по углам карты, получается разорванным. Если же принять разметку, показанную на рис. 2.7, то контур будет иметь очертания квадрата, а выражение, ему соответствующее, останется без изменений. Учитывая, что крайние столбцы являются соседними и крайние строки являются соседними, карту Карно для функции четырех переменных можно представить себе как торроид, развернутый на плоскости. Проще представить себе обратный процесс получения торроида из плоской фигуры — квадрата. Для этого надо сначала соединить мысленно крайние строки — получим цилиндр. После этого основания цилиндров надо мысленно соединить. Получится торроид. На рис. 2.6,б представлена развертка такого торроида, «разрезанная» между комбинациями , равными и и между сочетаниями , равными и . А на рис. 2.7 представлена развертка этого же торроида, «разрезанная» между комбинациями , равными и и между произведениями , равными и . После анализа контуров получим минимальное выражение . Соответствующая ему схема приведена на рис. 2.8.

Источник