Autronica LEZIONE N° 14 ALGEBRA BOOLEANA • • • • • • • • • • • • Postulati Principio di dualità Teoremi fondamentali insieme funzionalmente completo NAND e NOR Funzione XOR Reti logiche combinatorie e sequenziali Simboli Concetto di ciclo Concetto di minimizzazione (funzione costo) Realizzazioni diverse della stessa funzione Half Adder e Full Adder Sommatori di due word di n bit AUTRONICA 14.1 Richiami • • • • • • Insieme di elementi Variabili, costanti Insieme di operazioni Insieme di postulati Espressioni algebriche Tabella di verità AUTRONICA 14.2 Postulati di HUNTINGTON Algebra Booleana Almeno due elementi distinti 1a 2a Somma logica () x0 x Prodotto logico () 1b Elementi Identità 2b x 1 x Proprietà Commutativ a 3a x y yx 3b x y yx Propèrietà Distributi va 4a x y z x y x z 4b x y z x y x z Complement azione 5a x x 1 5b AUTRONICA xx 0 14.3 Osservazioni • Alcune proprietà dell’algebra booleana sono vere anche nell’algebra normalmente usata: – Proprietà commutativa – Proprietà distributiva del prodotto logico • Altre proprietà non sono vere : – Proprietà distributiva della somma logica • L’operazione complemento logico esiste solo nell’algebra booleana • La sottrazione e la divisione non esistono nell’algebra booleana AUTRONICA 14.4 Principio di DUALITÀ • Da un’osservazione dei postulati precedenti si osserva che quelli “b” si ottengono da “a” – Scambiando i due operatori binari fra loro, (+) con () e () con (+) – Scambiando fra loro i due elementi identità, 1 con 0 e 0 con 1 AUTRONICA 14.5 TEOREMI FONDAMENTALI • Tecniche di dimostrazione dei teoremi – Impiego dei postulati fondamentali – Uso di teoremi precedentemente dimostrati – Dimostrazione per assurdo • (si ipotizza verificata l’ipotesi opposta a quella desiderata e si conclude che non è possibile che sia vera) – Dimostrazione per induzione • (se una ipotesi è vera per k variabili e per k+1 variabili allora è vera per qualunque n) AUTRONICA 14.6 Osservazione • La tabella di verità consente di provare la veridicità di una relazione logica, poiché verifica se la relazione è vera per TUTTE le possibili combinazioni dei valori delle variabili • Tale metodo prende il nome di • Metodo dell’INDUZIONE PERFETTE AUTRONICA 14.7 TEOREMI • 1a x 1 1 2a x x 3b 4b x x x x x y x 5a x xy x y 6a x y z x y z x y z 5b 6b x x y xy xyz xyz xyz 7a xy xz yz xy xz 7b x y x z y z x y x z 3a 4a 8a xx x x xy x x0 0 1b x y x y 8b AUTRONICA x y x y 14.8 Esempio di dimostrazione • Teorema di De Morgan (8a e 8b) 8a x y x y 8b x y x y x y x y x+y (x + y) x·y 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 AUTRONICA c.v.d. 14.9 Osservazioni 1. I teoremi di destra si possono ottenere da quelli di sinistra scambiando OR con AND e “0” con “1” 2. Principio di dualità 3. Molti dei teoremi visti sono veri anche nell’algebra che conosciamo 4. Particolarmente significativi sono i teoremi di De Morgan e la proprietà distributiva 5. Molti teoremi, in particolare quelli di De Morgan, sono veri anche per “n” variabili AUTRONICA 14.10 Esempio 1 • Semplificare la seguente espressione: x z x z y z • In base ai teoremi visti si ha: x z x z y z x z z y z x 0 y z x y z 1a x 1 1 2a 3a 4a x0 0 1b xx x x xy x 5a x xy x y 6a x y z x y z x x 1a 2a 3a xx x x x y x 3b 4b 5a 7a xy xz yz xy xz 7b x y x z y z x y x z 8a x y x y 8b x y x y Somma logica () x0 x x y yx 4a x y z x y x z 5b x x y xy 6b xyz xyz xyz x x 1 P 4b P 5b P 2a 1b Prodotto logico () 2b 3b x 1 x x y y x 4b 5b x y z x y x z x x 0 AUTRONICA 14.11 Esempio 1’ • Per altra via; posto: • si ha: T xz x z x z y z x z T y z T x T z y z xx xz z x z z y z x xz z x z z y z x 0 y z x y z 1a x 1 1 3a 4a xx x x xy x 5a x xy x y 6a x y z x y z x x 1a xx x x x y x 3b 4b 5b x x y xy 6b xyz xyz xyz 2a 3a x y x y 8b x y x y Somma logica () x0 x x y yx 4a x y z x y x z 7a xy xz yz xy xz 7b x y x z y z x y x z 8a x0 0 1b 2a P 4b P 4a P 3b 5a x x 1 AUTRONICA 1b Prodotto logico () 2b 3b x 1 x x y y x 4b 5b x y z x y x z x x 0 14.12 Premessa 1 • Osservazioni – le funzioni AND, OR e NOT costituiscono un insieme funzionalmente completo di operatori logici – In base al teorema di De Morgan si ha: x y x y – ovvero la funzione OR si può realizzare con le funzioni AND e NOT quindi: – le funzioni AND e NOT costituiscono un insieme funzionalmente completo di operatori logici AUTRONICA 14.13 Premessa 2 • Osservazioni – Sempre in base al teorema di De Morgan si ha: x y x y – ovvero la funzione AND si può realizzare con le funzioni OR e NOT quindi – le funzioni OR e NOT costituiscono un insieme funzionalmente completo di operatori logici – le funzioni OR e AND non costituiscono un insieme funzionalmente completo di operatori logici perché non è possibile realizzare la funzione NOT AUTRONICA 14.14 Definizione • Le funzioni NAND e NOR sono definite dalle seguenti tabelle di verità x 0 0 1 1 y 0 1 0 1 u 1 1 1 0 x 0 0 1 1 NAND u x y y 0 1 0 1 u 1 0 0 0 NOR u x y AUTRONICA 14.15 Osservazioni • • NAND e NOR sono contrazioni di NOT-AND e NOT-OR la funzione NAND costituisce un insieme funzionalmente completo di operatori logici x x x • x y x y la funzione NOR costituisce un insieme funzionalmente completo di operatori logici x x x x y x y AUTRONICA 14.16 Funzioni “complesse” 1 • L’operatore “XOR”, OR ESCLUSIVO è: • Definizione x y x 0 0 1 1 y 0 1 0 1 u 0 1 1 0 x y x y x y x y x y x y x y AUTRONICA 14.17 Funzioni “complesse” 2 • L’operatore “XNOR”, NOR ESCLUSIVO è: • Definizione x y x 0 0 y 0 1 u 1 0 1 1 0 1 0 1 x y x y x y x y x y AUTRONICA 14.18 Reti Logiche • Sistema elettronico che ha in ingresso segnali digitali e fornisce in uscita segnali digitali secondo leggi descrivibili con l’algebra Booleana a b n R. L. x y w • R.L. è unidirezionale AUTRONICA 14.19 Tipi di reti • Reti COMBINATORIE • In qualunque istante le uscite sono funzione del valore che gli ingressi hanno in quell’istante • Il comportamento (uscite in funzione degli ingressi) è descritto da una tabella • Reti SEQUENZIALI • In un determinato istante le uscite sono funzione del valore che gli ingressi hanno in quell’istante e i valori che hanno assunto precedentemente • La descrizione è più complessa • Stati Interni • Reti dotate di MEMORIA AUTRONICA 14.20 Simboli • Rete Logica =>scomponibile in blocchi • Blocchi base = simboli degli operatori elementari • Rappresentazione delle funzioni logiche mediante schemi • RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA AUTRONICA 14.21 Porte logiche • Rappresentazione circuitale delle funzioni logiche – AND Y X1 X 2 X 3 X1 X2 X3 Y Y X1 X 2 X1 X2 Y – OR – NOT YX X AUTRONICA Y 14.22 Esempio • Schema simbolico della funzione U f X 1 , X 2 ,, X n X 1 X 2 X 1 X 3 – RETE LOGICA X1 X2 Xn RETE LOGICA U = f(X1, X2,…., Xn) x1 x2 X 1 X2 U X 3 x1 x 3 x3 AUTRONICA 14.23 Altre porte logiche • NAND X Z Y 0 0 1 0 1 1 Y X Z X Z Y Y X Z X Z Y 1 0 1 1 1 0 • NOR X Z Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 AUTRONICA 14.24 Proprietà della porta NAND (NOR) • Utilizzando solamente porte NAND (NOR) è possibile realizzare qualunque rete logica • NOT • AND Y=X X X Z Y = XZ X • OR Y = X+Z Z AUTRONICA 14.25 OR Esclusivo • Realizzazione dell’OR Esclusivo X Y U 0 0 0 0 1 1 U X Y XY X Y 1 0 1 1 1 0 X U X Y U Y AUTRONICA 14.26 Ciclo • Definizione • Ciclo: Percorso chiuso che attraversa k blocchi (k ≥ 1) tutti nella loro direzione di funzionamento • Osservazioni • Tutte le reti viste sono prive di cicli • I blocchi base combinatori sono privi di cicli • Le funzioni descrivibili dalle tabelle di verità sono tutte prive di cicli (le uscite sono funzione dei solo ingressi) • Conclusione • Tutte le reti logiche composte di blocchi combinatori e prive di cicli sono rei combinatorie AUTRONICA 14.27 Sintesi di reti combinatorie • Sintesi • data la descrizione ai terminali di una rete combinatoria • ottenere la struttura in blocchi logici e le relative interconnessioni • Osservazioni • il funzionamento della rete deve essere possibile descriverlo mediante una tabella di verità • non esiste una sola realizzazione • per poter scegliere fra le varie soluzioni è necessario definire il parametro da ottimizzare • Funzione COSTO • (numero di blocchi base, ritardo ingresso uscita, uso di particolari blocchi, ……..) • VEDERE ESEMPI SUCCESSIVI AUTRONICA 14.28 Esempio di funzione • Data la funzione definita dalla Tabella di Verità: a b c z 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 Si ha: z a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a b c a c c b z a b c a b c a b c c a b c a b c a b c a c b AUTRONICA 14.29 Schemi relativi 1 z a bc a bc a bc a bc a bc a b c z a a b b c c AUTRONICA 14.30 Schemi relativi 2 z abc abc abc a b z c AUTRONICA 14.31 Schemi relativi 3 z c a b a b z c AUTRONICA 14.32 Schemi relativi 4 z c a b a z b c z ac cb a b c z AUTRONICA 14.33 Half Adder • Somma di due bit ai bi si ci+1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 si ai bi ci 1 ai bi si ai bi ci+1 ai bi AUTRONICA si HA ci+1 14.34 Full Adder 1 • Somma di due bit compreso il Carry ci ai bi s ci+1 ai ,bi i 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 ci 00 0 si 1 01 11 1 1 10 1 1 ai ,bi ci ci+1 00 01 0 1 AUTRONICA 11 10 1 1 1 1 14.35 Full Adder 2 • Lo schema risulta si ai bi ci ai bi ci ci 1 ai bi ai ci bi ci ai bi ci si ai bi si FA ci ai bi ci+1 AUTRONICA ci ci+1 si FA ci+1 14.36 Sommatore a riporto seriale (Ripple-Carry Adder) • Somma di due parole di 4 bit in C. 2 b a b a 3 2 3 b1 a1 b0 a0 2 c 0 ci ai bi ci ai bi ci ai bi ci ai bi FA FA FA FA si ci+1 si ci+1 si ci+1 si ci+1 c 4 s s2 s1 s0 3 AUTRONICA 14.37 Proprietà dello XOR • Lo XOR può essere visto come un inverter “programmabile” S in out 0 0 0 per S 0 è out in 0 1 1 1 0 1 per S 1 è out in 1 1 0 in out S AUTRONICA 14.38 Considerazioni sulla sottrazione • Si ricorda che W A B A B • Operando in complemento a 2 si ha B B 1 • Quindi W A B A B 1 AUTRONICA 14.39 Sommatore/Sottrattore • In base alle proprietà dello XOR e come si può eseguire la differenza (A – B) in C. 2 si ha: a3 b3 a2 b2 a1 b1 a0 b0 k A–B K=1 A+B k=0 ci bi ai ci bi ai ci bi ai ci bi ai FA FA FA FA si ci+1 si ci+1 si ci+1 si ci+1 c 4 s 3 s2 AUTRONICA s1 s0 14.40 Conclusioni • • • • • • • • • • • • Postulati Principio di dualità Teoremi fondamentali insieme funzionalmente completo NAND e NOR Funzione XOR Reti logiche combinatorie e sequenziali Simboli Concetto di ciclo Concetto di minimizzazione (funzione costo) Realizzazioni diverse della stessa funzione Half Adder e Full Adder Sommatori di due word di n bit AUTRONICA 14.41