DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Algebra di Boole ed elementi di logica Marco D. Santambrogio – [email protected] Ver. aggiornata al 26 Marzo 2015 Info logistiche… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 2 Info logistiche… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Guardate il calendario La lezione di oggi iniziava alle 13! 3 Info logistiche… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Guardate il calendario La lezione di oggi iniziava alle 13! 4 Info logistiche… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Guardate il calendario La lezione di oggi iniziava alle 13! • Non chiedetemi dove trovare il mio materiale su BeeP 5 Info logistiche… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Guardate il calendario La lezione di oggi iniziava alle 13! • Non chiedetemi dove trovare il mio materiale su BeeP 6 Obiettivi DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Algebra di Boole Algebra di boole a due valori: algebra di commutazione Operazioni logiche Espressioni logiche Assiomi e proprietà dell’algebra di commutazione 7 Cenni all’algebra di Boole DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • L’algebra di Boole (inventata da G. Boole, britannico, seconda metà ’800), o algebra della logica, si basa su operazioni logiche • Le operazioni logiche sono applicabili a operandi logici, cioè a operandi in grado di assumere solo i valori vero e falso • Si può rappresentare vero con il bit 1 e falso con il bit 0 (convenzione di logica positiva) 8 Algebra Booleana: definizione DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Algebra Booleana B è un sistema algebrico identificato dalla sestupla (B,+,*,’,0,1) dove: B è l'insieme su cui vengono definite le operazioni (supporto) +,*,’ sono le operazioni binarie OR e AND e l’operazione unaria NOT 0,1 sono elementi speciali di B. • 0 è l’elemento neutro rispetto a + • 1 è l’elemento neutro rispetto a * Assiomi -9- Algebra Booleana a due valori: Algebra di Commutazione DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE “Tra tutte le algebre booleane, l'algebra booleana a due valori........è la più utile. Essa è la base matematica della analisi e progetto di circuiti di commutazione che realizzano i sistemi digitali.” [Lee, S.C., Digital Circuit And Logic Design. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1976] - 10 - Operazioni logiche fondamentali DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Operatori logici binari (con 2 operandi logici) Operatore OR, o somma logica Operatore AND, o prodotto logico • Operatore logico unario (con 1 operando) Operatore NOT, o negazione, o inversione • Poiché gli operandi logici ammettono due soli valori, si può definire compiutamente ogni operatore logico tramite una tabella di associazione operandi-risultato 11 Operazioni logiche fondamentali DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Le variabili dell’algebra booleana a due valori possono assumere solo i due valori 0 e 1 precisamente, se x indica una variabile, è • x = 0 se e solo se x 1 • x = 1 se e solo se x 0 • Algebra Booleana a due valori: ({0,1},+,*,’,0,1) dove + (OR) e * (AND) sono definiti come + 0 1 0 0 1 1 1 1 * 0 1 0 0 0 1 0 1 • Mentre l’operazione a un solo elemento (unary operation) detta complementazione o negazione (NOT) è definita come ‘ 0 1 1 0 Nota: il simbolo associato al NOT è spesso indicato come ’(esempio x’), !(esempio !x) o sopra segnando la variabile. Operatori logici di base e loro tabelle di verità DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE A B A or B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 (somma logica) A B A and B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 (prodotto logico) A not A 0 1 1 0 (negazione) Le tabelle elencano tutte le possibili combinazioni in ingresso e il risultato associato a ciascuna combinazione 13 Espressioni logiche (o Booleane) DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Come le espressioni algebriche, costruite con: Variabili logiche (letterali): p. es. A, B, C 0 oppure 1 Operatori logici: and, or, not • Esempi: A or (B and C) (A and (not B)) or (B and C) • Precedenza: l’operatore “not” precede l’operatore “and”, che a sua volta precede l’operatore “or” A and not B or B and C (A and (not B)) or (B and C) • Per ricordarlo, si pensi OR come “” (più), AND come “” (per) e NOT come “” (cambia segno) 14 Tabella di verità di un’espressione logica DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE A and B or not C ABC X = A and B Y = not C X or Y 000 0 and 0 = 0 not 0 = 1 0 or 1 =1 001 0 and 0 = 0 not 1 = 0 0 or 0 =0 010 0 and 1 = 0 not 0 = 1 0 or 1 =1 011 0 and 1 = 0 not 1 = 0 0 or 0 =0 100 1 and 0 = 0 not 0 = 1 0 or 1 =1 101 1 and 0 = 0 not 1 = 0 0 or 0 =0 110 1 and 1 = 1 not 0 = 1 1 or 1 =1 111 1 and 1 = 1 not 1 = 0 1 or 0 =1 Due esercizi DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 NOT ((A OR B) AND (NOT A)) 1 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 ( B OR NOT C) AND (A OR 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 NOT C) 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 16 Vero e falso in C DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • In C non esiste un tipo di dato specifico per rappresentare i concetti vero e falso • Una condizione assume un valore intero pari a 0 se la condizione è falsa 1 se la condizione è vera • In generale, ogni valore diverso da zero è considerato vero ( 3 ) VERO ( 1 ) VERO ( a – a ) FALSO 17 Problema DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Si scriva un programma in C che, dato un numero, dica se questo è positivo o negativo 18 Soluzione DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 1. Si inserisca N 2. N è maggiore di 0? Vero: N è positivo Falso: N non è positivo 19 In C: positivo DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE int main() { int n; printf (“Inserisci un numero\n"); scanf ("%d", &n ); if ( n > 0 ) printf ("Un numero positivo ! \n"); else condizione printf ("Un numero negativo o nullo\n"); printf ("Fine del programma\n"); return 0; } 20 Problema: caratteri MaIuScOli DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Si scriva un programma che, preso un carattere minuscolo da tastiera, ne riporta a video l’equivalente maiuscolo 21 Maiuscolo: esecuzione DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 22 HELP: errori sull’input DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 23 Problema: errori sull’input DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Problema Preso un dato inserito da tastiera Per potervi applicare la trasformazione di nostro interesse Dobbiamo prima verificare che il dato sia coerente con quanto ci aspettiamo • Soluzione Definire l’insieme dei caratteri validi Verificare l’appartenenza del carattere inserito, all’insieme dei caratterei validi 24 Pseudocodice DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Dati L’insieme dei caratteri ammissibili {a, b, c, …, z} 1. 2. 3. 4. Richiedere l’inserimento di un carattere Se carattere inserito corretto Allora stampa a video carattere-32 Altrimenti stampa a video un messaggio di errore 25 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Dati L’insieme dei caratteri ammissibili {a, b, c, …, z} • Il carattere inserito deve essere =>a <= z 26 Maiuscolo: solo if DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 27 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? 28 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? Se X = 0? 29 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? Se X = 0? Vogliamo una uscita FALSA 30 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? Se X = 0? Vogliamo una uscita FALSA Se Y = 0? 31 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? Se X = 0? Vogliamo una uscita FALSA Se Y = 0? Vogliamo una uscita FALSA 32 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? Se X = 0? Vogliamo una uscita FALSA Se Y = 0? Vogliamo una uscita FALSA Se X = 1 e Y = 1? Uscita VERA! 33 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? X 0 0 1 1 Y 0 1 0 1 USCITA 0 0 0 1 34 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? X 0 0 1 1 Y 0 1 0 1 USCITA 0 0 0 1 35 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? X 0 0 1 1 Y 0 1 0 1 USCITA 0 0 0 1 36 Condizione da verificare DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Il carattere inserito deve essere X: =>a Y: <= z • Come vogliamo che si comporti il nostro modello rispetto a X e Y? X 0 0 1 1 Y X AND Y 0 0 1 0 0 0 1 1 (prodotto logico) 37 Maiuscolo: AND DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 38 Maiuscolo: codice ottimizzato DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 39 Maiuscolo: esecuzione DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 40 A che cosa servono le espressioni logiche? DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • A modellare alcune (non tutte) forme di ragionamento A è vero che 1 è maggiore di 2 ? (sì o no, qui è no) 0 B è vero che 2 più 2 fa 4 ? (sì o no, qui è sì) 1 A and B è vero che 1 sia maggiore di 2 e che 2 più 2 faccia 4 ? Si ha che A and B 0 and 1 0, dunque no A or B è vero che 1 sia maggiore di 2 o che 2 più 2 faccia 4 ? Si ha che A or B 0 and 1 1, dunque sì • OR, AND e NOT vengono anche chiamati connettivi logici, perché funzionano come le congiunzioni coordinanti “o” ed “e”, e come la negazione “non”, del linguaggio naturale • Si modellano ragionamenti (o deduzioni) basati solo sull’uso di “o”, “e” e “non” (non è molto, ma è utile) 41 Che cosa non si può modellare tramite espressioni logiche? DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Le espressioni logiche (booleane) non modellano: Domande esistenziali: “c’è almeno un numero reale x tale che il suo quadrato valga 1 ?” (si sa bene che non c’è) x | x2 1 è falso Domande universali: “ogni numero naturale è la somma di quattro quadrati di numeri naturali ?” (si è dimostrato di sì) x | x a2b2c2d2 è vero (“teorema dei 4 quadrati”) Più esattamente andrebbe scritto: x a,b,c,d | x a2b2c2d2 • e sono chiamati “operatori di quantificazione”, e sono ben diversi da or, and e not • La parte della logica che tratta solo degli operatori or, and e not si chiama calcolo proposizionale • Aggiungendo gli operatori di quantificazione, si ha il calcolo dei predicati (che è molto più complesso) 42 Tautologie e Contraddizioni DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Tautologia Una espressione logica che è sempre vera, per qualunque combinazione di valori delle variabili • Esempio: principio del “terzo escluso”: A or not A (tertium non datur, non si dà un terzo caso tra l’evento A e la sua negazione) • Contraddizione Una espressione logica che è sempre falsa, per qualunque combinazione di valori delle variabili • Esempio: principio di “non contraddizione”: A and not A (l’evento A e la sua negazione non possono essere entrambi veri) 43 Equivalenza tra espressioni DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Due espressioni logiche si dicono equivalenti (e si indica con ) se hanno la medesima tabella di verità. La verifica è algoritmica. Per esempio: AB not A and not B not (A or B) 00 1 and 1 = 1 not 0 = 1 01 1 and 0 = 0 not 1 = 0 10 0 and 1 = 0 not 1 = 0 11 0 and 0 = 0 not 1 = 0 • Espressioni logiche equivalenti modellano gli stessi stati di verità a fronte delle medesime variabili 44 Proprietà dell’algebra di Boole DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • L’algebra di Boole gode di svariate proprietà, formulabili sotto specie di identità cioè formulabili come equivalenze tra espressioni logiche, valide per qualunque combinazione di valori delle variabili 45 Algebra Booleana a due valori: Assiomi DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Gli operatori descritti godono delle proprietà definite dai seguenti assiomi (postulati di Huntington): Le operazioni di disgiunzione (+) e congiunzione (·) sono commutative, cioè per ogni elemento a,b B a+b = b+a a·b = b·a Esiste un elemento neutro (o identità) rispetto a + (indicato con 0) e un elemento neutro rispetto a · (indicato con 1), cioè: a+0=a a·1=a Le due operazioni sono distributive rispetto all’altra, cioè per ogni a,b,c B, risulta: a+(b·c)=(a+b)·(a+c) a·(b+c)=(a·b)+(a·c) Per ogni a B esiste l’elemento a’ B, detto negazione logica o complemento di a, tale che: a+a’=1 a·a’=0 Algebra di Commutazione: Proprietà 1 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 1: associativa a+(b+c)=(a+b)+c a*(b*c)=(a*b)*c 2: idempotenza a+a=a a*a=a 3: elemento nullo a+1=1 a*0=0 4: unicità elemento inverso: il complemento di a, a’, è unico 5: assorbimento a+(a*b)=a a*(a+b)=a Algebra di Commutazione: Proprietà 2 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE 6: Semplificazione a+a’b = a+b a*(a’+b) = a*b 7: involuzione ((a)’)’ = a 8: Leggi di De Morgan (a+b)’ = a’*b’ (a*b)’ = a’+b’ 9: consenso a*b+a’*c+b*c = a*b + a’*c (a+b)*(a’+c)*(b+c)=(a+b)*(a’+c) - 48 - Uso delle proprietà DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Trasformare un’espressione logica in un’altra, differente per aspetto ma equivalente: not A and B or A (assorbimento) not A and B or (A or A and B) (togli le parentesi) not A and B or A or A and B (commutativa) not A and B or A and B or A (distributiva) (not A or A) and B or A (legge dell’elemento 1) true and B or A (vero and B B) B or A è più semplice dell’espressione originale • Si può verificare l’equivalenza con le tabelle di verità • Occorre conoscere un’ampia lista di proprietà e si deve riuscire a “vederle” nell’espressione (talvolta è difficile) 49 Problemi di fine giornata… DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Si scriva un programma in C che richiede l’inserimento di un numero intero positivo, se l’inserimento e’ errato ritorna un messaggio di errore • Si scriva un programma in C che, dati due caratteri, li ordina in ordine alfabetico “inverso” 50 Fonti per lo studio + Credits DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE • Fonti per lo studio Introduzione ai sistemi informatici, D. Sciuto, G. Buonanno, L. Mari, 4a Ed, McGrawHill • Capitolo 2 • Credits Daniele Braga • http://home.dei.polimi.it/braga/ Cristiana Bolchini • http://home.dei.polimi.it/bolchini/didattica/retilogichea/index. htm