Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Практическая 2 Minimizatsiya_bulevikh_funktsiy.doc
Скачиваний:
16
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
509.44 Кб
Скачать

Практическое занятие № 02

Минимизация булевых функций План

1. Методы минимизации булевых функций

1.1. Метод диаграмм Вейча

1.2. Метод Квайна

1.3. Метод импликантных таблиц

2. Индивидуальные задания

Литература

1 Прикладная теория цифровых автоматов Киев "Вища Школа" 1987 К.Г. Самофалов, А.М. Романкевич, В.Н. Валуйский, Ю.С. Каневский, М.М. Пиневич страницы (195 - 197).

2. Прикладна теорія цифрових автоматів" Київ, "Вища Школа" 1987, К.Г. Самофалов, А.М. Романкевич, В.Н. Валуйський, Ю.С. Каневский, М.М. Пиневич, ст. (201 - 202).

1. Методы минимизёации булевых функций

Для рассмотрения методов минимизации введем некоторые определения.

Конъюнкция называетсяэлементарной, если число ее членов меньше некоторого множества переменныхn, причем любая переменнаявходит в конъюнкцию только один раз. Число членов элементарной конъюнкции определяет ееранг.

Под импликантойбулевой функцииf(x1,х2, ...,хn) понимается такая булева функцияf1(x1,х2, ...,хn), если на любом наборе значений переменныхx1,х2, ...,хn, на котором значение функцииf1равно единице, значение функцииfтакже равно единице.

Под простой импликантойбулевой функцииf(x1,х2, ...,хn) понимается всякое элементарное произведение, которое является импликантой функцииfи никакая собственная часть этого произведения в функциюfне входит, т.е. простые импликанты — элементарные конъюнкции наименьшего ранга, входящие в данную булеву функцию.

Сокращенной дизъюнктивной нормальной формойбулевой функции называется такая функция, которая равна дизъюнкции всех своих простых импликант.

Несмотря на то что сокращенная ДНФ булевой функции содержит меньшее число букв, чем СДНФ этой же функции, она в большинстве случаев допускает дальнейшее упрощение за счет поглощения некоторых простых импликант дизъюнкцией других простых импликант. В случае, если в дизъюнкции простых импликант, представляющих заданную булеву функцию, ни одну из импликант исключить нельзя, то такую дизъюнкцию называют тупиковой дизъюнктивной нормальной формойзаданной функции.

Некоторые булевы функции имеют несколько тупиковых ДНФ. Тупиковая ДНФ булевой функции, содержащая наименьшее число букв, будет минимальной ДНФ.

Таким образом, общую задачу минимизации булевых функций можно решать в такой последовательности.

1. Для заданной функции находят сокращенную ДНФ, т.е. все простые импликанты.

2. Определяют тупиковые ДНФ заданной функции, среди которых выбирают минимальную ДНФ.

1.1. Метод диаграмм Вейча

Диаграмма Вейча – это специального вида таблица, используемая для задания логических функций и позволяющая упростить процесс поиска минимальных форм.

Для логических функций, зависящих от nпеременных, диаграмма Вейча представляет собой прямоугольник, разделенный на 2nклеток. Каждой клетке диаграммы ставится в соответствие двоичныйn-мерный набор. Взаимно однозначное соответствие между двоичными наборами и клетками диаграммы устанавливается разметкой последней.

Для функций, зависящих от трех переменных, один из возможных вариантов разметки диаграммы Вейча имеет вид, показанный на рис.1.

Четыре верхних клетки диаграммы соответствуют двоичным наборам, в которых переменная х1принимает значение 0; четыре нижних клетки соответствуют наборам, в которых переменнаях1принимает значение 1.

Клетки, составляющие левую половину диаграммы, соответствуют наборам, в которых переменная х2принимает значения 1, а в правой половине находятся клетки, в которых переменнаях2принимает значение 0.

Рис. 1.

Четыре центральные клетки соответствуют наборам, в которых переменная х3принимает значения 1, а в левом и правом крайних столбцах находятся клетки, в которых переменнаях3принимает значение 0.

На рис. 2 приведены пример разметки диаграммы для логических функций четырех переменных.

Рис. 2.

Диаграммы Вейча для большего числа переменных могут быть составлены из диаграмм меньшего числа переменных. Например, диаграмму Вейча для пяти переменных можно составить, соединив две диаграммы для четырех переменных. При этом удобно подсоединять их друг к другу одноименными столбцами (рис. 3). Тогда соседними клетками будут также клетки столбцов, симметрично расположенных относительно линии присоединения диаграмм Вейча четырех переменных для одноименных строк.

Рис. 3.

В клетки, соответствующие конституентам единицы минимизируемой булевой функции, записываются единицы, а в остальные — нули. Поэтому исходная минимизируемая функция первоначально должна быть представлена в СДНФ. Если функция задана аналитически, то она приводится к СДНФ с помощью операции развертывания, заключающейся в умножении некоторых членов на выражение вида .

Минимизация булевых функций с использованием диаграмм Вейча основывается на отыскании склеивающихся конституент единицы. Для диаграммы Вейча склеивающиеся конституенты единицы располагаются в соседних, вертикально или горизонтально расположенных клетках. Для диаграммы трех переменных (рис. 1) соседними клетками являются также клетки левого и правого столбцов для одноименных строк. Наглядно это можно представить, если наклеить диаграмму на цилиндр так, чтобы левая ее граница совпала с правой.

Для диаграммы Вейча четырех переменных (рис. 2) соседними клетками будут также клетки, расположенные в верхних и нижних строках для одноименных столбцов.

Процесс отыскания минимальной ДНФ заключается в том, чтобы всю совокупность единиц диаграммы Вейча накрыть наименьшим числом наиболее коротких произведений. Для этого соседние клетки диаграммы, содержащие единицы, объединяют в группы (склеиваются).

Каждой такой группе будет соответствовать группа склеивающихся конституент единицы. Причем количество клеток, входящих в одну группу, равно 2k(гдеk= 1, 2, 3, ...), а каждая клетка, входящая в группу, должна иметьkсоседних клеток.

Для получения минимальной ДНФ достаточно выполнить следующие условия:

каждая единичная клетка должна входить хотя бы в одну группу (при этом одна и та же клетка может входить в несколько групп);

в каждую группу должно входить максимальное количество клеток, т.е. ни одна группа, удовлетворяющая обоим вышеприведенным правилам, не должна быть частью другой группы, удовлетворяющей этим же правилам;

количество групп должно быть минимальным.

Рекомендации по минимизации булевых функций с использованием диаграмм Вейча:

1. Рассматриваются поочередно клетки, содержащие единицы, и анализируются всевозможные варианты склеивания. При этом сначала склеивание выполняется только для тех клеток (единиц), для которых вариант склеивания единственный. В результате будут выделены обязательные (или существенные) простые импликанты.

2. Оставшиеся несклеенные клетки (единицы) необходимо склеивать таким образом, чтобы образовать минимальное число групп с максимальным числом клеток в каждой группе.

3. Каждой группе объединенных клеток в минимальной ДНФ будет соответствовать простая импликанта, определяемая как конъюнкция только тех переменных, значения которых постоянны для всех наборов, задающих клетки данной группы.

Группе, состоящей из 2kклеток, соответствует конъюнкция изnkбукв, гдеn— число переменных в исходной булевой функции.

Пример 1.Найти минимальную ДНФ для булевой функции трех переменных, заданных следующей таблицей истинности(табл.1):

Таблица 1

№ набора

х1

х2

х3

z

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

2

0

1

0

0

3

0

1

1

1

4

1

0

0

1

5

1

0

1

0

6

1

1

0

1

7

1

1

1

1


СДНФ для этой функции

.

Составим диаграмму Вейча (рис. 4)

Рис. 4

Здесь возможны два варианта склеивания:

1) склеивается спо переменнойx1 – образуется импликанта ; склеивается с по переменнойx1– образуется импликанта ;склеивается спо переменнойx3 – образуется импликанта . Отсюда получается первая минимальная ДНФ

;

2) склеивается спо переменнойx1 – образуется импликанта ; склеивается с по переменнойx1– образуется импликанта ;склеивается спо переменнойx2 – образуется импликанта . Отсюда получается вторая минимальная ДНФ

.

Подстановкой в полученные выражения значений переменных x1,x2,x3легко убедиться в том, что минимизированные логические функции реализуют заданное исходное выражение.

Пример 2.Найти минимальную ДНФ для булевой функции четырех переменных, заданных следующим выражением (в СДНФ):

Диаграмма Вейча для этого случая приведена на рис. 5.

Рис. 5.

Здесь возможно склеивание по четырем конституентам единицы:

;;;склеиваются по переменнымх2их4– образуется импликанта;

;;;склеиваются по переменнымх2их3– образуется импликанта;

;;;склеиваются по переменнымх1их4– образуется импликанта.

Таким образом, окончательное выражение для минимальной ДНФ:

В дискретных устройствах ЭВМ часто встречаются комбинационные схемы, на входы которых некоторые комбинации сигналов никогда не поступают. Такие комбинации называются запрещенными. Значения выходных сигналов, соответствующие запрещенным комбинациям, не определяются, и их можно выбирать произвольно, что часто дает возможность упростить комбинационную схему.

Законы функционирования комбинационных схем с запрещенными комбинациями входных сигналов описываются неполностью определенными функциями, т.е. такими функциями, значения которых определены не на всех наборах аргументов.

Двоичные наборы, на которых функция не определена, называют свободными. При табличном задании неполностью определенных переключательных функций свободные наборы отмечаются прочерком.

Рассмотрим упрощение неполностью определенных булевых функций, которые описывают работу логических схем с запрещенными комбинациями входных сигналов.

Для неполностью определенных булевых функций можно произвольно задать значение функции на тех наборах, на которых она первоначально не была задана. При минимизации таких функций стремятся для запрещенных комбинаций входных сигналов присвоить такие значения исходной функции, которые позволяют ее упростить.

Пример 3.Минимизировать булеву функцию четырех переменных, заданную диаграммой Вейча (рис. 6), только на 11-ти наборах двоичных аргументов. Неопределенные значения на диаграмме отмечены прочерком.

Рис. 6.

Принимая значения функции на некоторых наборах равными единицы, а на других — нулю, там где функция не определена, получим ДНФ исходной функции в следующей минимальной форме: