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《数字电子技术基础》读书笔记02——逻辑代数基础_新棉袍
2.1 从布尔代数到逻辑代数
1849年英国数学家乔治·布尔(GeorgeBoole)提出布尔代数,使用数学方法进行逻辑运算。把布尔代数应用到二值逻辑电路中,即为逻辑代数。
2.2 逻辑代数中的运算(想想初等代数中的加减乘除)
2.2.1 三种基本运算
与(AND):逻辑乘,Y = A · B 或(OR):逻辑加,Y = A + B 非(NOT):逻辑求反, Y = Aˊ
X

简单逻辑运算(与、或、非)的两套图形符号,均为IEEE(国际电气与电子工程师协会)和IEC(国际电工协会)认定。上排为国外教材和EDA软件中普遍使用的特定外形符号;下排为矩形符号。
2.2.2 复合逻辑运算(都可以表示为与、或、非的组合)
与非(NAND):先与后非,与的反运算,Y = ( A · B )ˊ 或非(NOR):先或后非,非的反运算,Y = ( A + B)ˊ 与或非(AND-NOR):先与再或再非,Y = ( A · B + C · D )ˊ 异或(Exclusive OR):Y =A ⊕ B = A · Bˊ + Aˊ· B A和B不同,Y为1;A和B相同,Y为0。当A与B相反时,A · Bˊ和 Aˊ·B,肯定有一个结果为1,则Y为1。
同或(Exclusive NOR):Y = A ⊙ B = A · B + Aˊ · BˊA和B相同,Y为1;A和B不同,Y为0。当A与B相同时,A · B和 Aˊ· Bˊ,肯定有一个结果为1,则Y为1。
同或与同或互为反运算,即两组运算,只要输入相同,一定结果相反。 A
⊕ B = ( A ⊙ B )ˊ
A ⊙ B = ( A ⊕ B )ˊ

复合逻辑运算的图像符号和运算符号。
2.3 逻辑代数的基本公式和常用公式
2.3.1 基本公式
(见对偶定理)
2.3.2 若干常用公式
(见逻辑函数化简方法之公式化简法)
2.4 逻辑代数的基本定理
2.4.1 代入定理(相当于初等代数中的换元)
任何一个包含逻辑变量A的逻辑等式中,若以另外一个逻辑式代入式中所有A的位置,则等式依然成立。
2.4.2 反演定理
对于任意一个逻辑式Y,若将其中所有的 “ · ”换成“ + ”,“ + ”换成“ · ”,
“ 0 ”换成“ 1 ”,“ 1 ”换成“ 0 ”,
原变量换成反变量,反变量换成原变量,
则得到的结果就是Yˊ。
注意两条规则: - 先括号的最内层,后括号外;先乘,后加的运算优先次序。
- 若反号“ˊ”下面不是单个变量,则反号保留不变。
两个得·摩根定理,不过是反演定理的特例而已。 ( A · B )ˊ = Aˊ+ Bˊ
解释一下:若将式子右边Aˊ+ Bˊ用反演定理变换一下,则得到其反演式 A · B,既然A · B和Aˊ+ Bˊ值相反,则再对A ·B求反,其结果( A · B )ˊ则正好与式子右边的Aˊ+ Bˊ相等。
( A + B )ˊ = Aˊ· Bˊ
2.4.3 对偶定理
对偶式 对于任意一个逻辑式Y,若将其中所有的
“ · ”换成“ + ”,“ + ”换成“ · ”,
“ 0 ”换成“ 1 ”,“ 1 ”换成“ 0 ”,
则得到的结果就是Y的对偶式。
注意:与反演定理的区别在于,没有涉及原变量和反变量的互换。
对偶定理 若两逻辑式相等,则它们的对偶式也相等。
8对对偶式的例子(来自基本公式,每行左右两式互为对偶式) 0 · A = 0 1 + A = 1
1 · A = A 0 + A = A
A · A = A A + A = A
A · Aˊ= 0 A + Aˊ= 1
A · B = B · A A + B = B + A
A · ( B · C ) = ( A · B ) · C A + ( B + C ) = ( A + B ) + C结合律
A · ( B + C ) = A · B + A · C A + B · C = ( A + B ) · ( A + C )分配律
( A · B )ˊ = Aˊ+ Bˊ ( A + B )ˊ = Aˊ· Bˊ得·摩根定律(注意,这两个等式整体上互为对偶式。每个式子的左右是反演关系再求反,对比反演定理。)
2.5 逻辑函数及其表示方法
2.5.1 逻辑函数
【逻辑函数(LogicFunction),就是以逻辑变量(A、B、C、Y……)为自变量&因变量,以逻辑运算(·与、或+、非ˊ)作为映射方式(F)的函数。】写作:
Y = F(A,B,C……)
因其定义域和值域都是{0,1},输入和输出的取值都只有0和1两种状态,故又称二值逻辑函数。
【问】为什么逻辑函数里没有蕴含运算符(->)?
【答】函数的等号(=)、或曰映射关系本身,就表明了蕴含关系(->),即“若自变量,则因变量”也就是说函数关系体现了客观世界中的因果关系。所谓数学建模,就是在之前没有认识到有联系的自变量(输入)和因变量(输出)之间,用函数的形式,建立起因果关系。
2.5.2 逻辑函数的表示方法(4种/6种)
常用的逻辑函数表示方法有6种:逻辑真值表、逻辑函数式、逻辑图、波形图、卡诺图、硬件描述语言。
一、 逻辑真值表(枚举法)
将输入变量所有的取值下,对应的输出值找出,列成表格,即成逻辑真值表。
二、逻辑函数式(函数法)
又称为逻辑式或函数式。将输出&输出之间的逻辑关系,写成与、或、非等运算的组合式,即逻辑代数式。
【所谓的用布尔代数的符号(与或非算符),表示逻辑关系】
如举重裁判规则,就可以用逻辑函数式对应的表示出来。三个裁判各自的判决,作为3个输入变量;最终的裁判结果,作为输出;而从输入到输出的逻辑关系,则用逻辑运算符表示。即:
Y = A · (B + C) (见书P29-30)
三、逻辑图(Logic Diagram)
将逻辑函数式中,各变量之间的与、或、非等逻辑关系,用图形符号表示出来,就可以画出表示函数关系的逻辑图。即把逻辑运算符,替换为图形符号。

上面两图,即是把逻辑函数式f = xˊ·y + x · yˊ + x ·z中的与(·)、或(+)、非(·)运算符,替换成图形符号后,形成的逻辑图。
(左图保留了非(·)运算符,并没有替换;右图把3种运算符都替换了)
原图在此:http://book.51cto.com/art/200901/107671.htm
四、波形图(Waveform)、时序图(Timing Diagram)
将逻辑函数输入变量的每一种可能的取值,与对应的输出值,按照时间顺序依次排列起来,就成为表示该逻辑函数的波形图。
(见教材P31)
五、各种表示方法间的转换
从真值表——>逻辑函数式的一般方法(教材P32)【相当于从分散的实验数据——>数学模型,居然有一般方法,比较强!】
1.从真值表中,找出使得输出变量Y = 1的输入变量所在的行,以及每行输入变量取值的组合;
2.将1种所找出的输入变量的各行组合,对应于一个乘积项;其中,取值为1的输入变量用原变量,取值为0的输入变量用反变量。
3.将这些乘积项相加,即得到Y的逻辑函数式。
逻辑函数式<——>逻辑图(教材P33)【函数式和逻辑图,直接体现了输入和输出的逻辑关系。二者高度同构,可直接转换。函数式中的运算符,对应于逻辑图的图形符号。】
转换时,注意运算优先级。
真值表<——>波形图【真值表&波形图,是用枚举法列出所有取值,但不能直接看出输入和输出的逻辑关系。二者高度同构,可直接转换。真值表的每一行,对应于波形图的每一列。
2.5.3 逻辑函数的两种标准形式 —— 最小项之和 & 最大项之积
一、最小项
在一个n个逻辑变量的逻辑函数中,若某乘积项m中包含所有n个变量,且这n个变量均以原变量或反变量的形式,在m中出现且只出现一次,则称乘积项m为该组变量的最小项。
例:A、B、C三个变量的最小项有:AˊBˊCˊ、AˊBˊC、AˊBCˊ、ABˊCˊ、AˊBC、ABˊC
、ABCˊ 、ABC,共8个,即2^3个最小项。
n个变量,应有2^n个最小项。
二、最大项(略,教材P36)
三、最小项之和
(待续)
四、最大项之积(略,教材P37)
2.6 逻辑函数的化简方法
(待续)
2.7 无关项及函数化简
2.7.1 逻辑函数中的无关项:约束项和任意项
约束某些逻辑函数,它们的输入变量(A、B、C……)的取值不是任意的。对输入变量取值所加的限制,成为约束。将这一组变量,称为具有约束的一组变量。也就是说,输入变量只能取特定的一些值,或特定的一组值。
如:三个逻辑变量A、B、C,分别表示一台电动机的正转、反转和停止的命令,A=1表示正转,B=1表示反转,C=1表示停止。【问】那A=0、B=0、C=0时,表示什么呢?也许是无意义,或预留。
而任一时刻,电动机只能执行其中的一个命令,所以,不允许两个以上的变量同时为1,这就是对ABC这三个输入变量取值的约束。
也就是说,A、B、C三个输入变量只能是以下三种取值的组合(并对应3个逻辑函数):
A=1,B=0,C=0,即100;逻辑函数:Y1 = ABˊCˊ(正转)
A=0,B=1,C=0,即010;逻辑函数:Y2 = AˊBCˊ(反转)
A=0,B=0,C=1,即001;逻辑函数:Y3 = AˊBˊC(停止)
其它5种取值组合,000(即A=0、B=0、C=0这种取值组合是不允许出现的),011,101,110,111,则不被允许。这就是对A、B、C这3个变量的约束条件。
如何表示约束条件? 用上面的自然语言显然很不方便,最后用简单、明了的逻辑语言表示约束条件。
【可见形式系统、符号化的数理逻辑,较之自然语言的优势。】
如果某些输入变量的取值,不允许出现;可以用这组变量所对应的最小项恒等于0的方式,来表示这些输入变量的取值不能出现。
【问】为什么可以用变量对应的最小项恒等于0的方式,来表示约束条件呢?
【答】因为每一组输入变量的取值,都对应1个、且只有1个的最小项(使其取值为1)——这组输入变量取值,可以使得该最小项的各个因子的值都为1,那么整个乘积项、也即是最小项的取值为1。
那么,如果某最小项恒等于0,则表示那个可以使得这个最小项的取值为1的那组输入变量的取值,是不允许出现的。
则上面例子中的5个约束条件,就可以用逻辑语言表示为:
AˊBˊCˊ=0
AˊBC =0
ABˊC =0
ABCˊ =0
ABC =0
【以第4个约束条件为例:使得最小项ABCˊ=1的那组输入变量的取值为:A=1、B=1、C=0,如果ABCˊ=0,即ABCˊ恒等于0,也即使得最小项ABCˊ为1的那组输入变量的取值,即A=1、B=1、C=0,是不允许出现的。】
且,以上5个约束条件可以合并在一起表示:
AˊBˊCˊ + AˊBC + ABˊC + ABCˊ + ABC = 0
【因为每个最小项都恒等于0,那么他们的和也恒等于0】
约束项
前面那些恒等于0的最小项,即逻辑函数的约束项。
【一定区分:约束项(如ABC)是最小项,是自变量的乘积;而约束条件约束的,是输入变量(A、B、C)的取值。用约束项恒等于0(ABC=0)的方式,来表示使得这个约束项取值为1的那组输入变量的取值,是不允许出现的。】
因为约束项的值恒为0,所以既可以将约束项写进逻辑函数式,也可以从逻辑函数式中删除约束项,而不影响函数取值。
【约束项也是最小项,就像初等代数中的项一样,即各个因式相加,则加上和减去一个0,整个式子的值是不变的。】
任意项
在输入变量的某些取值下,函数的输出值是0还是1皆可,并不影响整个电路的功能。【这个局部函数,此时在整个电路中,已经不起作用】。将在这些变量取值下,对应的取值为1的那些最小项,称为任意项。
【输入变量的取值是(部分)固定的,函数输出可能是0,可能是1,但这已无所谓。当输入变量取这些值的时候,肯定有一个对应的最小项可以取值为1,它的取值也是固定的。那么,这个最小项即为任意项。】
以之前的电动机为例。如果把电路设计成A、B、C这3个输入变量出现两个以上同时为1或者全部为0时,电路自动切断供电电源,则这时候电路中的逻辑函数Y1、Y2、Y3等于0还是1已经无关紧要。
【问】为什么输入变量确定了,函数输出还可能有0有1呢?
【答】其实,输入变量只是部分固定。如:当A和B都取1时,电路已经切断电源,此时C的输入值有可能是0,有可能是1。那么最小项ABC的值,也可能是0,也可能是1。当C= 0时,ABC = 0; 当C = 1时,ABC = 1。其实,这个时候变量C的取值,也已经没有意义了。
【当然,此时逻辑函数Y1 =ABˊCˊ,肯定取值为0。但是,这个时候,函数Y1是不是输出正转命令,已经没有意义了,因为整个电路已经切断电源了。也就是说,函数Y1的取值已经没有意义了。
那么,如果我们把(C=1时的)最小项ABC,加入函数Y1,则Y1 = ABˊCˊ + ABC = 0 + 1 =1;如果不把最小项ABC,加入函数Y1,则Y1 = ABˊCˊ = 0。
但是,因为在输入变量A和B都取1的情况下,函数Y1的取值是1是0,已经没有意义了,则函数Y1是否加上最小项ABC,也已经没有意义了——故而,称最小项ABC是函数Y1的任意项。】
无关项
约束项和任意项,统称为逻辑函数式中的无关项。这里说的无关项,是指是否把这些最小项写入逻辑函数式,无关紧要,可以写入,也可以删除。
【但是无关紧要的原因不同。约束项是因为恒等于0,加上0或减去0,整个函数式的值不变;而任意项是说,不管任意项的取值是0还是1,即使任意项的增删使得整个函数式的值变化了,也无所谓。因为使得该任意项对应的(即使该任意项取值为1的)那组输入变量的取值,使得整个函数式没用了。】

所用教材:《数字电子技术基础(第5版)》 作者:阎石
http://book.douban.com/subject/1836439/

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