З. Минимизация логических выражений

Теперь вы знаете, как формируется сумма произведений для произвольной таб­лицы истинности. Фактически для каждой таблицы истинности существует мно­жество эквивалентных выражений и логических схем. Два логических выраже­ния или две логические схемы считаются эквивалентными, если у них одинако­вые таблицы истинности. Сформированной нами в предыдущем разделе сумме произведений для функции f₁ эквивалентно, в частности, такое выражение:

Чтобы это доказать, достаточно составить таблицу истинности данного выраже­ния и сравнить ее с таблицей 2. 1. Процесс создания таблицы истинности выраже­ния + x₂x₃, приведенной в табл. 2. 2, можно разбить на три этапа. Сначала для каждого набора входных значений вычисляется произведение , затем — про­изведение x₂x₃, после чего оба результата складываются для получения оконча­тельного значения. Как видите, наша таблица истинности идентична таблице ис­тинности функции f₁, приведенной в табл. 2. 1.

Для упрощения логических выражений выполняется ряд алгебраических опе­раций. Они основаны на двух логических законах, о которых мы еще не упомина­ли: дистрибутивном и законе исключенного третьего:

Таблица 2.2.Вычисление выражения + x₂x₃,

x1	x2	x3		x2x3	+ x2x3,

Таблица 2.3.Использование таблицы истинности для доказательства эквивалентности выражений

В табл. 2.З. приведено доказательство истинности дистрибутивного закона. Очевидно, что подобные законы всегда можно доказать с помощью таблиц истин­ности выражений, стоящих справа и слева от знака равенства. Совпадение ре­зультирующих значений в этих двух таблицах подтверждает проверяемый закон. Логические законы, подобные дистрибутивному, иногда называют тождествами.Вот еще одна форма дистрибутивного закона, которую мы приводим для полноты изложения материала, хотя она нам и не потребуется:

Целью минимизации логического выражения, представляющего заданную логи­ческую функцию, является уменьшение стоимости ее реализации (количества ис­пользуемых логических элементов). Общая схема процесса реализации логической функции такова. Сначала по описанному нами алгоритму для нее составляется сум­ма произведений (дизъюнктивная совершенная нормальная форма). Затем получен­ное выражение минимизируют до эквивалентной минимальной суммы произведений. Чтобы определить критерий минимизации, нужно ввести понятие стоимости, или величины, логического выражения.

Обычно при оценке стоимости выражения учитывается общее количество вентилей и их входных значений (входных линий), необходимых для реализации выражения в форме, показанной на рис. 2. 4. Например, стоимость большей схе­мы на этом рисунке равна 21: 5 вентилей плюс 16 входных значений. Инверсия входных значений при подсчете игнорируется. Стоимость более простого выра­жения равна 9: 3 вентиля плюс 6 входных значений.

Теперь можно определить и критерий минимизации.

Сумма произведений считается минимальной, если не существует эквивалентного ей выражения меньшей стоимости.

Строгие доказательства минимальности таких функций не является предметом данного курса, а в простых приме­рах, которые мы будем рассматривать, минимальный размер выра­жений будет очевидным.

Стратегия упрощения заданного выражения заключается в следующем. Преж­де всего, термы-произведения разбиваются на пары, отличающиеся единой пере­менной, которая в одном терме дополняется ( ), а во втором используется как есть (х). Затем в каждой паре общее произведение двух переменных выносится за скобки, а в скобках остается терм х + , всегда равный 1. Вот что мы получим, применив эту процедуру к первому выражению для функции f₁:

Это выражение минимально. Соответствующая ему логическая схема приве­дена на уже упоминаемом нами рис. 2. 4.

Сгруппировать термы попарно, с тем чтобы упростить исходное выражение, не всегда так просто, как в примере с функцией f₁. В случае затруднений помогает такое правило:

w + w = w

Это правило позволяет повторять термы-произведения при необходимости объединить некоторый терм более чем с одним другим термом. Для примера рассмотрим функцию f₂ из табл. 2. 1. Исходная сума произведений, формируемая на основе таблицы истинности этой функции, такова:

Повторив первый терм и изменив порядок следования термов (на ос­нове коммутативного закона), мы получим:

Сгруппировав термы попарно, и вынеся одинаковые произведения за скобки, мы сможем записать следующее выражение:

Первую пару термов можно упростить еще раз, и тогда получится минималь­ное выражение:

На этом обсуждение способов алгебраического упрощения логических выра­жений завершается. Данное математическое упражнение еще раз доказывает, что более простые логические схемы, содержащие меньше вентилей и входных значе­ний, легче и дешевле реализовать на практике. Так что стремление минимизиро­вать логические выражения имеет под собой чисто экономическое основание. За­коны, которые мы с вами использовали для манипулирования логическими выражениями, объединены в. табл. 2. 4. Они приведены парами, чтобы видна была симметрия функций И и ИЛИ. До сих пор нам не представилось случая восполь­зоваться законами возведения в степень и де Моргана, но в следующих разделах они нам пригодятся.

Таблица 2. 4. Законы двоичной логики

Название закона	Алгебраическое тождество
Коммутативный Ассоциативный Дистрибутивный Идемпотентности Возведение в степень Дополнения (Закон исключения третьего)   Закон де Моргана	w + y = y + w (w+y)+z = y + (w+z) w + yz = (w+y)(w+z) w + w = w = w   w + = 1   = 1 + w = 1 0 + w = w	wy = yw (wy)z = w(yz) w(y+z) = wy + wz ww = w     w = 0   = + 0 ∙ w = 0 1 ∙ w = w