第4章 - My数位学习.PDF

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第 4章 布林代數與邏輯電路  4.1 布林代數  4.1.1 定義  4.1.2 公理  4.1.3 定理  4.1.4 對偶性  4.1.5運算優先順序  4.2 布林函數  4.2.1 正規表示  4.3 布林函數的實現  4.4 布林函數的化簡  4.4.1代數化簡  4.4.2圖形化簡  4.5積項的和之化簡  4.6和項的積之化簡  4.7可忽略條件  4.8 nand閘與 nor閘電路  4.8.1 nand閘電路之實現  4.8.2 nor閘電路之實現  4.9邏輯電路之設計與實現 Copyright©滄海書局 4.1 布林代數  什麼是代數 (algebra)呢?代數是研究「數」和「數量」之間的關 係和結構的一種數學。代數可以用來了解數字做運算時,會產生怎麼 樣的結果。例如:n是輸入值, m是輸出值, m = n2 + 2n + 1這個代數 運算式可以表示出 n 與m 之間的相互關係。  布林代數(Boolean algebra)是一位名叫 George Boole的數學家為 了研究邏輯思考,所發展出來的代數系統。他將邏輯思考中的「真」 (true) 與「假」(false) ,以數字“1”和“0” 來表示,並以二元變數來代 表事件的真與假。例如:以二元變數x代表 A B這件敘述是否正確。 如果 A 真的大於B (即 A B這個條件真實發生時) ,x = 1 。如果A 小 於或等於B (即 A B這個條件沒有發生,或稱這個條件為假時) ,x = 0 。x 為 1或 0會反應出 A B這件事是否發生。布林代數在整個邏輯 理論的研究發展上,奠定了十分重要的基礎。  布林代數提出不久後,有另一位學者Claude E. Shannon提出了 「交換代數」(switching algebra) ,用以描述開關元件的串、並聯與邏 輯理論上 AND 、OR的相關特性。使用交換代數來表示開關電路,重 新定義了布林代數在開關電路設計上的廣泛應用。 Copyright©滄海書局 4.1.1 定義 • 和一般的數學代數一樣,想要 了解布林代數,需要知道布林 代數中元素 (element) 與運算子 (operator)的定義。布林代數包 含 {1, 0} 兩個元素,以及“+” 、 “· ” 、“′ ” 三個運算子。其中, “· ” 與“+” 兩個二元運算子 (binary operator)的運算原則, 與先前的and 與or邏輯閘相同; “′ ”運算子的運算原則,與 not邏輯閘相同。圖 4.1 、4.2 與 4.3 分別是and 、or 與not閘的 表示。 Copyright©滄海書局 4.1.2 公理  布林代數運算就如同一般的數學運算,需要定義一些基本的公理,才能進一步推導出其他的定理。  公理1 :封閉性(closure) {0, 1}元素集合中的任一個元素,經過各種不同的二元邏輯運算後,得出的結果一定為 0或 1 ,都屬於{0, 1}這個元素集合,故具備封閉性。  公理2 :交換律(commutative law) 二元運算子的左、右兩個變數,可以互相交換,而不影響其運算結果。 (a) a + b = b + a ⇒0 + 0 = 0 + 0; 0 + 1 = 1 + 0; 1 + 0 = 0 + 1; 1 + 1 = 1 + 1 (b) a · b = b · a ⇒0 · 0 = 0 · 0; 0 · 1 = 1 · 0; 1 · 0 = 0 · 1; 1 · 1 = 1 · 1 Copyright©滄海書局  公理3 :結合律(associate law) 變數在同一種運算中可以相互結合而不影響其結果。換句話說, (a + b) + c = a + (b + c) 且(a · b) · c = a · (b · c) 。 例如:當 a = 1, b = 1 且c = 0 ,則 (a) (a + b)

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