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第4章 - My数位学习
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
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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。
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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。
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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
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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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