Grundlagen der Informatik 2. Grundlagen der Digitaltechnik. 2. Digitale Schaltfunktionen und Normalformtheorie
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- Lothar Junge
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1 Grudlage der Iformatk Grudlage der Dgtaltechk. Dgtale Schaltfuktoe ud Normalformtheore Prof. Dr.-Ig. Jürge Tech Dr.-Ig. Chrsta Haubelt Lehrstuhl für Hardware-Software Software-Co-Desg Grudlage der Dgtaltechk
2 Vo der Fukto zur Schaltug... Fuktoeller Zusammehag f Wchtge Frage: We beschrebt ma logsche Schaltuge? We aalsert ma logsche Schaltuge? We realsert ud optmert ma logsche Schaltuge? Techsche Iformatk I
3 Vo der Fukto zur Schaltug Fuktoeller? Zusammehag Dgtale Schaltug f Atwort: Beschrebug der Schaltug durch ee Schaltfukto f: (,,, > Implemeterug der Schaltfukto durch logsche Gatter Techsche Iformatk I
4 Vo der Fukto zur Schaltug Bespel: Adderer für zwe Bärzahle S=A+B mt S=(s, s, s, s, s, A=(a, a, a, a ud B=(b, b, b, b A B Fuktoaler Zusammehag f S + c a a b a b c c c a b b a a b s s s s s s VA c s a VA c b s a VA c b s a VA b c s Techsche Iformatk I
5 Vo der Fukto zur Schaltug Bespel: Addto zweer Bärzahle S = A+B Aufbau eer Volladdererzelle (VA c - a b VA Beschrebug des fuktoale Zusammehags der Volladdererzelle durch ee Fuktostabelle s c c - a b s c Techsche Iformatk I 5
6 Vo der Fukto zur Schaltug Bespel: Addto zweer Bärzahle S = A+B Aufbau eer Volladdererzelle c - a b s c a b c - s c Techsche Iformatk I 7
7 Frage Gbt es ee Sstematk zur Abbldug vo Fuktostabelle auf logsche Schaltuge (kaosche Forme? Wevele Gatter bestzt de kleste Schaltug, de dese Fukto realsert (Logkmmerug? Welche elemetare Gatter(fuktoe gbt es? Ist es mmer möglch, de kleste Schaltug zu fde? Techsche Iformatk I 8
8 Atworte Schaltalgebra: Spezelle Iterpretato der Boolesche Algebra Bass für de formale Etwcklug bärer Dgtalschaltuge Schaltfukto: Zuorduge f ( Belegug, f zugeordeter Fuktoswert Begrffe: Nullstellemege N, Esstellemege E, Redudazmege R Techsche Iformatk I 9
9 Fuktosbegrff Defto eer Schaltfukto (s st das Argumet, t der Fuktoswert: Agabe aller Paare (s, t mt s {, } (= Belegug ud t {, } X = (,...,, {, }... Fuktoeller Zusammehag f {, } Techsche Iformatk I
10 Fuktosdefto Abbldugsvorschrft: f (,, (,, (,, (,, (,, (,, (,, (,, (a a a Fuktosdarstellug: a a a Techsche Iformatk I 6
11 Klasse vo Schaltfuktoe häufg glt: cht alle Beleguge ka/muss e Fuktoswert zugeordet werde solche Zuorduge: -> Redudaz- oder Frestelle der Fukto -> Kezechug: - (sogeates do t care -> Stelle ka wahlwese mt oder belegt werde Also: Telmege vo Beleguge: - Nullstellemege N = { } - Esstellemege E = { } - Redudazmege R = { -} Bespel: Fukto mt Frestelle -> Fukto für BCD Zahle, wobe Egagskombatoe, de Pseudotetrade etspreche, mt Frestelle belegt werde Techsche Iformatk I 7
12 Techsche Iformatk I 8 Klasse vo Schaltfuktoe Klasse vo Schaltfuktoe Pseudotetrade a a a a Zffer
13 Klasse vo Schaltfuktoe Reale techsche Aweduge - Frestelle überwege häufg gegeüber - / -Stelle - Ma defert daher zwe Hauptklasse vo Fuktoe: - ee vollstädg deferte Schaltfukto ordet alle Beleguge ee Fuktoswert aus f {, } zu - ee uvollstädg deferte Schaltfukto ordet mdestes eer Belegug kee Fuktoswert aus f {, } zu -Wege {, } = glt: Be uvollstädge Schaltfuktoe lässt sch aus ewels zwe Telmege de fehlede drtte Telmege bestmme Techsche Iformatk I 9
14 Graphsche Darstellug vo Fuktoe Nebe tabellarscher Darstellug: es estere graphsch oreterte Darstelluge Tafelmethode (sogeate KV-Dagramme vor über Jahre vo Karaugh ud Vetch vorgeschlage Nachtele vo KV-Dagramme be Werte > (uüberschtlche Darstellug! Techsche Iformatk I
15 Graphsche Darstellug vo Fuktoe Bespel: Darstellug der Schaltfukto = f(a,a,a,a (durch telbare BCD-Zahl mttels Smmetredagramm a a a a Techsche Iformatk I
16 Smmetredagramme V eu = alt + V V H H eu = alt + V H eu = alt + 5 Etwcklug ees Smmetredagramms 5 5 eu = alt + 5 H = eu alt H V V 5 = = = = eu = alt + 6 = =5 = H 6 6 Techsche Iformatk I
17 Graphsche Darstellug vo Fuktoe Spezfkato / Schaltfuktoe: Fuktostabelle stellt be große Werte vo kee besoders effzete Darstellugstechk dar, da de Spaltezahl mt, de Zelezahl edoch mt wächst -> Es estere wetere Möglchkete zur Darstellug vo Schaltfuktoe Form spezeller Graphe z.b. Bar Decso Dagrams (BDDs Techsche Iformatk I
18 Graphsche Darstellug vo Fuktoe Bespel für de Darstellug mttels BDD: a b b a c a bede Darstelluge repräsetere de gleche Fukto a b c a b = Techsche Iformatk I
19 Graphsche Darstellug vo Fuktoe Bar Decso Dagrams (BDDs - Fuktoe lasse sch kaosch (edeutg darstelle Dese Egeschaft vo BDDs lässt für Äquvalezprüfuge vo Fuktoe ausutze -> Isomorpe-Test - darüber haus: es estere ee Rehe vo Verfahre, welche de rechergestützte Verarbetug vo BDD-Form dargestellte Fuktoe effzet ermöglche Techsche Iformatk I 5
20 Schaltfuktoe Egeschaft: Mt der Azahl vo bäre Varable wächst de Azahl möglcher Schaltfuktoe (MF eplososartg! Gesucht: Grudsätzlche Kostruktosvorschrft für Schaltfuktoe (uabhägg vo? Zel: Hardware-Realserug vo Schaltfuktoe Bespele: = MF = = MF = = MF = 6 = MF = 56. = MF = 8 Techsche Iformatk I 6
21 Möglche Schaltfuktoe be = = : MF = 6 = f(, eg. Dsukto (eg. Implkato eg. Implkato Atvalez eg. Koukto Koukto Äquvalez Implkato (Implkato Dsukto Techsche Iformatk I 7
22 Möglche Schaltfuktoe be = Egee Smbole ud Name: :, Koukto, UND-Verküpfug, AND 6 : +, V Dsukto, ODER-Verküpfug, OR 7 :,~ eg. Koukto, eg. UND-Verküpfug, NAND (NOT AND : V,~V eg. Dsukto, eg. ODER-Verküpfug, NOR (NOT OR 6 :,~ Atvalez XOR : Äquvalez : Implkato, mplzert, (aalog: 5 : mplzert, Techsche Iformatk I 8
23 Herletug der Normalformtheoreme Besodere Fuktoe: Koukto ud Dsukto Null- ud Esstellemege tele sch etrem auf, ewels : zu - Beleguge Koukto: (,, sost Dsukto: (,, sost etspreche de Operatore der sog. Schaltalgebra, eer spezelle Varate der Boolesche Algebra Techsche Iformatk I 9
24 Herletug der Normalformtheoreme Smmetredagramme: = = = V = = = V V Techsche Iformatk I
25 Herletug der Normalformtheoreme Gesucht: Grudsätzlche Kostruktosvorschrft für Schaltfuktoe (uabhägg vo? Bauprzp Alehug a de Reheetwcklug der Mathematk geegete (z.b. orthogoale Bassfuktoe b k ( ud Koeffzete A k = f( = A N b ( + A b ( + K+ A b ( = A b ( N N k k k= Frage: Gbt es Bassfuktoe ud geegete Koeffzete für belebge Schaltfuktoe? Techsche Iformatk I
26 Herletug der Normalformtheoreme Notwedg: Koukto / Dsukto -> Fuktoswert ( belebger Belegug zuorde köe Bespel: = Koukto: = Belebge Esstelle: =? Modfkato der Koukto Abbldug der Belegug = Techsche Iformatk I
27 Herletug der Normalformtheoreme Bespel: = Dsukto: = + + Belebge Nullstelle: =? Modfkato der Koukto Abbldug der Belegug = + + Techsche Iformatk I
28 Herletug der Normalformtheoreme Ergebs: Belegugsabbldug -> belebge Es- / Nullstelle für ede Belegug -> Mterm- ud Matermfuktoe Allgeme glt für = belebg: = = K K = = für für für für Bespel : = m m = =,, m m = =, m M m = = m k K K = M M k Mterm(fukto Materm(fukto = k,, k m m = = m m = M M = M m = m M = Techsche Iformatk I
29 Techsche Iformatk I 5 Herletug Herletug der der Normalformtheoreme Normalformtheoreme Gesucht: Grudsätzlche Kostruktosvorschrft für Schaltfuktoe (uabhägg vo : Verwedug orthogoaler Mterm- ud Matermbassfuktoe möglch? Möglche Fukto: Dsukto aller Mterme = m v m v m v m v m v m 5 v m 6 v m 7
30 Herletug der Normalformtheoreme Erweterug: Eführug vo Koeffzete A für Mterm- ud Matermbassfuktoe. Dadurch: Darstellug belebger Fuktoe möglch Reheetwcklug: Gewchtug der Bassfuktoe m mt A {, } = A m v A m v A m v A m v A m v A 5 m 5 v A 6 m 6 v A 7 m 7 A A A A A A A A A A A 5 A 5 5 A 6 A 6 6 A 7 7 A 7 Techsche Iformatk I 6
31 Bespel: Volladderer c - a b DNF: VA s c c - a b s c s = (c a b (c a b (c a b (c a b c = (c a b (c a b (c a b (c a b Techsche Iformatk I 7
32 Bespel: Volladderer c - a b KNF: VA s c c - a b s c s = (c a b (c a b (c a b (c a b c = (c a b (c a b (c a b (c a b Techsche Iformatk I 8
33 Normalformtheoreme Normalforme eer Schaltfukto -> kaosche Forme Dsuktve Normalform (DNF: = (f m (f m K (f m (f m oder kürzer = V = (f m Kouktve Normalform (KNF: = (f oder kürzer M (f = = (f M M K (f M (f Ergebs: Alle mt de Grudverküpfuge (Operatore Koukto, Dsukto ud Negato st es möglch, ede belebge Schaltfukto darzustelle. Ma sagt: [, V, _ ] st e Basssstem der Schaltalgebra M Techsche Iformatk I 9
34 Normalformtheoreme Hauptsatz der Schaltalgebra: Jede belebge vollstädg deferte Schaltfukto = f (,..., lässt sch als Dsukto vo Mterme <Koukto vo Materme> edeutg darstelle. I der Dsukto <Koukto> trete geau deege Mterme <Materme> auf, de zu de Esstelle <Nullstelle> der Schaltfukto gehöre. Techsche Iformatk I
35 Techsche Iformatk I Der Der Hauptsatz Hauptsatz der der Schaltalgebra Schaltalgebra Bespel: = f(,,, =, we de etsprechede Oktalzahl durch telbar st ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( : = KNF ( ( ( ( ( : = DNF
36 Bezehuge zwsche de Begrffe = = = K Bsp. : Ide (, K,, =, we, we = = Bsp. : m = = = Mterm K K m = M X Bsp. : Belegug = (, K,, (, K,, M = m Bsp. : M = V = = Materm K K DNF f = V (f m = Vm = f = Fuktostabelle {( X,f f f( X } f : = f = = (f KNF M = M f = Techsche Iformatk I
37 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Notwedg: für ede Operatortp ee passede techsche Realserug Mdestes Schaltgleder (Gatter für Koukto, Dsukto ud Negato otwedg. Defto: Schaltetz (ageleht a DIN IEC 78 E Schaltetz st ee Dgtalschaltug, der es für ede möglche Kombato vo dgtale Sgale a de Egäge ee - ud ur ee - Kombato vo dgtale Sgale a de Ausgäge gbt. X SN F Y Techsche Iformatk I
38 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Gattersmbole ach DIN-Norm (DIN 9: a b c d UND-Gled : (Zum Verglech alte Norm a = a b c d b c d ODER-Gled : a b = a v b v c v d c d : Negatosgled a = a a bc d a a = a a Techsche Iformatk I
39 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Gattersmbole (teratoale Norm: Fukto Smbol Smbol (DIN AND OR XOR = NAND NOR XNOR = Treber Negato Techsche Iformatk I 5
40 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Abletug eer Schaltug aus der DNF am Bespel Volladderer: c - a b VA s c s = (c a b (c a b (c a b (c a b Techsche Iformatk I 6
41 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Abletug eer Schaltug aus der KNF am Bespel Volladderer: c - a b VA s c s = (c a b (c a b (c a b (c a b Techsche Iformatk I 7
42 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Normalformoreterte Strukture: DNF als Bespel UND-Gleder der. Stufe ud e bzw. mehrere ODER-Gleder der Stufe Bespel : ULA (Uversal Logc Arra Mtermfuktoe m DNF UND- Matr (fest m m ODER- Matr (fest Y = f(x Techsche Iformatk I 8
43 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Bespel: = m v m v m 5 v m 6 v m 7 (Esstellemege (Nullstellemege X m m m 5 m 6 m 7 V = f(x Persoalserug (Programmerug: Möglch bem Blde der Mterme der. Stufe ud/oder Auswähle der Mterme der. Stufe. Techsche Iformatk I 9
44 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Normalformoreterte Strukture: Bespel : ROM (Read Ol Memor Mtermfuktoe UND- Matr (fest m m m ODER- Matr (progr. DNF Y = f(x Techsche Iformatk I 5
45 Normalformtheoreme: Praktsche Awedug Bespel: = m v m v m 5 v m 6 v m 7 X m m m 5 m 6 m 7 V = f(x Persoalserug erfolgt her der. Stufe Techsche Iformatk I 5
46 Logkoptmerug Bespel Volladderer: Drekte DNF-Realserug c - a b VA s c s c Gesamtkompletät: Gatter mt bs zu Egäge (Iverter och cht emal mtberückschtgt! Techsche Iformatk I 5
47 Logkoptmerug Bespel Volladderer: Optmerte Schaltug c - a b VA s c a b c - s c Gesamtkompletät: 5 Gatter mt mamal Egäge c Techsche Iformatk I 5
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