Rechnerstrukturen WS 2012/13

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1 Rechnerstrukturen WS 2012/13 Repräsentation von Daten Repräsentation von Texten (Wiederholung) Repräsentation ganzer Zahlen (Wiederholung) Repräsentation rationaler Zahlen (Wiederholung) Repräsentation anderer Daten Boolesche Funktionen und Schaltnetze Einleitung Boolesche Algebra Repräsentationen boolescher Funktionen Normalformen boolescher Funktionen Repräsentation boolescher Funktionen mit OBDDs Hinweis: Folien teilweise a. d. Basis von Materialien von Thomas Jansen 17. Oktober 2012 Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 1

2 Repräsentation von Texten: Unicode Prinzip: Standardisierte numerische Kodierung von Zeichen aktueller Standard Unicode 6.2 (26. September 2012) verwaltet vom Unicode-Konsortium ( unterstützt verschiedene Codierungsformate (Unicode Transformation Format): UTF-8, UTF-16, UTF-32 mit 8, 16, 32 Bits längere Formate erweitern kürzere Formate vereinbart auch weitere Informationen (z. B. Schreibrichtung, Kombination von Zeichen (Codepoints)) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 2

3 Repräsentation ganzer Zahlen: Überblick feste Länge l = 5, (2 l = 32, 2 l 1 = 16, 2 l 1 1 = 15) z VZ-Betrag Bias b = 16 Bias b = 15 1er-K. 2er-K Zweierkomplement bei weitem gebräuchlichste Darstellung Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 3

4 Repräsentation rationaler Zahlen Wunsch rationale Zahlen q Q repräsentieren können Vereinbarung feste Repräsentationslänge l Bits Feste Position des Kommas Festkommazahlen Beispiel = 16 = 8 = 4 = 2 = 1 = 0,5 = 0,25 = 0, , ,5 +0,125 = 22,625 allgemein bei v Vorkomma- und m Nachkommastellen z = v 1 z i 2 i i= m Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 4

5 Gleitkommazahlen: IEEE z = ( 1) s m 2 e mit s {0,1}, e Z, m Q und 1 m < 2 Festlegungen führende 1 der Mantisse wird nicht mit abgespeichert (heißt implizite Eins ) Mantisse in Binärcodierung (Festkommazahlen mit Ziffern ausschließlich hinter dem Komma) Exponent in Exzessdarstellung mit Bias b = 2 le 1 1 Gesamtlänge Vorzeichen Exponent Mantisse Precision single double Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 5

6 IEEE : ein Beispiel l = 32, l s = 1, l e = 8, l m = 23 b = = 127, e min = b +1 = 126, e max = 2 8 b 2 = 127 Wir wollen 3 darstellen. negativ, also Vorzeichenbit 1 Darstellung als Summe von Zweierpotenzen 3 = 2+1 = = ( ) 2 1 Exponent 1 Exzessdarstellung 1 + b = 128 darstellen 128 = ( ) 2 Mantisse 1,1, implizite Eins entfällt, also Ergebnis }{{} }{{ 0000} }{{} VZ Exponent Mantisse Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 6

7 Repräsentation anderer Daten hier für uns interessant primitive Daten (von Hardware direkt unterstützt) zentral Programme in der Regel Bitmuster fester Länge (z.b. 4 Byte): Befehl, Operand Problem Was repräsentiert ein Byte im Speicher? kaum verwendet: Typbits Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 7

8 Repräsentation von Datenfolgen Speicher oft in Worten organisiert Wort ja nach Rechner 2 Bytes, 4 Bytes,... heterogene Daten hintereinander in den Speicher schreiben dabei manchmal Wortgrenzen beachten dann leere Zellen (Bytes) möglich homogene Daten Arrays Problem Wie erkennt man das Ende der Folge? feste Anzahl vereinbaren Länge am Anfang speichern spezielles Endezeichen verwenden Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 8

9 Boolesche Funktionen und Schaltnetze Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 9

10 Boolesche Funktionen vielleicht schon bekannt Aussagenlogik Satz ist Aussage mit eindeutigem Wahrheitswert Wahrheitswerte wahr, falsch neue zusammengesetzte Aussagen durch Verknüpfung von Aussagen Verknüpfungen Negation (, nicht ) Konjunktion (, und ) Disjunktion (, oder ) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 10

11 Seien A, B zwei Aussagen. Definition Negation Definition der Verknüpfungen A A falsch wahr wahr falsch Definition Konjunktion A B A B falsch falsch falsch falsch wahr falsch wahr falsch falsch wahr wahr wahr A B A B falsch falsch falsch Definition Disjunktion falsch wahr wahr wahr falsch wahr wahr wahr wahr Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 11

12 Boolesche Algebra Definition 2 Wir nennen (B,,, ) mit B = {0,1} und x y = max{x,y}, x y = min{x,y}, x = 1 x für alle x,y B boolesche Algebra. George Boole, englischer Mathematiker, beobachte Entsprechungen: falsch 0 wahr 1 Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 12

13 Satz 3 Rechengesetze In der booleschen Algebra (B,,, ) gilt für alle x,y,z B: Kommutativität: x y = y x, x y = y x Assoziativität: (x y) z = x (y z), (x y) z = x (y z) Distributivität: x (y z) = (x y) (x z), x (y z) = (x y) (x z) Neutralelemente: x 0 = x, x 1 = x Nullelemente: x 1 = 1, x 0 = 0 Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 13

14 Rechengesetze II Satz 3 (cont.) In der booleschen Algebra (B,,, ) gilt für alle x,y,z B auch: Idempotenz: x = x x = x x Involution: x = x = x Absorption: (x y) x = x, (x y) x = x Resolution: (x y) (x y) = y, (x y) (x y) = y Komplementarität: x (y y) = x, x (y y) = x de Morgansche Regeln: x y = x y, x y = x y Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 14

15 Beweis Absorption Absorption: (x y) x = x linke Seite rechte Seite x y x y (x y) x x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 15

16 Definition 4 Repräsentationen boolescher Funktionen Seien n,m N. Eine Funktion f : B n B m heißt boolesche Funktion. Notation B n = Menge aller n-stelligen Tupel über B Beispiel B 2 = {(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)} Anzahl boolescher Funktionen boolesche Funktion f : B n B m als Wertetabelle darstellbar mit B n = 2 n Zeilen und B m = 2 m Möglichkeiten je Zeile 2 m2n = 2 m 2n boolesche Funktionen f : B n B m Beispiel = 2 4 = 16 boolesche Funktionen f : B 2 B Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 16

17 Alle booleschen Funktionen f : B 2 B x 0 1 x 0 1 y y f Nullfkt. 0 f NOR f AND f 1 0 Äquiv. f f Negation y f Proj. x f f f Negation x f 6 Proj. y f Impl. f XOR f NAND f OR f Einsfkt. 1 Verwenden im Weiteren (Konjunktion), (Disjunktion), (Negation) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 17

18 Darstellung boolescher Funktionen gerade gesehen Wertetabelle (Orientierung meistens wie hier) x y f bei fester Reihenfolge Wertevektor f 7 : (0,1,1,0) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 18

19 Index und Minterm Index x y f nicht einschlägig 1 1 einschlägig 2 1 einschlägig nicht einschlägig Definition Die boolesche Funktion, für die nur der Index i einschlägig ist, heißt Minterm zum Index i. Ein Minterm ist nur mit Negationen und Konjunktionen darstellbar: { 0 x j x j = 1 x j und dann Konjunktion all dieser Literale ( ˆ= [negierte] Variable) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 19

20 Beispiel zu Index und Minterm Index x 1 x 2 f nicht einschlägig 1 1 einschlägig 2 1 einschlägig nicht einschlägig Beispiel Minterm zum Index 2 = (10) 2, also m 2 (x 1,x 2 ) = x 1 x 2 Index x 1 x 2 x 1 x Hinweis: In der Regel abkürzende Notation der Konjunktion, z.b.: x 1 x 2 x 1 x 2 Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 20

21 Normalformen Für wie viele Eingaben liefert ein Minterm 1? klar für genau 1 Folgerungen Disjunktion aller Minterme zu einschlägigen Indizes einer booleschen Funktion f ist wieder f XOR-Verknüpfung aller Minterme zu einschlägigen Indizes einer booleschen Funktion f ist wieder f Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 21

22 Definition 8 Normalformen Die Darstellung von f als Disjunktion all ihrer Minterme zu einschlägigen Indizes heißt disjunktive Normalform (DNF). Die Darstellung von f als XOR-Verknüpfung all ihrer Minterme zu einschlägigen Indizes heißt Ringsummen-Normalform (RNF). Anmerkung Normalformen sind eindeutig. Index x y f 7 Minterm x y Beispiel 1 1 x y 2 1 x y x y DNF von f 7 x y x y RNF von f 7 x y x y Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 22

23 Funktionale Vollständigkeit Beobachtung jede boolesche Funktion f : B n B nur mittels Konjunktion, Disjunktion und Negation darstellbar (z.b. durch ihre DNF) Definition 5 Eine Menge F von booleschen Funktionen heißt funktional vollständig, wenn sich jede boolesche Funktion durch Einsetzen und Komposition von Funktionen aus F darstellen lässt. Satz 6 {,, } ist funktional vollständig. Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 23

24 Funktionale Vollständigkeit Gibt es kleinere funktional vollständige Mengen? Behauptung {, } und {, } sind beide funktional vollständig. Beobachtung Zum Beweis genügt es zu zeigen, dass {,, } darstellbar ist. Beweis. Anwendung der de Morgan-Regeln (Satz 3) x y = x y { } mit {, } darstellbar x y = x y { } mit {, } darstellbar Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 24

25 Kleinste funktional vollständige Mengen Wie viele Funktionen für funktionale Vollständigkeit mindestens? Satz 7 {NAND} ist funktional vollständig. Beweis. Es genügt, {, } mit NAND darzustellen. x = NAND(x,x) x x NAND(x, x) x y = NAND(NAND(x,x),NAND(y,y)) x y x y x y NAND(NAND(x,x),NAND(y,y)) Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 25

26 Vorsicht, Notation! Anmerkung x y x y x y = (x y) x y = ( x) ( y) x y x y x y Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 26

27 Maxterme Minterm-Darstellung betont Funktionswert 1. Definition Die boolesche Funktion, für die nur der Index i nicht einschlägig ist, heißt Maxterm zum Index i. Beobachtung Definition Maxterm unterscheidet sich nur in nicht von Definition Minterm Beobachtung m i Minterm zum Index i, M i Maxterm zum Index i M i = m i Beobachtung Konjunktion aller Maxterme zu nicht einschlägigen Indizes einer booleschen Funktion f ist wieder f Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 27

28 Fortsetzung von Definition 8 Normalformen Die Darstellung von f als Konjunktion all ihrer Maxterme zu nicht einschlägigen Indizes heißt konjunktive Normalform (KNF). Beispiel Index x y z f bsp x y z x y z x y z Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 28

29 Darstellungen boolescher Funktionen Wozu stellt man boolesche Funktionen dar? Realisierung Verifikation Fehleranalyse Synthese... Wo stellt man boolesche Funktionen dar? auf dem Papier im Computer Probleme Wertetabelle, Wertevektor immer groß Normalformen oft groß Normalformen unterstützen gewünschte Operationen kaum Wunsch andere Repräsentation Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 29

30 Eine Datenstruktur für boolesche Funktionen Ziel f : B n B darstellen Wünsche zu einer Belegung x 1,x 2,...,x n schnell den Funktionswert f(x 1,x 2,...,x n ) ausrechnen können Funktionen schnell auf Gleichheit testen können Funktionen schnell manipulieren (z. B. eine Variable konstant setzen) können schnell eine Null-Eingabe/eine Eins-Eingabe finden können Funktionen möglichst klein repräsentieren... Ordered Binary Decision Diagrams Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 30

31 OBDDs erster Schritt Festlegen einer Variablenordnung π (z.b. π = (x 3,x 1,x 2,x 4 )) dann Baue πobdd aus Knoten x 4 und Kanten x 2 1 x 3 oder 1 nach folgenden Regeln: Knoten mit Variablen, 0 oder 1 markiert Kanten mit 0 oder 1 markiert Variablen-Knoten mit je einer ausgehenden 0- und 1-Kante Konstanten-Knoten ohne ausgehende Kante genau ein Knoten ohne eingehende Kante Kanten zwischen Variablenknoten beachten π Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 31

32 Variablenordnung π = (x 1,x 2,x 3 ) πobdd Ein Beispiel x 1 Beispiel Auswertung f(1, 0, 1) x 1 = 1, x 2 = 0, x 3 = 1 f(1,0,1) = 1 x 2 x 2 x 3 x 3 x 3 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 32

33 πobdd-größe gleichartige Senken verschmelzen x 1 x 2 x 2 x 3 1 x 3 x 3 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 33 1

34 πobdd-größe gleichartige Knoten verschmelzen x 1 x 2 x 2 x 3 1 x 3 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 34 1

35 πobdd-größe Knoten ohne Einfluss eliminieren x 1 x 2 x 2 x 3 1 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 35 1

36 πobdd-größe Knoten ohne Einfluss eliminieren x x 2 x 3 1 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 36 1

37 πobdd-größe Knoten ohne Einfluss eliminieren x x 2 Größe minimal 0 1 x Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 37 1

38 Alternative Darstellung eines πobdds x 1 x 2 x 3 Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 38

39 OBDD-Reduzierung Satz 9 Die erschöpfende Anwendung der Verschmelzungsregel Knoten mit gleicher Markierung und gleichen Nachfolgern können verschmolzen werden und Eliminationsregel Ein Knoten mit gleichem Null- und Einsnachfolger kann entfernt werden in beliebiger Reihenfolge führt zum reduzierten πobdd. reduziert = minimale Größe und eindeutig Rechnerstrukturen º» Repräsentation von Daten Boole. Fkt. 39