5. Vorlesung: Normalformen

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Marielies Stein
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1 5. Vorlesung: Normalformen Wiederholung Vollständige Systeme Minterme Maxterme Disjunktive Normalform (DNF) Konjunktive Normalform (KNF) 1

2 XOR (Antivalenz) X X X X X X ( X X ) ( X X ) X X X X X X ( X X ) ( X X )

X X X X ( X X ) ( X X ) 1 2 1 2 1 2 1 2 1

3 XOR, 3

4 XNOR (Äquivalenz) X X X X X X ( X X ) ( X X ) X X X X X X ( X X ) ( X X )

X X X X X ( X X ) ( X X ) 1 2 1 2 1 2 1 2

5 XNOR, 5

6 Vollständige Systeme 6

7 Vollständiges System aus UND, ODER und NICHT Die drei Grundverknüpfungen der Booleschen Algebra bilden ein vollständiges System. Dies bedeutet, dass mit diesen drei Verknüpfungen eine beliebige Schaltung aufgebaut werden kann. Für den Schaltungsentwurf müssen demnach nur drei Verknüpfungen zur Verfügung stehen. 7

Dies bedeutet, dass mit diesen drei Verknüpfungen eine beliebige Schaltung

8 Vollständiges System aus NAND I Bildet die NAND Verknüpfung ebenfalls ein vollständiges System? Es ist zu überprüfen ob UND,ODER und NICHT ausschließlich mit NAND Gattern realisiert werden können. 8

9 Vollständiges System aus NAND II NICHT Y = X X = X 1 X = X X Schaltungsaufbau? 9

10 Vollständiges System aus NAND III UND Y = ( X X ) 1 2 ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) ( X X ) Schaltungsaufbau? 10

11 Vollständiges System aus NAND IV ODER Y = ( X X ) 1 2 ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) ( X X ) Schaltungsaufbau? 11

12 Vollständiges System aus NOR I Bildet die NOR Verknüpfung ebenfalls ein vollständiges System? Es ist zu überprüfen ob UND,ODER und NICHT ausschließlich mit NOR Gattern realisiert werden können. 12

13 Vollständiges System aus NOR II NICHT Y = X X = X 0 X = X X Schaltungsaufbau? 13

14 Vollständiges System aus NOR III UND Y = ( X X ) 1 2 ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) ( X X ) Schaltungsaufbau? 14

15 Vollständiges System aus NOR IV ODER Y = ( X X ) 1 2 ( X X ) = ( X X ) = ( X X ) ( X X ) Schaltungsaufbau? 15

16 Laufzeit von Schaltungen Zur Lösung anspruchsvoller Aufgaben werden mehrstufige Schaltungen benötigt. Gemäß der Anzahl der Ebenen, wobei Negationen an Ein- und Ausgang nicht berücksichtigt werden, wird eine Schaltung als n-stufige Logik bezeichnet. Die Laufzeit der Schaltung ergibt sich als Summe der Laufzeiten aller Ebenen. 16

Gemäß der Anzahl der Ebenen, wobei Negationen an Ein- und Ausgang nicht

17 Komplexität von Schaltungen Die Komplexität bzw. der Aufwand von Schaltungen wird durch die Anzahl der Gattereingänge abgeschätzt. Zur Berechnung werden alle Eingänge aller Ebenen berücksichtigt. 17

18 Normalformen Normalformen dienen der Darstellung Boolescher Funktionen in einheitlicher Form. Jeder Term der Darstellung enthält alle Eingangsvariablen. Für die Boolesche Algebra ist die konjunktive und die disjunktive Normalform von Interesse. 18

Jeder Term der Darstellung enthält alle Eingangsvariablen.

19 Minterm (Vollkonjunktion) Ein Minterm ist eine Konjunktion, die alle Eingangsvariablen, nicht negiert oder negiert, enthält. Für eine Boolesche Funktion mit n Eingangsvariablen existieren daher genau 2 n Minterme. Für exakt eine Kombination der Zustände der Eingangsvariablen nimmt ein Minterm den Zustand wahr bzw. 1 an. Für alle anderen Kombinationen liefert der Minterm 0. 19

Für eine Boolesche Funktion mit n Eingangsvariablen existieren daher genau 2 n Minterme.

20 Minterme für zwei Eingänge X X m m m m Bitte notieren Sie die algebraische Darstellung für alle vier Minterme. X X m m m m X X X X X X X X

21 Maxterm (Volldisjunktion) Ein Maxterm ist eine Disjunktion, die alle Eingangsvariablen, nicht negiert oder negiert, enthält. Für eine Boolesche Funktion mit n Eingangsvariablen existieren daher genau 2 n Maxterme. Für exakt eine Kombination der Zustände der Eingangsvariablen nimmt ein Maxterm den Zustand falsch bzw. 0 an. Für alle anderen Kombinationen liefert der Maxterm 1. 21

22 Maxterme für zwei Eingänge X X M M M M Bitte notieren Sie die algebraische Darstellung für alle vier Maxterme. X X M M M M X X X X X X X X

23 Konvention Für die Indizierung der Min- bzw. Maxterme ist die Anwendung einer Konvention üblich. Die Zustände der Eingangsvariablen werden als Binärdarstellung einer Dezimalzahl interpretiert. Beispiel: X = 1, X = 1, X = 0 (110) (6)

24 Übung Bitte notieren Sie die algebraische Darstellung für den Term M 3 und die Darstellung für den Term m 7 einer Booleschen Funktion mit drei Eingangsvariablen. M (0,1,1) = X X X m (1,1,1) = X X X

25 Disjunktive Normalform X1 X2 Y Wie kann die XOR-Funktion mit Mintermen dargestellt werden? m1 = X1 X m2 = X1 X2 Y = ( X X ) ( X X )

26 Disjunktive Normalform (DNF) Eine beliebige Boolesche Funktion Y kann durch eine disjunktive Verknüpfung der Minterme realisiert werden, die für die Kombinationen der Eingangsvariablen eine 1 erzeugen, für welche Y = 1 gilt. Diese Beschreibung einer Booleschen Funktion wird als DNF bezeichnet. 26

27 Übung X1 X2 X3 Y Bitte bilden Sie die DNF für Y und zeichnen Sie den Schaltungsaufbau. Y = m0 m3 m5 m6 = ( X X X ) ( X X X ) ( X X X ) ( X X X )

28 Übung (Fortsetzung) X1 X2 X3 Y Y = ( X X X ) ( X X X ) ( X X X ) ( X X X )

29 Konjunktive Normalform X1 X2 Y Wie kann die XOR-Funktion mit Maxtermen dargestellt werden? M 0 = X1 X M 3 = X1 X2 Y = ( X X ) ( X X )

30 Konjunktive Normalform (KNF) Eine beliebige Boolesche Funktion Y kann durch eine konjunktive Verknüpfung der Maxterme realisiert werden, die für die Kombinationen der Eingangsvariablen eine 0 erzeugen, für welche Y = 0 gilt. Diese Beschreibung einer Booleschen Funktion wird als KNF bezeichnet. 30

31 Übung X1 X2 X3 Y Bitte bilden Sie die KNF für Y und zeichnen Sie den Schaltungsaufbau. Y = M1 M2 M4 M7 = ( X X X ) ( X X X ) ( X X X ) ( X X X )

32 Übung (Fortsetzung) X1 X2 X3 Y Y = ( X X X ) ( X X X ) ( X X X ) ( X X X )

33 Minimierungsverfahren Jede Boolesche Funktion kann wahlweise in disjunktiver oder konjunktiver Normalform dargestellt werden (DNF bzw. KNF). Diese Darstellungen können so vereinfacht werden, dass man die disjunktive bzw. konjunktive Minimalform erhält (DMF bzw. KMF). Zur Minimierung können drei verschiedene Verfahren zur Anwendung kommen: Boolesche Algebra, Algorithmische Verfahren, Graphische Verfahren. 33

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