Algebra Booleana - Ingegneria elettrica ed elettronica

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Università degli Studi di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
ALGEBRA BOOLEANA
Introduzione
Ø
George Boole (1815 - 1864) nel 1854 elaborò una
algebra basata su predicati logici.
Valori logici: VERO, FALSO
Operatori logici: AND, OR, NOT
Ø
Una espressione logica coinvolge variabili che
possono assumere valori logici e la sua
valutazione può produrre solo valori logici.
Ø
L’algebra di Boole fornisce un modello matematico che consente di valutare espressioni
logiche
Giuliano Armano
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Operatori Logici
Ø
Ø
Siano p e q due variabili che possono assumere
solo i valori logici VERO o FALSO
Operatori logici:
n
n
n
p AND q restituisce VERO solo se p e q sono entrambi VERO
p OR q restituisce VERO se una sola fra p e q o entrambi
sono VERO
NOT p restituisce la negazione di p: VERO se p è FALSO,
FALSO se p è VERO
Giuliano Armano
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Espressioni Logiche
Ø
Un esempio di espressione logica:
n
Se ((a < b) OR ((a ³ b) AND (c = d))) allora…
n
La parte in grassetto può essere vera o falsa.
n
L’espressione scritta sopra può essere semplificata in:
(a < b) OR (c = d)
Infatti nella prima espressione:
Se (a < b) è vera, non serve valutare la seconda parte
Si valuta la seconda parte solo se (a < b) è falsa. In questo
caso sicuramente (a ³ b), dunque non serve esplicitarlo!
n
n
n
n
Giuliano Armano
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Logica Proposizionale
Ø
La logica proposizionale fornisce gli strumenti
per valutare la verità o la falsità di espressioni
logiche
n
Per semplificare l’espressione precedente non è servito
conoscere il “significato” di (a < b), ma il fatto che (a< b)
e (a ³ b) sono complementari (quando una è vera l’altra è
falsa e viceversa)
Giuliano Armano
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Logica Proposizionale
Ø
Si utilizzano variabili logiche al posto di
espressioni che possono assumere i valori vero
o falso
n
Se indico (a < b) con p, (a ³ b) con NOT p e (c = d) con q,
allora p OR ((NOT p ) AND q) equivale all’espressione
precedente
Giuliano Armano
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Logica Proposizionale e Algebra di
Boole
Ø
Ø
Le espressioni logiche possono essere modificate
e/o semplificate in espressioni logiche
equivalenti, usando i teoremi dell’algebra di
Boole
Essendo uno strumento matematico, non ci
preoccupiamo del significato reale delle variabili.
NB L’argomento è approfondito nei corsi di Calcolatori Elettronici
e di Elettronica dei Sistemi Digitali
Giuliano Armano
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Algebre
Ø
Una struttura algebrica è definita come:
<D,f 1,…,f n,P1,…,Pm,…,x,y…>
Ø
dove:
n
n
D è un insieme (dominio)
fi è una funzione a ni argomenti in D e valori in D
n
Pi è un predicato a ni argomenti in D
n
x, y, … sono elementi distinti di D
Giuliano Armano
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Algebre (esempio)
Ø
<R, +,*, £, 0, 1>
è la struttura dei reali ordinata, con due
operazioni “+” e “*” commutative, associative,
aventi 0 e 1 rispettivamente come identità
Giuliano Armano
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Algebra Booleana
Ø
Un’Algebra Booleana è una sestupla del tipo
B,+,·,-, =,0,1
dove:
n
n
n
n
n
B è un insieme di almeno due simboli (arbitrariamente
definiti) sul quale è definita una relazione di equivalenza “=“
“+” è l’operazione di somma logica
“·” è l’operazione di prodotto logico
“-” è l’operazione di complemento logico
0 e 1 sono elementi di B (neutri rispetto a “+” e “·”)
Giuliano Armano
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Postulati
Ø
ESISTENZA ELEMENTO NEUTRO
a+0= a
a ·1 = a
Ø
elemento neutro rispetto a “+”
elemento neutro rispetto a “·”
ESISTENZA DEL COMPLEMENTO:
a + a =1
a·a = 0
complemento rispetto a “+”
complemento rispetto a “·”
NB È possibile formulare diverse Algebre Booleane a seconda
della scelta degli elementi di B e delle regole delle operazioni.
Giuliano Armano
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Postulati
Ø
Ø
COMMUTATIVITÁ
a+b=b+a
commutatività rispetto a “+”
a·b=b·a
commutatività rispetto a “·”
DISTRIBUTIVITÁ
a · (b + c) = (a · b) + (a · c)
distributività di “·” rispetto a “+”
a + (b · c) = (a + b) · (a + c) distributività di “+” rispetto a “·”
NB È possibile formulare diverse Algebre Booleane a seconda
della scelta degli elementi di B e delle regole delle operazioni.
Giuliano Armano
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Proprietà
Ø
Un’algebra Booleana è simmetrica rispetto a
(+, ·) e (0, 1)
n
Ø
Se nei postulati si sostituisce “+” con “·” (e viceversa) e 0
con 1 (e viceversa), si riottengono gli stessi postulati.
Il cosiddetto “principio di dualità” è una
conseguenza della proprietà di simmetria
Giuliano Armano
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Principio di Dualità
Ø
Se da una dimostrazione D(+, ·, 0, 1) si
sostituisce “+” con “·” (e viceversa) e 0 con 1 (e
viceversa), si ottiene una dimostrazione
D’(+, ·, 0, 1) duale rispetto alla precedente
Ø
Esempio (teoremi di De Morgan):
a + b = a ·b 1o teorema di De Morgan
ß
a·b = a + b 2o teorema di De Morgan
Giuliano Armano
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I Diagrammi di Venn
Ø
Un esempio di algebra Booleana sono i
diagrammi di Venn, dove:
n
n
n
n
n
n
B è l’insieme delle aree rappresentate da cerchi contenuti in
un rettangolo
“+” è l’operazione di unione delle aree
“·” è l’operazione di intersezione delle aree
“-” è l’operazione di complemento rispetto al rettangolo
0 è la regione di area nulla
1 è la regione contenuta nel rettangolo
Giuliano Armano
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Interpretazione Classica
Ø
L’interpretazione “classica” per l’algebra
Booleana del tipo B,+,·,-, =,0,1 è la seguente
logica proposizionale (logica circuitale):
n
n
n
n
n
n
B
è un insieme di costanti che possono assumere
i valori logici vero e falso (1 e 0)
“+” è l’operazione di or logico non esclusivo (vel)
“·” è l’operazione di and logico
“-”
0
1
è l’operazione di complemento logico
è la costante falso (0) [contraddizione]
è la costante vero (1) [tautologia]
Giuliano Armano
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Algebra di Boole, Aritmetica Binaria e
Circuiti Logici
Ø
Esiste una corrispondenza diretta fra l’aritmetica
binaria (prossimo capitolo), l’algebra di Boole e
la progettazione di circuiti logici.
n
n
n
I calcolatori elettronici rappresentano i dati in forma binaria,
cioè come sequenza di 0 e 1
Di conseguenza i dati possono essere visti come una
sequenza di variabili logiche
La progettazione dei circuiti digitali che elaborano dati in
forma binaria si avvale dei teoremi dell’algebra di Boole
Giuliano Armano
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Semplificazione di Funzioni Booleane
Ø
Esempi
n
x + x’y = (x + x’)(x + y) = 1×(x + y) = (x + y)
n
x(x’ + y) = xx’ + xy = 0 + xy = xy
x’y’z + x’yz + xy’ = x’z(y’ + y) + xy’ = x’z + xy’
xy + x’z + yz = xy + x’z + yz(x’ + x) =
= xy +x’z + x’yz + xyz = xy(1 + z) + x’z(1 + y) = xy + x’z
(x + y)(x’ + z)(y + z) = (x + y)(x’ + z)
n
n
n
NB L’apice ’ indica la negazione
Giuliano Armano
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Giuliano Armano
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