Grundlagen Digitaler Systeme (GDS)
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Grundlagen Digitaler Systeme (GDS) Prof. Dr. Sven-Hendrik Voß | Sommersemester 2015 Technische Informatik (Bachelor), Semester 1 Termin 2, Donnerstag, 16.04.2015 Seite 2 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Inhaltsverzeichnis Aktuelles Themen und Termine Lernziele Boolesche Algebra De Morgansches Theorem Vereinfachungen ¨ Dualitatsprinzip Positive und negative Logik Zusammenfassung Sommersemester 2015 Seite 3 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Aktuelles Wahl eines Semestersprechers Lehrveranstaltungsmaterial online unter http://prof.beuth-hochschule.de/voss Tutorium startet erst ab 04.05.! Seite 4 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Themen und Termine - Seminaristischer Unterricht Seminaristischer Unterricht (SU) im Raum B323, donnerstags 10:00 - 11:30 Uhr Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Datum 09.04. 16.04. 23.04. 30.04. 07.05. 14.05. 21.05. 28.05. 04.06. 11.06. 18.06. 25.06. 02.07. 09.07. 16.07. 23.07. 30.07. Themen Einfuhrung; Boolesche Algebra (1) ¨ Boolesche Algebra (2) Vereinfachung logischer Funktionen (1) Vereinfachung logischer Funktionen (2) Zahlensysteme (1) Christi Himmelfahrt Zahlensysteme (2) Logische Grundschaltungen (1) Logische Grundschaltungen (2) ¨ Binar-Codes (1) ¨ Binar-Codes (2) Sequentielle Logik (1) Sequentielle Logik (2) Sequentielle Logik (3) Busse, Entwicklung Addierwerk Klausur Klausurruckgabe und -besprechung ¨ Kurztest 1 2 3 Seite 5 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Themen und Termine - Laborubung ¨ Laborubung(UE) im Raum B352, donnerstags 12:15 - 15:45 Uhr ¨ Nr. 1 2 3 4 5 6 Datum 23.04. / 30.04. 07.05. / 21.05. 28.05. / 04.06. 11.06. / 18.06. 25.06. / 02.07. 09.07. / 16.07. Themen Einfuhrung; Logische Grundfunktionen (UE1) ¨ Codierer/Decodierer (UE2) Multiplexer/Demultiplexer (UE3) Addier-/Subtrahierschaltungen (UE4) Flipflops/Schieberegister (UE5) Addierwerk (UE6) Seite 6 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Lernziele Nach diesem Termin sollten Sie... I die Gesetze der Booleschen Algebra kennen und diese zur ¨ Vereinfachung von Schaltungen einsetzen konnen I AND- und OR-Verknupfungen mittels Negation ineinander umwandeln ¨ ¨ konnen I Logikbausteine wie NAND und NOR kennen und vorteilhaft einsetzen ¨ konnen Seite 7 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Grundfunktionen der Schaltalgebra I AND, OR und NOT sind Grundfunktionen I ¨ mit AND, OR und NOT lassen sich samtliche Schaltfunktionen realisieren I ¨ aus AND, OR und NOT gebildetes System wird vollstandiges ” Logik-System“ genannt I Grundfunktionen lassen sich ausschließlich mit NAND- bzw. NOR-Gattern aufbauen Rechenregeln der Boolschen Algebra I wichtig fur ¨ die Vereinfachung komplizierter Funktionen I ¨ konnen durch Verwendung von Wahrheitstabellen bewiesen werden Seite 8 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Kommutativgesetz (Vertauschungsgesetz) x0 ∧ x1 = x1 ∧ x0 x0 ∨ x1 = x1 ∨ x0 ¨ Das Ergebnis der Verknupfung zweier Variablen hangt nicht von der ¨ Reihenfolge ab, in der die Variablen zueinander stehen. Seite 9 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Assoziativgesetz (Zusammenfassungsgesetz) (x0 ∧ x1 ) ∧ x2 = x0 ∧ (x1 ∧ x2 ) (x0 ∨ x1 ) ∨ x2 = x0 ∨ (x1 ∨ x2 ) ¨ Das Ergebnis der Verknupfung hangt nicht von der Reihenfolge in der ¨ Klammerung ab. Seite 10 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Distributivgesetz (Verteilungsgesetz) x0 ∧ (x1 ∨ x2 ) = (x0 ∧ x1 ) ∨ (x0 ∧ x2 ) x0 ∨ (x1 ∧ x2 ) = (x0 ∨ x1 ) ∧ (x0 ∨ x2 ) Entspricht der zwischen Multiplikation und Addition bekannten ¨ ¨ Gesetzmaßigkeit auf reelen Zahlenkorpern, wobei die AND-Verknupfung der ¨ Multiplikation und die OR-Verknupfung der Addition entspricht. ¨ Seite 11 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Absorptionsgesetz (Verschmelzungsgesetz) x0 ∧ (x0 ∨ x1 ) = x0 x0 ∨ (x0 ∧ x1 ) = x0 Ist x0 wahr, dann ist der Wert von x1 irrelevant. Der Ausdruck ist also ¨ vollstandig durch x0 bestimmt, x1 wird absorbiert. Seite 12 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra ¨ Idempotenzgesetz (Identitatsgesetz) x0 ∧ x0 = x0 x0 ∨ x0 = x0 Die Variable bleibt bei disjunktiver bzw. konjunktiver Verknupfung mit sich ¨ ¨ selbst unverandert. Seite 13 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra Existenz der neutralen Elemente x0 ∧ 1 = x0 x0 ∨ 0 = x0 Es existieren fur ¨ jede der beiden Operationen AND und OR je ein neutrales Element, fur mit einer Variablen x wiederum die ¨ welche die Verknupfung ¨ Variable x ergibt. Seite 14 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra ¨ Existenz der komplementaren Elemente x0 ∧ x0 = 0 x0 ∨ x0 = 1 Zu jeder Variable existiert auch das Komplement, so dass gezeigte Verknupfungen gelten. ¨ Seite 15 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Boolesche Algebra De Morgansches Theorem x0 ∧ x1 = (x0 ∨ x1 ) x0 ∨ x1 = (x0 ∧ x1 ) anders geschrieben: x0 ∧ x1 = x0 ∨ x1 x0 ∨ x1 = x0 ∧ x1 Das Komplement (die Negation) einer AND-Verknupfung von Variablen ist ¨ gleich der OR-Verknupfung der Komplemente aller Variablen und andersrum. ¨ Seite 16 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 De Morgansches Theorem Wichtigste Regel, die eine Umwandlung der AND-Verknupfung in eine ¨ OR-Verknupfung und umgekehrt erlaubt ¨ Satz von Shannon ¬(f (a, b, ..., ∧, ∨, 0, 1)) = f (¬a, ¬b, ..., ∨, ∧, 1, 0) . Verallgemeinerung des De Morganschen Theorems Satz von Shannon (De Morgansches Theorem) hat große Bedeutung fur ¨ die Schaltungstechnik, insbesondere bei der Transformation von Schaltungen Seite 17 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Vereinfachungen Durch Anwendung der Rechenregeln der Boolschen Algebra ergeben sich folgende Vereinfachungen x0 ∨ (x0 ∧ x1 ) = x0 ∨ x1 x0 ∧ (x0 ∨ x1 ) = x0 ∧ x1 (Adsorptionsgesetz) Im Detail: x0 ∨ (x0 ∧ x1 ) = (x0 ∨ x0 ) ∧ (x0 ∨ x1 ) = 1 ∧ (x0 ∨ x1 ) = x0 ∨ x1 (x0 ∧ x1 ) ∨ (x0 ∧ x1 ) = x0 (x0 ∨ x1 ) ∧ (x0 ∨ x1 ) = x0 (Nachbarschaftsgesetz) Beispiel: Vereinfachung von y = (x0 ∨ x2 ) ∧ (x1 ∨ x2 ) ∧ (x0 ∨ x2 ) ∧ (x1 ∨ x2 ) y = [(x0 ∧ x1 ) ∨ x2 ] ∧ [(x0 ∧ x1 ) ∨ x2 ] = (x0 ∧ x1 ) ∨ (x2 ∧ x2 ) (x0 ∧ x1 ) ∨ (x2 ∧ x2 ) = (x0 ∧ x1 ) ∨ 0 = x0 ∧ x1 Seite 18 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 ¨ Dualitatsprinzip Aus der Symmetrie der Gesetze erkannt man Folgendes: ¨ indem man 1. Gilt ein Gesetz, so gilt auch das Gesetz, welches man erhalt, AND und OR und die Konstanten 0 und 1 vertauscht → DUALES GESETZ 2. Analog dazu: Eine Funktion f’, die aus der Funktion f durch Vertauschen von AND und OR und 0 und 1 entstanden ist, heißt: → DUALE FUNKTION zu f Dies ist mit dem De Morganschen Theorem nachprufbar! ¨ (x0 ∧ x1 ∧ x2 ) = x0 ∨ x1 ∨ x2 Jede logische Schaltung realisiert zwei verschiedene, zueinander duale, Funktionen. Jeder dieser Funktionen sind bestimmte Zeilen der Wahrheitstabelle zugeordnet. Seite 19 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Positive und negative Logik Einfuhrung der Schaltalgebra: Werte 0 und 1 benutzt ¨ Schaltalgebra → konkrete Schaltung: Zuordnung erforderlich, welche Spannungen die logischen Werte darstellen Positive und negative Logik sind Notationskonventionen“ in der Digitaltechnik ” I ¨ ¨ Positive Logik: High-Pegel codiert Binarwert 1, Low-Pegel Binarwert 0 → high-active Konvention I ¨ ¨ Negative Logik: High-Pegel codiert Binarwert 0, Low-Pegel Binarwert 1 → low-active Konvention Merke: Wird ein Signal statt in positiver Logik in negativer Logik interpretiert (oder umgekehrt), so entspricht dies einer Negation an allen betroffenen Ein¨ und Ausgangen. Seite 20 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Positive und negative Logik Es gilt: I gleiche physikalische Realisierung I gleiche Ein- und Ausgangsspannungen I unterschiedliche Formen in der Schaltalgebra Elektrische Funktionstabelle x0 x1 y low low low low high low high low low high high high Wahrheitstabelle positive Logik x0 0 0 1 1 x0 x1 Wahrheitstabelle negative Logik x1 0 1 0 1 y 0 0 0 1 x0 1 1 0 0 x1 1 0 1 0 y 1 1 1 0 & y x0 x1 >=1 y Seite 21 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Zusammenfassung Heute haben Sie gelernt... I welche Rechenregeln in der Boolschen Algebra gelten I wie man komplizierte Funktionen vereinfacht I wie man positive in negative Logik uberf uhrt ¨ ¨ Seite 22 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 ¨ Ausblick auf nachste Stunde ¨ In der nachsten Stunde widmen wir uns... I der Minimierung Boolescher Funktionen I der Umformung in Normal- und Minimalform Seite 23 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Hinweise zum Selbststudium Zur Vertiefung wird empfohlen... I GDS-Skript I Dirk Hoffmann: Grundlagen der technischen Informatik, Hanser Verlag, ISBN 3446406913 Seite 24 Boolesche Algebra | Grundlagen digitaler Systeme | Sommersemester 2015 Kritik Nun sind Sie dran: I Kritik: Was funktioniert gut / was schlecht? I Anregungen I Wunsche ¨ I ¨ Verbesserungsvorschlage in Bezug auf Inhalt und Organisation der Vorlesung