Сообщение на тему карты карно

Обновлено: 05.07.2024

Ясно, что при разработке логических схем, немаловажной является задача минимизации количества используемых элементов (другими словами, логических операций).

В связи с этим, возникает задача минимизации логических функций в некотором классе формул. В частности, в классах ДНФ и КНФ.

Минимальная ДНФ Такая ДНФ, которая содержит наименьшее общее число вхождений переменных по сравнению со всеми равносильными ей ДНФ. Минимальная КНФ Такая КНФ, которая содержит наименьшее общее число вхождений переменных по сравнению со всеми равносильными ей КНФ.

Процесс нахождения минимальных форм, собственно, и называется минимизацией. В простых случаях, для минимизации достаточно тождественных преобразований. В более сложных – используются специальные алгоритмы.

Основным методом минимизации логических функций, представленных в виде СДНФ или СКНФ, является операция попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Операция попарного склеивания осуществляется между двумя членами, содержащими одинаковые переменные, вхождения которых (с отрицанием и без) совпадают для всех переменных, кроме одной. В этом случае все переменные, кроме одной, можно вынести за скобки, а оставшиеся в скобках прямое и инверсное вхождение одной переменной подвергнуть склейке. Например:

\[ \;\overline\;x_2x_3x_4 \vee \;\overline\;x_2\;\overline\;x_4 = \;\overline\;x_2x_4 (x_3 \vee\;\overline\;) = \;\overline\;x_2x_4 \mathbin1 = \;\overline\;x_2x_4. \]

Аналогично для КНФ:

\[ (\;\overline\;\vee x_2\vee x_3\vee x_4) (\;\overline\;\vee x_2\vee\;\overline\;\vee x_4) = \;\overline\;\vee x_2\vee x_4\vee x_3\;\overline\; = \;\overline\;\vee x_2\vee x_4\vee 0 = \;\overline\;\vee x_2\vee x_4. \]

Возможность поглощения следует из очевидных равенств

Таким образом, главной задачей при минимизации СДНФ и СКНФ является поиск членов, пригодных к склейке с последующим поглощением, что для больших форм может оказаться достаточно сложной задачей.

Графический способ минимизации булевых функций. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как построенная соответствующим образом таблица истинности функции.

Карты Карно можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба.

В карту Карно булевы переменные передаются из таблицы истинности и упорядочиваются с помощью кода Грея, в котором каждое следующее число отличается от предыдущего только одним разрядом.

Булевы функции $N$ переменных, представленные в виде СДНФ или СКНФ, могут иметь в своём составе $2^N$ различных элементарных членов.

Элементарные члены СДНФ или СКНФ образуют структуру, топологически эквивалентную $N$ -мерному кубу. Действительно, если рассматривать набор значений функции $x_1,\,\ldots,\,x_N$ как $N$ -мерный вектор $\$ , мы получим набор точек, лежащих на ортах $N$ -мерной системы координат, и удаленных друг от друга на $1$ . Другими словами, мы получим $N$ -мерный гиперкуб с ребром $1$ .

Презентация на тему: " Карта Карно. Введение По сути Карта Карно это таблица истинности составленная в 2-х мерном виде. Благодаря использованию кода Грея( система счисления," — Транскрипт:

2 Введение По сути Карта Карно это таблица истинности составленная в 2-х мерном виде. Благодаря использованию кода Грея( система счисления, в которой два соседних значения различаются только в одном разряде.) в ней верхняя строка является соседней с нижней, а правый столбец соседний с левым, т.о. вся Карта Карно сворачивается в фигуру тор. На пересечении строки и столбца проставляется соответствующее значение из таблицы истинности. После того как Карта заполнена можно приступать к минимизации. Если необходимо получить минимальную ДНФ, то в Карте рассматриваем только те клетки которые содержат единицы, если нужна КНФ, то рассматриваем те клетки которые содержат нули.

3 Карта Карно́ графический способ минимизации переключательных (булевых) функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями и устранение потенциальных гонок. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как перестроенная соответствующим образом таблица истинности функции. Карты Карно можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба.

6 Пример Составим таблицу истинности согласно заданных условий задачи: Переставим в ней строки и столбцы в соответствии с кодом Грея. Получили Карту Карно: Заполним её значениями из таблицы истинности

7 Минимизируем в соответствии с правилами:.

8 1. Все области содержат 2^n клеток; 2. Так как Карта Карно на четыре переменные оси располагаются на границах Карты и их не видно (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных); 3. Так как Карта Карно на четыре переменные все области симметрично осей смежные между собой (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных); 4. Области S3, S4, S5, S6 максимально большие; 5. Все области пересекаются (не обязательное условие); 6. В данном случае рациональный вариант только один.

9 Теперь по полученной минимальной ДНФ можно построить логическую схему:

Карта Карно́ — графический способ минимизации переключательных (булевых) функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями и устранение потенциальных гонок. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как перестроенная соответствующим образом таблица истинности функции. Карты Карно можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба.

Содержание

Основным методом минимизации логических функций, представленных в виде СДНФ или СКНФ является операция попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Операция попарного склеивания осуществляется между двумя термами (членами), содержащими одинаковые переменные, вхождения которых (прямые и инверсные) совпадают для всех переменных, кроме одной. В этом случае все переменные, кроме одной, можно вынести за скобки, а оставшиеся в скобках прямое и инверсное вхождение одной переменной подвергнуть склейке. Например:

$\overline _1X_2X_3X_4 \vee \overline_1X_2\overline_3X_4 = \overline _1X_2X_4 (X_3 \vee \overline_3) = \overline _1X_2X_4.$

Аналогично для КНФ:

$(\overline _1\vee X_2\vee X_3\vee X_4) (\overline _1\vee X_2\vee \overline_3\vee X_4) = \overline _1\vee X_2\vee X_4\vee X_3\overline _3 = \overline _1\vee X_2\vee X_4.$

Возможность поглощения следует из очевидных равенств

$A \vee \overline= 1; A\overline = 0.$

Таким образом, главной задачей при минимизации СДНФ и СКНФ является поиск термов, пригодных к склейке с последующим поглощением, что для больших форм может оказаться достаточно сложной задачей. Карты Карно предоставляют наглядный способ отыскания таких термов.

Как известно, булевы функции N переменных, представленные в виде СДНФ или СКНФ могут иметь в своём составе 2 N различных термов. Все эти члены составляют некоторую структуру, топологически эквивалентную N–мерному кубу, причём любые два терма, соединённые ребром, пригодны для склейки и поглощения.

На рисунке изображена простая таблица истинности для функции из двух переменных, соответствующий этой таблице 2-мерный куб (квадрат), а также 2-мерный куб с обозначением членов СДНФ и эквивалентная таблица для группировки термов:

В случае функции трёх переменных приходится иметь дело с трёхмерным кубом. Это сложнее и менее наглядно, но технически возможно. На рисунке в качестве примера показана таблица истинности для булевой функции трёх переменных и соответствующий ей куб.

Как видно из рисунка, для трёхмерного случая возможны более сложные конфигурации термов. Например, четыре терма, принадлежащие одной грани куба, объединяются в один терм с поглощением двух переменных:

_1\overline _2\overline _3 \vee X_1\overline _2\overline _3 \vee \overline _1\overline _2X_3 \vee X_1\overline _2X_3 =" />
_2 (\overline _1\overline_3 \vee \overline _1X_3 \vee X_1\overline _3 \vee X_1X_3) = \overline _2 (\overline _1 \vee X_1)(\overline _3 \vee X_3) = \overline _2 " />

В общем случае можно сказать, что 2 K термов, принадлежащие одной K–мерной грани гиперкуба, склеиваются в один терм, при этом поглощаются K переменных.

Для упрощения работы с булевыми функциями большого числа переменных был предложен следующий удобный приём. Куб, представляющий собой структуру термов, разворачивается на плоскость как показано на рисунке. Таким образом появляется возможность представлять булевы функции с числом переменных больше двух в виде плоской таблицы. При этом следует помнить, что порядок кодов термов в таблице (00 01 11 10) не соответствует порядку следования двоичных чисел, а клетки, находящиеся в крайних столбцах таблицы, соседствуют между собой.

Аналогичным образом можно работать с функциями четырёх, пяти и более переменных. Примеры таблиц для N=4 и N=5 приведены на рисунке. Для этих таблиц следует помнить, что соседними являются клетки, находящиеся в соответственных клетках крайних столбцов и соответственных клетках верхней и нижней строки. Для таблиц 5 и более переменных нужно учитывать также, что квадраты 4х4 виртуально находятся друг над другом в третьем измерении, поэтому соответственные клетки двух соседних квадратов 4х4 являются сосоедними, и соответствующие им термы можно склеивать.

Карта Карно может быть составлена для любого количества переменных, однако удобно работать при количестве переменных не более пяти. По сути Карта Карно — это таблица истинности составленная в 2-х мерном виде. Благодаря использованию кода Грея в ней верхняя строка является соседней с нижней, а правый столбец соседний с левым, т.о. вся Карта Карно сворачивается в фигуру тор (бублик). На пересечении строки и столбца проставляется соответствующее значение из таблицы истинности. После того как Карта заполнена, можно приступать к минимизации.

Если необходимо получить минимальную ДНФ, то в Карте рассматриваем только те клетки которые содержат единицы, если нужна КНФ, то рассматриваем те клетки которые содержат нули. Сама минимизация производится по следующим правилам (на примере ДНФ):

$\infty$

объединяем смежные клетки содержащие единицы в область, так чтобы одна область содержала 2 n ( n целое число = 0…) клеток(помним про то что крайние строки и столбцы являются соседними между собой), в области не должно находиться клеток содержащих нули;
область должна располагаться симметрично оси(ей) (оси располагаются через каждые четыре клетки);
не смежные области расположенные симметрично оси(ей) могут объединяться в одну;
область должна быть как можно больше, а кол-во областей как можно меньше;
области могут пересекаться;
возможно несколько вариантов накрытия.

Далее берём первую область и смотрим какие переменные не меняются в пределах этой области, выписываем конъюнкцию этих переменных, если неменяющаяся переменная нулевая, проставляем над ней инверсию. Берём следующую область, выполняем то же самое что и для первой, и т. д. для всех областей. Конъюнкции областей объединяем дизъюнкцией.
Например(для Карт на 2-ве переменные):

Для КНФ всё то же самое, только рассматриваем клетки с нулями, не меняющиеся переменные в пределах одной области объединяем в дизъюнкции (инверсии проставляем над единичными переменными), а дизъюнкции областей объединяем в конъюнкцию. На этом минимизация считается законченной. Так для Карты Карно на рис.1 выражение в формате ДНФ будет иметь вид: \ \overline\vee X1X2X4\vee \overline\ \overline" />

В формате КНФ:
)(X2\vee \overline)(\overline\vee \overline \vee X4)" />

Так же из ДНФ в КНФ и обратно можно перейти использовав Законы де Моргана.

У мальчика Коли есть мама, папа, дедушка и бабушка. Коля пойдёт гулять на улицу, если ему разрешат хотя бы двое родственников.
Для краткости обозначим родственников Коли через буквы:
мама — х1
папа — х2
дедушка — х3
бабушка — х4
Условимся обозначать согласие родственников единицей, не согласие нулём. Возможность пойти погулять обозначим буквой f, Коля идёт гулять — f = 1, Коля гулять не идёт — f = 0.
Составим таблицу истинности:

Перерисуем таблицу истинности в 2-х мерный вид:

Переставим в ней строки и столбцы в соответствии с кодом Грея. Получили Карту Карно:

Заполним её значениями из таблицы истинности:

Минимизируем в соответствии с правилами:

1. Все области содержат 2^n клеток;
2. Так как Карта Карно на четыре переменные оси располагаются на границах Карты и их не видно (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных);
3. Так как Карта Карно на четыре переменные все области симметрично осей — смежные между собой (подробнее смотри пример Карты на 5 переменных);
4. Области S3, S4, S5, S6 максимально большие;
5. Все области пересекаются (не обязательное условие);
6. В данном случае рациональный вариант только один.

Теперь по полученной минимальной ДНФ можно построить логическую схему:

Из за отсутствия в наличии шести-входового элемента ИЛИ, реализующего функцию дизъюнкции, пришлось каскадировать пяти- и двух-входовые элементы(D7, D8).

Составим мин. КНФ:

$f(X1,X2,X3,X4) = (S1)\ (S2)\ (S3)\ (S4) =$
$= (X1\vee X2\vee X3)(X1\vee X3\vee X4)(X2\vee X3\vee X4)(X1\vee X2\vee X4)$

Имеем такую таблицу истинности:

Карта Карно будет выглядеть следующим образом (для лучшего визуального восприятия в Карту нули не записываем):

Неправильно (на примере ДНФ):

— Область S1 — накрыта правильно;
— Область S2 — нарушает п.1;
— Область S3 — нарушает п.2;
-Области S4 и S6 — не выполняют п.3, это не является ошибкой — выражение получится больше чем если бы S4 и S6 представляли собой одну область;
— Область S5 — нарушает п.1 по кол-ву клеток и по недопустимости нахождения нулей в области.

Правильно, но не оптимально:

Эта карта Карно минимизирована неоптимально, так как можно объединить единицы, входящие в члены S3 и S5.

Минимизировав эту Карту получаем следующую ДНФ:

\ \overlineX3X5\ \vee\ X1\overline\ \overline\ \overline\ \vee\ \overline\ \overlineX4\overline\ \vee\ \overline\ \overlineX4\overline\ \vee\ \overline\ \overline\ \overline\ \overline\ \vee\ X1X4X5" />

$f(X_1,X_2,X_3,X_4,X_5) = S_1\vee S_2\vee S_3\vee S_4\vee S_5 =$

$=\overline \ \overline\ \overline\ \vee \vee X_1 \overline\ \overline\ \overline\ \vee \overline\ \overline\ \vee \overline\ \overline\$

Составим минимальную КНФ:

\vee\overline\vee X5)(X3\vee X4\vee\overline)(\overline\vee\overline\vee X4)" />
\vee X4\vee\overline)(X1\vee X3\vee\overline\vee\overline)(X1\vee\overline\vee\overline) (X1\vee\overline\vee X4\vee X5)" />

Другой вариант той же самой Карты Карно:

Ничего не меняется только в строках записано три переменных, а в столбцах две.

Предположим, по имеющейся таблице истинности составлена такая Карта Карно:

Найдём минимальную ДНФ: \ \overline\ \vee\ X1\overlineX7\overline\ \vee\ X1X6X7X8\ \vee\ \overline\ \overlineX6\overlineX8" />

Минимальная КНФ:
\vee\overline\vee X7) (X6\vee\overline\vee\overline)(\overline\vee X8)(X1\vee X6)(X1\vee \overline\vee\overline)(X1\vee \overline)" />

Метод Карно основан на законе склеивания. Склеиваются наборы , отличающиеся друг от друга значением одного разряда. Такие наборы называются соседними. Карно закодировал клетки своей карты так ,что в соседних клетках оказались соседние, а значит, склеивающиеся наборы. Соседними могут быть не только отдельные клетки, которые мы назовем элементарными квадратами Карно, но и целые группы соседних клеток (назовем их прямоугольниками Карно). Под прямоугольником Карно будем понимать некоторую, зачастую разрозненную фигуру покрытия, все соседние клетки которой закодированы соседними наборами.

Например, на вышеприведённом рисунке в поле карты для 4-х переменных изображён прямоугольник Карно P, состоящий из четырёх элементарных квадратов Карно, описываемых наборами x4'x3'x2'x1' , x4'x3'x2x1' , x4x3'x2'x1' , x4x3'x2x1' . Если над логической суммой этих четырёх наборов произвести последовательно операции склеивания, то мы аналитически получим результат в виде импликанты (под импликантой будем понимать неполный набор x3'x1'. Карта Карно позволяет получить этот результат графически значительно быстрее и проще. Для решения этой задачи используем алгоритм графической минимизации. Кстати говоря, сам Карно никакого алгоритма не предложил.

Правило склеивания. Карты Карно

Упрощение выражений булевых функций (минимизация) основывается на понятии несущественности переменных. Переменная называется несущественной на паре наборов, если при изменении ее значения на противоположное булева функция сохраняет свое значение.

Например, для булевой функции трех переменных, f (1, 3, 5, 6, 7) = 1 , которая рассматривалась в подразделе 1.3 "Теории переключательных схем", 6-я и 7-я конъюнкции имеют вид : x1x23, x1x2x3.

По дистрибутивному закону :

x1x23 v x1x2x3 = x1x2 ( 3 v x3 ) = x1x2.

Таким образом, две конъюнкции, содержащие несущественную переменную, заменяются одной, в которой несущественная переменная отсутствует.

В кубическом виде склеивание имеет следующую интерпретацию : 1 1 0 1 1 1 = 1 1 X , что соответствует конъюнкции x1x2.

Приведем основные определения, используемые при минимизации булевых функций. Данные определения используют понятия нормальных (канонических) форм булевых функций, введенные в подразделе 1.3 .

Число переменных, входящих в элементарную конъюнкцию (для ДНФ) или в элементарную дизъюнкцию (для КНФ) называется ее рангом.

В основе любых методов минимизации лежит операция склеивания. Два элементарных произведения одного ранга (для ДНФ) или элементарных сумм одного ранга (для КНФ) склеиваются, если они различаются только по одной переменной.

Операция Аx v A = A называется полным склеиванием, а операция Аx v A = A v Аx v A - неполным склеиванием (для ДНФ).

Операция ( А v x )· ( A v ) = A называется полным склеиванием, а операция ( А v x )· ( A v ) = A· ( А v x )· ( A v ) - неполным склеиванием (для КНФ).

Например, полное склеивание (x1 v x2 v x3)· (x1 v x2 v 3) = x1 v x2 ;

Неполное склеивание x1x2x3 v x1x23 = x1x2 v x1x2x3 v x1x23 .

Импликантой называется элементарное произведение, равное 1 на одном или нескольких наборах, где данная функция равна 1, и равное 0 на всех наборах, где данная функция равна 0. Импликанта покрывает один или несколько минтермов рассматриваемой булевой функции. Обычно, импликанта - это результат склеивания соответствующих минтермов или импликант.

Простая импликанта - это импликанта, которая содержит хотя бы минтерм функции, но перестает быть импликантой после удаления любого аргумента (иными словами, это импликанта, к которой не нельзя применить операцию склеивания).

Сокращенная ДНФ - это дизъюнкция всех простых импликант.

Существенная импликанта - это простая импликанта, образованная склеиванием таких минтермов, что по крайней мере для одного из них эта операция была единственной. Существенные импликанты образуют ядро функции.

Тупиковая ДНФ - это дизъюнкция простых импликант, из которых ни одна не является лишней.

МДНФ (минимальная ДНФ) - тупиковая ДНФ с минимальным числом вхождений переменных (минимальным числом букв) по сравнению с другими тупиковыми формами этой функции.

Имплицентой называется элементарная логическая сумма, равная 0 на одном или нескольких наборах, где данная функция равна 0, и равная 1 на всех наборах, где данная функция равна 1. Имплицента покрывает один или несколько макстермов рассматриваемой булевой функции. Обычно, имплицента - это результат склеивания соответствующих макстермов.

Простая имплицента - это имплицента, которая содержит хотя бы макстерм функции, но перестает быть имплицентой после удаления любого аргумента (иными словами, это имплицента, к которой не нельзя применить операцию склеивания).

Сокращенная КНФ - это конъюнкция всех простых имплицент.

Существенная имплицента - это простая имплицента, образованная склеиванием таких макстермов, что по крайней мере для одного из них эта операция была единственной. Существенные имплиценты образуют ядро функции.

Тупиковая КНФ - это конъюнкция простых имплицент, из которых ни одна не является лишней.

МКНФ (минимальная КНФ) - тупиковая КНФ с минимальным числом вхождений переменных (минимальным числом букв) по сравнению с другими тупиковыми формами этой функции.

Правила минимизации с использованием карт Карно

1. В карте Карно группы единиц (для получения ДНФ) и группы нулей (для получения КНФ) необходимо обвести четырехугольными контурами. Внутри контура должны находится только одноименные значения функции. Этот процесс соответствует операции склеивания или нахождения импликант данной функции.

2. Количество клеток внути контура должно быть целой степенью двойки (1, 2, 4, 8, 16. ).

3. При проведении контуров крайние строки карты (верхние и нижние, левые и правые), а также угловые клетки, считаются соседними (для карт до 4-х переменных).

4. Каждый контур должен включать максимально возможное количество клеток. В этом случае он будет соответствовать простой импликанте.

5. Все единицы (нули) в карте (даже одиночные) должны быть охвачены контурами. Любая единица (нуль) может входить в контуры произвольное количество раз.

6. Множество контуров, покрывающих все 1 (0) функции образуют тупиковую ДНФ (КНФ). Целью минимизации является нахождение минимальной из множества тупиковых форм.

7. В элементарной конъюнкции (дизъюнкции), которая соответствует одному контуру, остаются только те переменные, значение которых не изменяется внутри обведенного контура. Переменные булевой функции входят в элементарную коньюнкцию (для значений функции 1) без инверсии, если их значение на соответствующих координатах равно 1 и с инверсией - если 0. Для значений булевой функции, равных 0, записываются элементарные дизьюнкции, куда переменные входят без инверсии, если их значение на соответствующих координатах равно 0 и с инверсией - если 1.

Если рассматривать запись результатов минимизации в кубическом виде, то при минимизации булевой функции по единичным значениям, каждой конъюнкции ранга R соответствует куб ранга R, где каждой переменной без инверсии соответствует 1 в кубе, переменной с инверсией - 0, а на месте отсутствующей переменной ставиться X . Полученное множество кубов образует единичное покрытие C1 (соответствующее ДНФ).

При минимизации булевой функции по нулевым значениям и представлении результатов минимизации в кубическом виде, нулевое покрытие C0 формируется на основе обратной ДНФ , которая является инверсной функцией по отношению к КНФ (способ построения инверсных функций и пример инверсных функций для f ( 1,3,5,6,7 ) = 1 рассмотрен в подразделе 1.3). Отметим, что обратная ДНФ строится на основе КНФ. Таким образом каждой дизъюнкции ранга R (из КНФ) соответствует куб ранга R, где каждой переменной без инверсии соответствует 0 в кубе, переменной с инверсией - 1, а на месте отсутствующей переменной ставиться X . Полученное множество кубов образует нулевое покрытие C0.

При данном способе задания таблица истинности функции представляется в виде координатной карты состояний, которая содержит 2n клеток (по числу входных наборов булевой функции n переменных). Переменные функции разбиваются на две группы так, что одна группа определяет координаты столбца карты, а другая - координаты строки.

При такoм способе построения каждая клетка определяется значениями переменных, соответствующих определенному двоичному набору. Внутри каждой клетки карты Карно ставится значение функции на данном наборе. Переменные в строках и столбцах располагаются так, чтобы соседние клетки карты Карно различались только в одном разряде переменных, т.е. были соседними. Поэтому значения переменных в столбцах и в строках карты образуют соседний код Грея. Такой способ представления очень удобен для наглядности при минимизации булевых функций.

Карты Карно были изобретены в 1952 Эдвардом В. Вейч’ем и усовершенствованы в 1953 Морисом Карно, физиком из "Бэлл Лабс" Метод карт Карно применим к минимизации булевых функций до 6-ти переменных (до 4 переменных на плоскости) и до 6 - в трехмерной интерпретации.

Если требуется получить карту Карно для какой – либо функции, сначала надо записать эту функцию в СДНФ, – в совершенной дизъюнктивно нормальной форме, или в виде таблицы истинности.

Каждое слагаемое булева выражения в СДНФ, или каждая единица в столбце функции таблицы истинности, задается на карте Карно единицей в соответствующей клетке. Координаты этой клетки содержат те же входные переменные и их инверсии, что и данное слагаемое СДНФ булева выражения ( или данная строка таблицы истинности ).

Taблица истинности для четырех переменных включает 16 строк, следовательно карта Карно должна состоять из 16 клеток, как показано на рисунке:

У карты Карно для четырех переменных клетки крайнего левого столбца должны рассматриваться как соседние для клеток крайнего правого столбца, а клетки верхней строки, – как соседние для клеток нижней строки. Другими словами можно сказать, что эта карта расположена на поверхности цилиндра (склеили правый край карты с левым ), изогнутого и растянутого так, что его верхний срез соединяется с нижним срезом; при этом цилиндр превращается в тор (бублик).

Правила упрощения заполненной карты Карно для четырех переменных заключаются в следующем :

– соседние две, четыре, или восемь единиц обводят общим контуром;

– контур должен быть прямоугольным без изгибов или наклонов;

– каждый контур превращает все входящие в него единицы в одну, т.е. объединенные таким образом слагаемые СДНФ булева выражения дают одно слагаемое в упрощенном выражении;

– те входные переменные, которые входят в координаты данного контура совместно со своими инверсиями, исключаются из слагаемого, которое дает этот контур в упрощенное выражение.

Примеры упрощения булевых выражений с помощью карты Карно:

В первом примере минимизации булевой функции F1 нижний контур из двух единиц 15 и 16 , соответствующие пятому и шестому слагаемым в исходном булевом выражении, дает возможность опустить B и`B. После этого в нем остается произведение `A C`D. В верхнем контуре из четырех единиц 11, 12, 13 и 14 , соответствующие первым четырем слагаемым в исходном булевом выражении попарно опускаются A и`A, D и`D, так что в результате этого верхний контур дает произведение B C.

Во втором примере минимизации булевой функции F2 контур из двух единиц 12 и 13 , соответствующие второму и третьему слагаемым в исходном булевом выражении, дает возможность опустить А и`А. После этого в нем остается произведение B`C`D. В контуре из четырех единиц 11, 12, 14 и 15 , соответствующие другим четырем слагаемым из исходного булева выражения, попарно опускаются В и`В, С и`С, так что в результате этого верхний контур дает произведение `A`D.

Карта Карно представляется в данном случае свернутой в цилиндр, в котором верхний край совмещается с нижним. Этот пример показывает также, что контура могут накладываться друг на друга.

Правило покрытия 1.

Любой области из 2k смежных клеток можно поставить в соответствие конъюнкцию (n-k)-го ранга, состоящую из переменных, которые имеют постоянное значение во всех единичных наборах, соответствующих клеткам области. Причем переменная xi включается в конъюнкции в прямом виде, если эта переменная имеет значение 1 на всех клетках области.

Соответственно переменная xi включается в конъюнкции в инверсном виде, если она имеет значение 0 на всех клетках области. "Покрытая" область на карте обводится контуром. Дизъюнкция конъюнкции, совместно покрывающих все клетки карты, заполненные единицами, есть одна из ДНФ переключательной функции.

Цель минимизации формулы ПФ по карте Карно - "покрыть" все клетки, содержащие единицы, наименьшим числом конъюнкции наименьшего ранга, т. е. "покрыть" наименьшим числом контуров, каждый из которых охватывает как можно большую область смежных клеток, все клетки, содержащие единицы. Дизъюнкция полученных конъюнкций есть одна из тупиковых (возможно, минимальная) ДНФ функции.

Простым импликантам (минималям) в методе Квайна-Мак-Класки на карте Карно соответствуют области смежных клеток, не являющиеся частью никакой другой области смежных клеток.

Обязательной простой импликанте (экстремали) в методе Квайна-Мак-Класки соответствует область смежных клеток, которая покрывает хотя бы одну единичную клетку, не входящую в состав никакой из других областей смежных клеток.

Правило покрытия 2.

Любой смежной области 2k клеток, заполненных нулями, можно поставить в соответствие дизъюнкцию (n-k)-го ранга, состоящую из переменных, которые имеют постоянное значение во всех нулевых наборах, соответствующих клеткам области, причем переменная xi входит в дизъюнкцию в прямом виде, если имеет значение 0 на всех клетках области, и, соответственно в инверсном виде, если она имеет значение 1 на всех клетках области. Конъюнкция минимального числа дизъюнкций, совместно покрывающих все клетки карты, заполненные нулями, есть одна из тупиковых (возможно, минимальных) КНФ переключательной функции.

Читайте также: