с углубленным изучением французского языка»

Логические основы компьютера

Учебное пособие по информатике

для 10 класса

Содержание

§1. Основы логики…………………………………..…….………3

§ 2. Логические операции……………………………..…..….…..5

§ 3. Логические формулы. Таблица истинности логической формулы……………………………………………..…..…...….….8

§ 4. Основные законы алгебры логики. Упрощение логических формул…………………….....……………....………11

§ 5. Решение логических задач…………………………...…….13

§ 6. Логическая функция…………………………...………..….18

§ 7. Логические основы ЭВМ. Базовые логические элементы………………………………..………………………….21

§ 8. Логические элементы компьютера. Триггер и сумматор...........................................................................................25

Вопросы для самоконтроля…………..……...…………….29

§ 1. Основы логики.

В процессе обработки двоичной информации компьютер выполняет арифметические и логические операции. Поэтому для получения представлений об устройстве компьютера необходимо познакомится с основными логическими элементами, лежащими в основе построения компьютера. Начнем это знакомство с основных начальных понятий логики.

Сам термин «логика» происходит от древнегреческого logos , означающего «слово, мысль, понятие, рассуждение, закон».

Логика – наука о законах и формах мышления.

Первые учения о формах и способах рассуждений возникли в странах Древнего Востока (Китай, Индия), но в основе современной логики лежат учения, созданные древнегреческими мыслителями. Аристотель впервые отделил логические формы речи от ее содержания, исследовал терминологию логики, подробно разобрал теорию умозаключений и доказательств, описал ряд логических операций, сформулировал основные законы мышления.

К основным понятиям логики относятся следующие.

Логическое высказывание - это любое повествовательное предложение, в отношении кoтopoгo можно однoзначнo сказать, истинно oнo или лoжнo.

Так, например, предложение "6 - четное число " следует считать высказыванием, так как оно истинное. Предложение "Рим - столица Франции " тоже высказывание, так как оно ложное.

Утверждение - это суждение, которое требуется доказать или опровергнуть.

Например, любая теорема – это утверждение, требующее доказательства.

Рассуждение - это последовательность высказываний или утверждений, определенным образом связанных друг с другом.

Например, ход доказательства какой-либо теоремы можно назвать рассуждением.

Умозаключение - это форма мышления, посредством которой из одного или нескольких суждений выводится новое суждение. Умозаключения бывают дедуктивные, индуктивные и по аналогии.

В дедуктивных умозаключениях рассуждения ведутся от общего к частному. Например, из двух суждений: «Все металлы электропроводны» и «Ртуть является металлом» можно сделать вывод, что «Ртуть электропроводна».

В индуктивных умозаключениях рассуждения ведутся от частного к общему. Например, установив, что отдельные металлы – железо, медь, цинк, алюминий и др. - обладают свойством электропроводности, мы делаем вывод, что все металлы электропроводны.

Умозаключение по аналогии переносит знание об одних объектах на другие. Например, химический состав Солнца и Земли сходен по многим показателям. Поэтому, когда на солнце обнаружили неизвестный еще на Земле химический элемент гелий, то по аналогии заключили, что такой элемент есть и на Земле.

Разумеется, не всякое предложение является логическим высказыванием . Высказываниями не являются, например, предложения "ученик десятого класса " и "информатика - интересный предмет ". Первое предложение ничего не утверждает об ученике, а второе использует слишком неопределённое понятие "интересный предмет ". Вопросительные и восклицательные предложения также не являются высказываниями, поскольку говорить об их истинности или ложности не имеет смысла.

Предложения типа "в городе A более миллиона жителей ", "у него голубые глаза " не являются высказываниями, так как для выяснения их истинности или ложности нужны дополнительные сведения: о каком конкретно городе или человеке идет речь. Такие предложения называются логическими выражениями.

Логическое выражение - это повествовательное предложение, которое прямо или косвенно содержит хотя бы одну переменную и становится высказыванием, когда все переменные замещаются своими значениями.

Область знаний, которая изучает истинность или ложность высказываний, называется математической логикой.

Подобно тому, как для описания действий над переменными величинами был разработан раздел математики – алгебра, так и для обработки логических выражений в математической логике была создана алгебра высказываний или алгебра логики.

Алгебра логики - это раздел математической логики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними.

Алгебра логики возникла в середине ХIХ века в трудах английского математика Джорджа Буля . Ее создание представляло собой попытку решать традиционные логические задачи алгебраическими методами.

Алгебра логики рассматривает любое высказывание только с одной точки зрения - является ли оно истинным или ложным. Заметим, что зачастую трудно установить истинность высказывания . Так, например, высказывание "площадь поверхности Индийского океана равна 75 млн. кв. км " в одной ситуации можно посчитать ложным, а в другой - истинным. Ложным - так как указанное значение неточное и вообще не является постоянным. Истинным - если рассматривать его как некоторое приближение, приемлемое на практике.

§ 2. Логические операции.

Употребляемые в обычной речи слова и словосочетания "не", "и", "или", "если..., то", "тогда и только тогда" и другие позволяют из уже заданных высказываний строить новые высказывания. Такие слова и словосочетания называются логическими связками.

Высказывания, образованные из других высказываний с помощью логических связок, называются составными. Высказывания, не являющиеся составными, называются элементарными .

Так, например, из элементарных высказываний "Петров - врач ", "Петров - шахматист " при помощи связки "и " можно получить составное высказывание "Петров - врач и шахматист ", понимаемое как "Петров - врач, хорошо играющий в шахматы ".

При помощи связки "или " из этих же высказываний можно получить составное высказывание "Петров - врач или шахматист ", понимаемое в алгебре логики как "Петров или врач, или шахматист, или и врач и шахматист одновременно ".

Истинность или ложность получаемых таким образом составных высказываний зависит от истинности или ложности элементарных высказываний.

Чтобы обращаться к логическим высказываниям, им назначают имена. Пусть через А обозначено высказывание "Тимур поедет летом на море", а через В - высказывание "Тимур летом отправится в горы". Тогда составное высказывание "Тимур летом побывает и на море, и в горах" можно кратко записать как А и В . Здесь "и" - логическая связка, А, В - логические переменные, которые могут принимать только два значения - "истина" или "ложь", обозначаемые, соответственно, "1" и "0".

Операция, выражаемая связкой "и", называется конъюнкцией (лат. conjunctio - соединение) или логическим умножением и обозначается точкой " . " (может также обозначаться знаками  или &).

Высказывание А . В истинно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В истинны.

Например, высказывание "10 делится на 2 и 5 больше 3" истинно, а высказывания "10 делится на 2 и 5 не больше 3", "10 не делится на 2 и 5 больше 3", "10 не делится на 2 и 5 не больше 3" - ложны.

Операция, выражаемая связкой "или" (в неисключающем смысле этого слова), называется дизъюнкцией (лат. disjunctio - разделение) или логическим сложением и обозначается знаком v (или плюсом).

Высказывание А v В ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны.

Например, высказывание "10 не делится на 2 или 5 не больше 3" ложно, а высказывания "10 делится на 2 или 5 больше 3", "10 делится на 2 или 5 не больше 3", "10 не делится на 2 или 5 больше 3" - истинны.

Операция, выражаемая словом "не", называется логическим отрицанием или инверсией и обозначается чертой над высказыванием (или знаком  ).

Высказывание  А истинно, когда A ложно, и ложно, когда A истинно.

Например, "Луна - спутник Земли " (А) - истинно; "Луна - не спутник Земли " ( А ) - ложно.

Операция, выражаемая связками "если..., то", "из... следует", "... влечет...", называется импликацией (лат. implico - тесно связаны) и обозначается знаком  .

Высказывание А  В ложно тогда и только тогда, когда А истинно, а В ложно.

Каким же образом импликация связывает два элементарных высказывания?

Покажем это на примере высказываний: "данный четырёхугольник - квадрат" (А ) и "около данного четырёхугольника можно описать окружность" (В ). Рассмотрим составное высказывание А  В , понимаемое как "если данный четырёхугольник квадрат, то около него можно описать окружность".

Есть три варианта, когда высказывание А  В истинно:

А истинно и В истинно, то есть данный четырёхугольник квадрат, и около него можно описать окружность;

А ложно и В истинно, то есть данный четырёхугольник не является квадратом, но около него можно описать окружность (разумеется, это справедливо не для всякого четырёхугольника);

A ложно и B ложно, то есть данный четырёхугольник не является квадратом, и около него нельзя описать окружность.

Ложен только один вариант, когда А истинно, а В ложно , то есть данный четырёхугольник является квадратом, но около него нельзя описать окружность.

В обычной речи связка "если..., то" описывает причинно-следственную связь между высказываниями. Но в логических операциях смысл высказываний не учитывается. Рассматривается только их истинность или ложность. Поэтому не надо смущаться "бессмысленностью" импликаций, образованных высказываниями, совершенно не связанными по содержанию. Например, такими: "если президент США - демократ, то в Африке водятся жирафы", "если арбуз - ягода, то в бензоколонке есть бензин".

Операция, выражаемая связками "тогда и только тогда", "необходимо и достаточно", "...равносильно...", называется эквиваленцией или двойной импликацией и обозначается знаком  или ~.

Высказывание А  В истинно тогда и только тогда, когда значения А и В совпадают.

Например, высказывания "24 делится на 6 тогда и только тогда, когда 24 делится на 3", "23 делится на 6 тогда и только тогда, когда 23 делится на 3" истинны, а высказывания "24 делится на 6 тогда и только тогда, когда 24 делится на 5", "21 делится на 6 тогда и только тогда, когда 21 делится на 3" ложны.

Высказывания А и В, образующие составное высказывание А  В , могут быть совершенно не связаны по содержанию, например: "три больше двух" (А ), "пингвины живут в Антарктиде" (В ). Отрицаниями этих высказываний являются высказывания "три не больше двух" ( А), "пингвины не живут в Антарктиде" ( В). Образованные из высказываний А и В составные высказывания A  B и A   B истинны, а высказывания A   B и  A  B - ложны.

§ 3. Логические формулы. Таблица истинности логической

формулы.

С помощью логических переменных и символов логических операций любое высказывание можно формализовать, то есть заменить логической формулой.

Определение логической формулы :

Всякая логическая переменная и символы "истина" ("1") и "ложь" ("0") - формулы.

Если А и В - формулы, то  A, А. В, А v В, А  B , А  В - формулы.

3. Никаких других формул в алгебре логики нет.

В п. 1 определены элементарные формулы ; в п. 2 даны правила образования из любых данных формул новых формул.

В качестве примера рассмотрим высказывание "если я куплю яблоки или абрикосы, то приготовлю фруктовый пирог". Это высказывание формализуется в виде (A v B)  C . Такая же формула соответствует высказыванию "если Игорь знает английский или японский язык, то он получит место переводчика".

Как показывает анализ формулы (A v B)  C , при определённых сочетаниях значений переменных A, B и C она принимает значение "истина", а при некоторых других сочетаниях - значение "ложь". Такие формулы называются выполнимыми .

Некоторые формулы принимают значение "истина" при любых значениях истинности входящих в них переменных. Например, формула А v  А , соответствующая высказыванию "Этот треугольник прямоугольный или непрямоугольный" истинна и тогда, когда треугольник прямоугольный, и тогда, когда треугольник не прямоугольный. Такие формулы называются тождественно истинными формулами или тавтологиями . Высказывания, которые формализуются тавтологиями, называются логически истинными высказываниями.

В качестве другого примера рассмотрим формулу А .  А , которой соответствует, например, высказывание "Катя самая высокая девочка в классе, и в классе есть девочки выше Кати". Очевидно, что эта формула ложна, так как либо А, либо А обязательно ложно. Такие формулы называются тождественно ложными формулами или противоречиями . Высказывания, которые формализуются противоречиями, называются логически ложными высказываниями.

Если две формулы А и В одновременно, то есть при одинаковых наборах значений входящих в них переменных, принимают одинаковые значения, то они называются равносильными .

Равносильность двух формул алгебры логики обозначается символом "=" Замена формулы другой, ей равносильной, называется равносильным преобразованием данной формулы.

Нами рассмотрены пять логических операций: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, импликация и эквиваленция.

Импликацию можно выразить через дизъюнкцию и отрицание :

А  В =  Аv В.

Эквиваленцию можно выразить через отрицание , дизъюнкцию и конъюнкцию :

А  В = ( А v В) . ( Вv А).

Таким образом, операций отрицания, дизъюнкции и конъюнкции достаточно, чтобы описывать и обрабатывать логические высказывания.

Порядок выполнения логических операций задается круглыми скобками. Но для уменьшения числа скобок договорились считать, что сначала выполняется операция отрицания ("не"), затем конъюнкция ("и"), после конъюнкции - дизъюнкция ("или") и в последнюю очередь - импликация.

Таблица истинности логической формулы – таблица, выражающая соответствие между всевозможными наборами значений переменных и значениями формулы.

Для формулы, которая содержит две переменные, таких наборов значений переменных всего четыре: (0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1).

Если формула содержит три переменные, то таких наборов восемь: (0, 0, 0), (0, 0, 1), (0, 1, 0), (0, 1, 1), (1, 0, 0), (1, 0, 1), (1, 1, 0), (1, 1, 1).

Количество наборов для формулы с четырьмя переменными равно шестнадцати и т.д. Т.е., если N – количество переменных, то 2 N – количество наборов значений переменных.

Таблица истинности элементарных логических формул

Конъюнкция

Дизъюнкция

Инверсия

Импликация

Эквиваленция

х

у

х · у

х

у

х  у

х

 х

х

у

х  у

х

у

х  у

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Удобной формой записи при нахождении значений формулы, содержащей несколько логических операций, является таблица, в которой кроме значений переменных и значений формулы также указаны и значения

промежуточных формул.

Примеры.

1. Составим таблицу истинности для формулы х · у   (х  у)  х, которая содержит две переменные x и y. В первых двух столбцах таблицы запишем четыре возможных пары значений этих переменных, в последующих столбцах - значения промежуточных формул и в последнем столбце - значение формулы.

Переменные

Формула

х

у

 х

 х · у

х  у

 (х  у)

 х · у   (х  у)

 х · у   (х  у)  х

Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 1 , то есть является тождественно истинной .

2. Таблица истинности для формулы: (х  у) · (х · у)

Переменные

Промежуточные логические формулы

Формула

х

у

х  у

(х  у)

 у

х · у

(х  у) · (х · у)

Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 0 , то есть является тождественно ложной .

3. Таблица истинности для формулы:  (х   у)   х · z

Переменные

Промежуточные логические формулы

Формула

x

y

z

 у

х   у

 (х   у)

 х

 х · z

(х   у)   х · z

Из таблицы видно, что формула в некоторых случаях принимает значение 1, а в некоторых - 0, то есть является выполнимой.

§ 4. Основные законы алгебры логики. Упрощение

логических формул.

Равносильные преобразования логических формул имеют то же назначение, что и преобразования формул в обычной алгебре. Они служат для упрощения формул или приведения их к определённому виду путем использования основных законов алгебры логики.

Под упрощением формулы , не содержащей операций импликации и эквиваленции, понимают равносильное преобразование, приводящее к формуле, которая либо содержит по сравнению с исходной меньшее число операций конъюнкции и дизъюнкции и не содержит отрицаний неэлементарных формул, либо содержит меньшее число вхождений переменных.

В алгебре логики выполняются следующие основные законы, позволяющие производить тождественные преобразования логических выражений .

Закон

Представление

в алгебре логики

Переместительный (коммутативный)

a  b = b  a, a  b = b  a

Сочетательный (ассоциативный)

a  (b  c) = (a  b)  с,

a  (b  c) = (a  b)  c

Распределительный (дистрибутивный)

a  (b  c) = (a  b)  (a  c) ,

a  (b  c) = (a  b)  (a  c)

Правила де Моргана

 (a  b) =  a  b ,

 (a  b) =  a  b

Закон двойного отрицания (инволюции)

  а = а

Операции с переменной и ее инверсией

a   a = 0 , a  a =1

Операции с константами

a  1 = 1 , a  1 = a ,

a  0 = a , a  0 = 0

Законы идемпотентности

a  a = a , a  a = a

Законы поглощения

x  (x  y) = x , x  (x  y) = x

Законы склеивания

(x  y)  ( x  y) = y ,

(x  y)  ( x  y) = y

Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), тогда как другие преобразования основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.).

Рассмотрим на примерах некоторые приемы и способы, применяемые при упрощении логических формул.

Пример 1.

 (х  у) · (х ·  у) =  х ·  у · (х ·  у) =  х · х ·  у ·  у = 0 ·  у ·  у = 0 ·  у = 0
(Законы алгебры логики применяются в следующей последовательности: правило де Моргана, сочетательный закон, правило операций переменной с её инверсией и правило операций с константами).

Пример 2.

 х · у  (х  у)  х =  х · у   х ·  у  х =  х · (у  у)  х =  х  х = 1
(Применяется правило де Моргана, выносится за скобки общий множитель, используется правило операций переменной с её инверсией).

Пример 3.

(х  у) · (  х  у) · (  х   у) = (х  у) · ( х  у) · ( х  у) · ( х   у) = у ·  х
(Повторяется второй сомножитель, что разрешено законом идемпотенции; затем комбинируются два первых и два последних сомножителя и используется закон склеивания).

Пример 4.

 (х · у   z ) =  (х · у) ·   z =  (х · у) · z
(Сначаладобиваемся, чтобы знак отрицания стоял только перед отдельными переменными, а не перед их комбинациями, для этого применяем правило де Моргана; затем используем закон двойного отрицания);

Пример 5.

х · у  х · у · z  х · р · z = х · (у  у · z  z · р) = х · (у · (1  z )  z · р) =

= х · (у  z · р)

(Выносятся за скобки общие множители; применяется правило операций с константами);

Пример 6.

x ·  y  x · y · z  x ·  y · z  x ·  (y · z) = x · ( y  y · z   y · z   (y · z)) =

= x · (( y  y · z )  (y · z   (y · z )) = x · ( y  y · z  1) = x · 1 = x
(Общий множитель x выносится за скобки, комбинируются слагаемые в скобках - первое с третьим и второе с четвертым, к дизъюнкции применяется правило операции переменной с её инверсией);

Из этих примеров видно, что при упрощении логических формул не всегда очевидно, какой из законов алгебры логики следует применить на том или ином шаге. Навыки приходят с опытом.

§ 5. Решение логических задач.

Разнообразие логических задач очень велико. Способов их решения тоже немало. Но наибольшее распространение получили следующие три способа решения логических задач:

средствами алгебры логики;

табличный;

с помощью рассуждений.

Познакомимся с ними поочередно.

I. Решение логических задач средствами алгебры логики

Обычно используется следующая схема решения :

изучается условие задачи;

вводится система обозначений для логических высказываний;

конструируется логическая формула, описывающая логические связи между всеми высказываниями условия задачи;

определяются значения истинности этой логической формулы;

из полученных значений истинности формулы определяются значения истинности введённых логических высказываний, на основании которых делается заключение о решении.

Пример 1. Трое друзей, болельщиков автогонок "Формула-1", спорили о результатах предстоящего этапа гонок.

- Вот увидишь, Шумахер не придет первым, - сказал Джон. Первым будет Хилл.

- Да нет же, победителем будет, как всегда, Шумахер, - воскликнул Ник. - А об Алези и говорить нечего, ему не быть первым.

Питер, к которому обратился Ник, возмутился:

- Хиллу не видать первого места, а вот Алези пилотирует самую мощную машину.

По завершении этапа гонок оказалось, что каждое из двух предположений двоих друзей подтвердилось, а оба предположения третьего из друзей оказались неверны. Кто выиграл этап гонки?

Решение.

Введем обозначения для логических высказываний:

Ш - победит Шумахер; Х - победит Хилл; А - победит Алези.

Реплика Ника "Алези пилотирует самую мощную машину" не содержит никакого утверждения о месте, которое займёт этот гонщик, поэтому в дальнейших рассуждениях не учитывается.

Зафиксируем высказывания каждого из друзей:

Джон:  Ш · Х , Ник: Ш ·  А , Питер:  Х

Учитывая то, что предположения двух друзей подтвердились, а предположения третьего неверны, запишем и упростим истинное высказывание

( Ш · Х)·(Ш · А) · Х  ( Ш · Х)· (Ш · А)· Х   ( Ш · Х)·(Ш · А)· Х = =( Ш · Х · Ш · А ·Х) ( Ш · Х ·  (Ш · А) ·  Х) (Ш  Х) · Ш · А ·  Х = = 0  0  Ш · А ·  Х = Ш · А ·  Х

Высказывание Ш ·  А ·  Х истинно только при Ш=1, А=0, Х=0.

Ответ. Победителем этапа гонок стал Шумахер.

II. Решение логических задач с помощью таблиц истинности.

При использовании этого способа условия, которые содержит задача, и результаты рассуждений фиксируются с помощью специально составленных таблиц.

Пример 2. В симфонический оркестр приняли на работу трёх музыкантов: Брауна, Смита и Виссона, умеющих играть на скрипке, флейте, альте, кларнете, гобое и трубе.

Известно, что:

Смит самый высокий;

играющий на скрипке меньше ростом играющего на флейте;

играющие на скрипке и флейте и Браун любят пиццу;

когда между альтистом и трубачом возникает ссора, Смит мирит их;

Браун не умеет играть ни на трубе, ни на гобое.

На каких инструментах играет каждый из музыкантов, если каждый владеет двумя инструментами?

Решение.

Составим таблицу и отразим в ней условия задачи, заполнив соответствующие клетки цифрами 0 и 1 в зависимости от того, ложно или истинно соответствующее высказывание.

Так как музыкантов трое, инструментов шесть и каждый владеет только двумя инструментами, получается, что каждый музыкант играет на инструментах, которыми остальные не владеют.

Из условия 4 следует, что Смит не играет ни на альте, ни на трубе, а из условий 3 и 5, что Браун не умеет играть на скрипке, флейте, трубе и гобое. Следовательно, инструменты Брауна - альт и кларнет. Занесем это в таблицу, а оставшиеся клетки столбцов "альт" и "кларнет" заполним нулями:

скрипка

флейта

альт

кларнет

гобой

труба

Браун

Смит

Виссон

Из таблицы видно, что на трубе может играть только Виссон.

Из условий 1 и 2 следует, что Смит не скрипач. Так как на скрипке не играет ни Браун, ни Смит, то скрипачом является Виссон. Оба инструмента, на которых играет Виссон, теперь определены, поэтому остальные клетки строки "Виссон" можно заполнить нулями:

скрипка

флейта

альт

кларнет

гобой

труба

Браун

Смит

Виссон

Из таблицы видно, что играть на флейте и на гобое может только Смит.

скрипка

флейта

альт

кларнет

гобой

труба

Браун

Смит

Виссон

Ответ: Браун играет на альте и кларнете, Смит - на флейте и гобое, Виссон - на скрипке и трубе.

Пример 3. Три одноклассника - Влад, Тимур и Юра, встретились спустя 10 лет после окончания школы. Выяснилось, что один из них стал врачом, другой физиком, а третий юристом. Один полюбил туризм, другой бег, страсть третьего - регби.

Юра сказал, что на туризм ему не хватает времени, хотя его сестра - единственный врач в семье, заядлый турист.

Врач сказал, что он разделяет увлечение коллеги.

Забавно, но у двоих из друзей в названиях их профессий и увлечений не встречается ни одна буква их имен.

Определите, кто чем любит заниматься в свободное время и у кого какая профессия.

Решение.

Здесь исходные данные разбиваются на тройки (имя - профессия - увлечение).

Из слов Юры ясно, что он не увлекается туризмом и он не врач. Из слов врача следует, что он турист.

Имя

Юра

Профессия

врач

Увлечение

туризм

Буква "а", присутствующая в слове "врач", указывает на то, что Влад тоже не врач, следовательно, врач - Тимур. В его имени есть буквы "т" и "р", встречающиеся в слове "туризм", следовательно второй из друзей, в названиях профессии и увлечения которого не встречается ни одна буква его имени - Юра. Юра не юрист и не регбист, так как в его имени содержатся буквы "ю" и "р". Следовательно, окончательно имеем:

Имя

Юра

Тимур

Влад

Профессия

физик

врач

юрист

Увлечение

бег

туризм

регби

Ответ. Влад - юрист и регбист, Тимур - врач и турист, Юра - физик и бегун.

III. Решение логических задач с помощью рассуждений

Этим способом обычно решают несложные логические задачи.

Пример 4. Вадим, Сергей и Михаил изучают различные иностранные языки: китайский, японский и арабский. На вопрос, какой язык изучает каждый из них, один ответил: "Вадим изучает китайский, Сергей не изучает китайский, а Михаил не изучает арабский". Впоследствии выяснилось, что в этом ответе только одно утверждение верно, а два других ложны. Какой язык изучает каждый из молодых людей?

Решение . Имеется три утверждения:

Вадим изучает китайский;

Сергей не изучает китайский;

Михаил не изучает арабский.

Если верно первое утверждение, то верно и второе, так как юноши изучают разные языки. Это противоречит условию задачи, поэтому первое утверждение ложно.

Если верно второе утверждение, то первое и третье должны быть ложны. При этом получается, что никто не изучает китайский. Это противоречит условию, поэтому второе утверждение тоже ложно.

Ответ: Сергей изучает китайский язык, Михаил - японский, Вадим - арабский.

Пример 5. Министры иностранных дел России, США и Китая обсудили за закрытыми дверями проекты соглашения о полном разоружении, представленные каждой из стран. Отвечая затем на вопрос журналистов: "Чей именно проект был принят?", министры дали такие ответы:

Россия - "Проект не наш, проект не США";
США - "Проект не России, проект Китая";
Китай - "Проект не наш, проект России".

Один из них (самый откровенный) оба раза говорил правду; второй (самый скрытный) оба раза говорил неправду, третий (осторожный) один раз сказал правду, а другой раз - неправду.

Определите, представителями каких стран являются откровенный, скрытный и осторожный министры.

Решение. Для удобства записи пронумеруем высказывания дипломатов:

Россия - "Проект не наш" (1), "Проект не США" (2);
США - "Проект не России" (3), "Проект Китая" (4);
Китай - "Проект не наш" (5), "Проект России" (6).

Узнаем, кто из министров самый откровенный.

Если это российский министр, то из справедливости (1) и (2) следует, что победил китайский проект. Но тогда оба утверждения министра США тоже справедливы, чего не может быть по условию.

Если самый откровенный - министр США, то тогда вновь получаем, что победил китайский проект, значит, оба утверждения российского министра тоже верны, чего не может быть по условию.

Получается, что наиболее откровенным был китайский министр. Действительно, из того, что (5) и (6) справедливы, следует, что победил российский проект. А тогда получается, что из двух утверждений российского министра первое ложно, а второе верно. Оба же утверждения министра США неверны.

Ответ: Откровеннее был китайский министр, осторожнее - российский, скрытнее - министр США.

§ 6. Логическая функция.

В алгебре логики простые высказывания заменяют логическими переменными, прочем значения переменных могут быть только 0 и 1. Логические связки заменяют соответствующими им математическими символами. При этом сложное высказывание превращается в логическую функцию.

Логической функцией F от набора логических переменных (a , b , c , …) называется функция, которая может принимать только два значения: 0 и 1.

F (a , b ) = a  b - логическое умножение (конъюнкция).

F (a , b ) = a v b - логическое сложение (дизъюнкция).

F (a ) =  a - отрицание (инверсия).

F(a, b) = a  b - импликация.

F (a , b ) = a  b - эквиваленция.

Логические функции можно вычислять с помощью таблиц истинности.

Таблица истинности логической функции зависит от количества логических переменных и содержит 2 n наборов переменных.

Пример 1. Вычисление значения логической функции

F (a , b ) =  (a v b )  (a   b )

Выделим промежуточные логические функции и заполним таблицу истинности для соответствующих наборов логических переменных.

a

b

a v b

 (a v b )

 b

a   b

F (a , b )

Из таблицы видно, что при любых наборах логических переменных функция F (a , b ) тождественно равна нулю.

Пример 2. Вычисление значения логической функции при заданных значениях переменных.

F (a, b, c) = a v b  (a  с  b).

Вычислите: F (1, 0, 1).

Решение:

F (1, 0, 1) = 1 v 0  (1  1   0)

Значение выражения в скобках можно не вычислять, т.к. затем выполняется конъюнкция 0 и выражения в скобках. Тогда имеем:

F (1, 0, 1) = 1 v 0 = 1.

Ответ: F (1, 0, 1) = 1.

Метод построения таблиц истинности используется и для доказательства логического равенства различных по записи логических функций. При этом если на всех одинаковых наборах логических переменных значения функций совпадают, они называются эквивалентными.

Две логические функции называются эквивалентными , если на всех одинаковых наборах логических переменных значения функций совпадают.

Пример 3. Доказательство равенства двух логических функций.

Докажем, что функции F 1 ( a , b ) =  a v b и F 2 ( a , b ) = a  b эквивалентны.

a

b

 a

 a v b

a  b

По таблице определяем, что на всех одинаковых наборах логических переменных значения функций совпадают, следовательно, они эквивалентны.

Применение законов логики позволяет сокращать количество переменных в логических выражениях и упрощать логические функции.

Законы логики также применяются для построения логических функций по таблицам истинности. При этом нужно руководствоваться следующим правилом :

Для каждой строки таблицы истинности с единичным значением построить минтерм (конъюнкцию переменных), при этом переменная должна встретиться один раз (без отрицания или с отрицанием). Если в таблице истинности переменные имеют нулевые значения в строке, то в минтерм они входят с отрицанием, а переменные, имеющие значение единица, входят в минтерм без отрицания.

Объединить все минтермы операцией дизъюнкции.

Упростить, если возможно, полученную логическую формулу.

Пример 4. Построение логической функции по заданной таблице истинности.

a

b

c

F(a, b, c)

Выберем строки, в которых функция равна 1 и построим для них минтермы:

строка 1:  a  b  c ;

строка 2:  a  b  c .

Объединим минтермы: F ( a , b , c ) =  a  b  c   a  b  c .

Упростим логическую функцию: F ( a , b , c ) =  a  b  c   a  b  c = {3} =  a  b  (  c  c ) = {6} =  a  b  1= {7} =  a  b = {4} =  ( a  b )

Итак, мы получили логическую функцию F ( a , b , c ) =  ( a  b ).

§ 7. Логические основы ЭВМ. Базовые логические элементы.

Математический аппарат алгебры логики очень удобен для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная, в которой используются цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже два: “1” и “0”.

Из этого следует два вывода:

Одни и те же устройства компьютера могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной в двоичной системе счисления, так и логических переменных;

На этапе конструирования аппаратных средств алгебра логики позволяет значительно упростить логические функции, описывающие функционирование схем компьютера, и, следовательно, уменьшить число элементарных логических элементов, из десятков тысяч которых состоят основные узлы компьютера.

Данные и команды представляются в виде двоичных последовательностей различной структуры и длины. Существуют различные физические способы кодирования двоичной информации. В электронных устройствах компьютера двоичные единицы чаще всего кодируются более высоким уровнем напряжения, чем двоичные нули.

Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Базовыми логическими элементами компьютеров для реализации логических функций являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ (называемые также вентилями ).

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от одного до восьми входов и один или два выхода.

Чтобы представить два логических состояния - “1” и “0” в вентилях, соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных уровней напряжения. Например, +5 вольт и 0 вольт. Высокий уровень обычно соответствует значению “истина” (“1”), а низкий - значению “ложь” (“0”).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем. Работу логических элементов также описывают с помощью таблиц истинности.

И (конъюнктор)

Схема И реализует конъюнкцию двух или более логических значений.

x

y

x . y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.

Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x . y

Операция конъюнкции на структурных схемах обозначается знаком "&" (читается как "амперсэнд" ), являющимся сокращенной записью английского слова and.

ИЛИ (дизъюнктор)

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений.

x

y

x  y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на её выходе также будет единица.

Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x v y

Знак "1" на схеме - от устаревшего обозначения дизъюнкции как ">=1" (т.е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1).

НЕ (инвертор)

x

y

 (x . y)

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Схема И-НЕ состоит из элемента И И.

Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом: z =  (x . y), где x . y читается как "инверсия x и y".

ИЛИ-НЕ (элемент Пирса)

Схема ИЛИ-НЕ состоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы ИЛИ. c)

F = a · ( b   c)  (a  e · d) · ( a  b · c)

F = a · b · c  a · b · c  a · b · c · d

F = a   a · (b  c)  (  a  d  g) · (b  d) · (c   d  g · h)

§ 8. Логические элементы компьютера. Триггер и сумматор.

Триггер - это электронная схема, широко применяемая в регистрах компьютера для надёжного запоминания одного разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует двоичной единице, а другое - двоичному нулю

Термин триггер происходит от английского слова trigger - защёлка, спусковой крючок. Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop , что в переводе означает “хлопанье”. Это звукоподражательное название электронной схемы указывает на её способность почти мгновенно переходить (“перебрасываться”) из одного электрического состояния в другое и наоборот.

Самый распространённый тип триггера - так называемый RS-триггер (S и R, соответственно, от английских set - установка, и reset - сброс).

S0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

хранение бита

S Q

R  Q

Проанализируем возможные комбинации значений входов R и S триггера, используя его схему и таблицу истинности схемы ИЛИ-НЕ

Если на входы триггера подать S=“1”, R=“0”, то (независимо от состояния) на выходе Q верхнего вентиля появится “0”. После этого на входах нижнего вентиля окажется R=“0”, Q=“0” и выход  Q станет равным “1”.

Точно так же при подаче “0” на вход S и “1” на вход R на выходе  Q появится “0”, а на Q - “1”.

Если на входы R и S подана логическая “1”, то состояние Q и  Q не меняется.

Подача на оба входа R и S логического “0” может привести к неоднозначному результату, поэтому эта комбинация входных сигналов запрещена.

Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно, 8 х 2 10 = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.

В целях максимального упрощения работы компьютера все многообразие математических операций сводится к сложению двоичных чисел.

Вспомним, что при сложении двоичных чисел образуется сумма в данном разряде, а также возможен перенос в старший разряд.

Слагаемые

Перенос

Сумма

A

B

P

S

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

Из этой таблицы видно, что перенос реализуется с помощью логического элемента «И».

Что касается суммы, то наиболее подходящим логическим элементом является элемент «ИЛИ». Однако при сложении четвертой пары чисел в результате должен получаться 0, а не 1. Для того чтобы достичь необходимого результата, можно подать сигнал переноса на логический элемент «НЕ», а затем с его выхода и выхода элемента «ИЛИ» подать сигнал на элемент «И». На выходе элемента «И» мы получим требуемый сигнал.

A (0,0,1,1) P (0,0,0,1)

B (0,1,0,1)

0,0,0,1 1,1,1,0 S (0,1,1,0)

0,1,1,1

Данная схема называется полусумматором, т.к. реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда.

Сумматор - это электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел

Сумматор служит, прежде всего, центральным узлом арифметико-логического устройства компьютера, однако он находит применение также и в других устройствах машины.

a i

b i

p i

p i-1

c i

При сложении чисел A и B в одном i -ом разряде приходится иметь дело с тремя цифрами:

1. цифра a i первого слагаемого;

2. цифра b i второго слагаемого;

3. перенос p i–1 из младшего разряда.

В результате сложения получаются две цифры: цифра c i для суммы; перенос p i из данного разряда в старший.

Таким образом, одноразрядный двоичный сумматор есть устройство с тремя входами и двумя выходами , работа которого может быть описана следующей таблицей истинности:

Входы

Выходы

Первое слагаемое

Второе слагаемое

Перенос

Сумма

Перенос

a i

b i

p i-1

c i

p i

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

Если требуется складывать двоичные слова длиной два и более бит, то можно использовать последовательное соединение таких сумматоров, причём для двух соседних сумматоров выход переноса одного сумматора является входом для другого.

Многоразрядный двоичный сумматор , предназначенный для сложения многоразрядных двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров .

Например, схема вычисления суммы C = (с 3 c 2 c 1 c 0) двух двоичных трехразрядных чисел A = (a 2 a 1 a 0) и B = (b 2 b 1 b 0), где с 0 – младший разряд суммы, с 3 – старший разряд суммы, может иметь вид:

a 0 a 1 a 2

b 0 b 1 b 2

0 с 3

с 0 с 1 с 2

Таким образом, можно сделать вывод, что логические элементы являются строительными «кирпичиками», из которых путем конструирования логических схем строится «здание» любого современного компьютера.

Вопросы для самоконтроля:

Что изучает логика, математическая логика, алгебра логики?

Дайте определение следующих понятий: высказывание, утверждение, рассуждение, умозаключение, логическое выражение.

Основные логические связки, элементарное и составное высказывания.

Перечислите основные логические операции и способы их записи.

Дайте определение логической формулы.

Объясните смысл следующих понятий: выполнимая логическая формула, тавтология, противоречие, равносильное преобразование формулы.

Запишите формулы замены импликации и эквиваленции на комбинацию остальных основных логических операций.

Понятие таблицы истинности логической формулы. Таблицы истинности элементарных формул.

Что такое упрощение формулы?

Основные законы алгебры логики.

Перечислите и охарактеризуйте основные способы решения логических задач.

Дайте определение логической функции.

Понятие эквивалентных логических функций.

Правило построения логической функции по таблицам истинности.

Определение логического элемента компьютера. Базовые логические элементы.

Триггер и сумматор. Соответствующие таблицы истинности и логические схемы.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

на тему: «Логические основы устройства компьютера»

Булат В.Р.

Москва, 2014

1. Что такое алгебра логики

1 Логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и отрицание

2 Таблицы истинности

Логические основы компьютера

1 Законы алгебры логики

2 Переключательные схемы

3 Вентили

4 Сумматор и полусумматор

4.1 Полусумматор

4.2 Сумматор

5 Триггер как элемент памяти. Схема RS-триггера

5.1 RS-триггер на вентилях ИЛИ-НЕ

Список использованной литературы

1. Что такое алгебра логики

Алгебра логики (булева алгебра) - это раздел математики, возникший в XIX веке благодаря усилиям английского математика Дж. Буля. Поначалу булева алгебра не имела никакого практического значения. Однако уже в XX веке ее положения нашли применение в описании функционирования и разработке различных электронных схем. Законы и аппарат алгебры логики стал использоваться при проектировании различных частей компьютеров (память, процессор). Хотя это не единственная сфера применения данной науки.

Что же собой представляет алгебра логики? Во-первых, она изучает методы установления истинности или ложности сложных логических высказываний с помощью алгебраических методов. Во-вторых, она делает это таким образом, что сложное логическое высказывание описывается функцией, результатом вычисления которой может быть либо истина, либо ложь (1 или 0). При этом аргументы функции (простые высказывания) также могут иметь только два значения: 0, либо 1.

Что такое простое логическое высказывание? Это фразы типа «два больше одного», «5.8 является целым числом». В первом случае мы имеем истину, а во втором ложь. Алгебра логики не касается сути этих высказываний. Если кто-то решит, что высказывание «Земля квадратная» истинно, то алгебра логики это примет как факт. Дело в том, что булева алгебра занимается вычислениями результата сложных логических высказываний на основе заранее известных значений простых высказываний.

.1 Логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и отрицание

Алгебра логики предусматривает множество логических операций. Однако три из них заслуживают особого внимания, т.к. с их помощью можно описать все остальные, и, следовательно, использовать меньше разнообразных устройств при конструировании схем. Такими операциями являются конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и отрицание (НЕ). Часто конъюнкцию обозначают &, дизъюнкцию - ||, а отрицание - чертой над переменной, обозначающей высказывание.

При конъюнкции истина сложного выражения возникает лишь в случае истинности всех простых выражений, из которых состоит сложное. Во всех остальных случаях сложное выражение будет ложно.

При дизъюнкции истина сложного выражения наступает при истинности хотя бы одного входящего в него простого выражения или двух сразу. Бывает, что сложное выражение состоит более чем из двух простых.

В этом случае достаточно, чтобы одно простое было истинным и тогда все высказывание будет истинным.

Отрицание - это унарная операция (т.е. зависящая от одного аргумента), т.к. выполняется по отношению к одному простому выражению или по отношению к результату сложного. В результате отрицания получается новое высказывание, противоположное исходному.

.2 Таблицы истинности

Логические операции удобно описывать так называемыми таблицами истинности, в которых отражают результаты вычислений сложных высказываний при различных значениях исходных простых высказываний. Простые высказывания обозначаются переменными (например, A и B). (1, с. 125).

2. Логические основы компьютера

В компьютере используются различные устройства, работу которых прекрасно описывает алгебра логики. К таким устройствам относятся группы переключателей, вентили, триггеры, сумматоры.

Кроме того, связь между булевой алгеброй и компьютерами лежит и в используемой в компьютере двоичной системе счисления. Поэтому в устройствах компьютера можно хранить и преобразовывать как числа, так и значения логических переменных.

.1 Законы алгебры логики

Для логических величин обычно используются три операции:

1. Конъюнкция - логическое умножение (И) - and, &, ∧.

2. Дизъюнкция - логическое сложение (ИЛИ) - or, |, v.

Логическое отрицание (НЕ) - not, ¬.

Логические выражения можно преобразовывать в соответствии с законами алгебры логики:

1. Законы рефлексивности: a ∨ a = a a ∧ a = a

2. Законы коммутативности: a ∨ b = b ∨ a a ∧ b = b ∧ a

Законы дистрибутивности: a ∧ (b ∨ c) = (a ∧ b) ∨ (a ∧ c) a ∨ (b ∧ c) = (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)

Закон отрицания: ¬ (¬ a) = a

Законы де Моргана: ¬ (a ∧ b) = ¬ a ∨ ¬ b ¬ (a ∨ b) = ¬ a ∧ ¬ b

7. Законы поглощения: a ∨ (a ∧ b) = a a ∧ (a ∨ b) = a

2.2 Переключательные схемы

В ЭВМ применяются электрические схемы, состоящие из множества переключателей. Переключатель может находиться только в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. В первом случае - ток проходит, во втором - нет. Описывать работу таких схем очень удобно с помощью алгебры логики. В зависимости от положения переключателей можно получить или не получить сигналы на выходах.

.3 Вентили

Вентиль - это устройство, которое выдает результат булевой операции от введенных в него данных (сигналов). Так, например, есть вентили, реализующие логическое умножение (конъюнкцию), сложение (дизъюнкцию) и отрицание.

Вентили представляют собой достаточно простые элементы, которые можно комбинировать между собой, создавая тем самым различные схемы. Одни схемы подходят для осуществления арифметических операций, а на основе других строят различную память ЭВМ.

Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который преобразует низкое напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно представить как преобразование логического нуля в логическую единицу или наоборот, т.е. получаем вентиль НЕ.

Соединив пару транзисторов различным способом, получают вентили ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Эти вентили принимают уже не один, а два и более входных сигнала. Выходной сигнал всегда один и зависит от входных сигналов. В случае вентиля ИЛИ-НЕ получить высокое напряжение (логическую единицу) можно только при условии низкого напряжении на всех входах. В случае вентиля И-НЕ все наоборот: логическая единица получается, если все входные сигналы будут нулевыми. Как видно, это обратно таким привычным логическим операциям как И и ИЛИ. Однако обычно используются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. их реализация проще: И-НЕ и ИЛИ-НЕ реализуются двумя транзисторами, тогда как логические И и ИЛИ тремя.

Выходной сигнал вентиля можно выражать как функцию от входных.

Транзистору требуется очень мало времени для переключения из одного состояния в другое (время переключения оценивается в наносекундах). И в этом одно из существенных преимуществ схем, построенных на их основе.

2.4 Сумматор и полусумматор

Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) обязательно содержит в своем составе такие элементы как сумматоры. Эти схемы позволяют складывать двоичные числа.

Как происходит сложение? Допустим, требуется сложить двоичные числа 1001 и 0011. Сначала складываем младшие разряды (последние цифры): 1+1=10. Т.е. в младшем разряде будет 0, а единица - это перенос в старший разряд. Далее: 0 + 1 + 1(от переноса) = 10, т.е. в данном разряде снова запишется 0, а единица уйдет в старший разряд. На третьем шаге: 0 + 0 + 1(от переноса) = 1. В итоге сумма равна 1100.

.4.1 Полусумматор

Теперь не будем обращать внимание на перенос из предыдущего разряда и рассмотрим только, как формируется сумма текущего разряда. Если были даны две единицы или два нуля, то сумма текущего разряда равна 0. Если одно из двух слагаемых равно единице, то сумма равна единице. Получить такие результаты можно при использовании вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ.

Перенос единицы в следующий разряд происходит, если два слагаемых равны единице. И это реализуемо вентилем И.

Тогда сложение в пределах одного разряда (без учета возможной пришедшей единицы из младшего разряда) можно реализовать изображенной ниже схемой, которая называется полусумматором. У полусумматора два входа (для слагаемых) и два выхода (для суммы и переноса). На схеме изображен полусумматор, состоящий из вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И.

2.4.2 Сумматор

В отличие от полусумматора сумматор учитывает перенос из предыдущего разряда, поэтому имеет не два, а три входа.

Чтобы учесть перенос приходится схему усложнять. По-сути получается, что состоит из двух полусумматоров.

Рассмотрим один из случаев. Требуется сложить 0 и 1, а также 1 из переноса. Сначала определяем сумму текущего разряда. Судя по левой схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, куда входят a и b, на выходе получаем единицу. В следующее ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ уже входят две единицы. Следовательно, сумма будет равна 0.

Теперь смотрим, что происходит с переносом. В один вентиль И входят 0 и 1 (a и b). Получаем 0. Во второй вентиль (правее) заходят две единицы, что дает 1. Проход через вентиль ИЛИ нуля от первого И и единицы от второго И дает нам 1.

Проверим работу схемы простым сложением 0 + 1 + 1 = 10. Т.е. 0 остается в текущем разряде, и единица переходит в старший. Следовательно, логическая схема работает верно.

Работу данной схемы при всех возможных входных значениях можно описать следующей таблицей истинности.

.5 Триггер как элемент памяти. Схема RS-триггера

Память (устройство, предназначенное для хранения данных и команд) является важной частью компьютера. Можно сказать, что она его и определяет: если вычислительное устройство не имеет памяти, то оно уже не компьютер.

Элементарной единицей компьютерной памяти является бит. Поэтому требуется устройство, способное находиться в двух состояниях, т.е. хранить единицу или ноль. Также это устройство должно уметь быстро переключаться из одного состояния в другое под внешним воздействием, что дает возможность изменять информацию. Ну и наконец, устройство должно позволять определять его состояние, т.е. предоставлять во вне информацию о своем состоянии.

Триггер - устройство, способное запоминать, хранить и позволяющее считывать информацию. Он был изобретен в начале XX века Бонч-Бруевичем.

Разнообразие триггеров весьма велико. Наиболее простой из них так называемый RS-триггер, который собирается из двух вентилей. Обычно используют вентили ИЛИ-НЕ или И-НЕ.

алгебра логика таблица компьютер

2.5.1 RS-триггер на вентилях ИЛИ-НЕ

RS-триггер «запоминает», на какой его вход подавался сигнал, соответствующий единице, в последний раз. Если сигнал был подан на S-вход, то триггер на выходе постоянно «сообщает», что хранит единицу. Если сигнал, соответствующий единице, подан на R-вход, то триггер на выходе имеет 0. Не смотря на то, что триггер имеет два выхода, имеется в виду выход Q. (Q с чертой всегда имеет противоположное Q значение.)

Другими словами, вход S (set) отвечает за установку триггера в 1, а вход R (reset) - за установку триггера в 0. Установка производится сигналом, с высоким напряжением (соответствует единице). Просто все зависит от того, на какой вход он подается.

Большую часть времени на входы подается сигнал равный 0 (низкое напряжение). При этом триггер сохраняет свое прежнее состояние.

Возможны следующие ситуации:

· Q = 1, сигнал подан на S, следовательно, Q не меняется.

· Q = 0, сигнал подан на S, следовательно, Q = 1.

· Q = 1, сигнал подан на R, следовательно, Q = 0.

· Q = 0, сигнал подан на R, следовательно, Q не меняется.

Ситуация, при которой на оба входа подаются единичные сигналы, недопустима.

Как триггер сохраняет состояние? Допустим, триггер выдает на выходе Q логический 0. Тогда судя по схеме, этот 0 возвращается также и в верхний вентиль, где инвертируется (получается 1) и уже в этом виде передается нижнему вентилю.

Тот в свою очередь снова инвертирует сигнал (получается 0), который и имеется на выходе Q. Состояние триггера сохраняется, он хранит 0.

3. Практическое значение алгебры логики

Двоичный полусумматор способен осуществлять операцию двоичного сложения двух одноразрядных двоичных чисел (т.е. выполнять правила двоичной арифметики):

0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 0.

При этом полусумматор выделяет бит переноса. Однако схема полусумматора не содержит третьего входа, на который можно подавать сигнал переноса от предыдущего разряда суммы двоичных чисел. Поэтому полусумматор используется только в младшем разряде логической схемы суммирования многоразрядных двоичных чисел, где не может быть сигнала переноса от предыдущего двоичного разряда. Полный двоичный сумматор складывает два многоразрядных двоичных числа с учетом сигналов переноса от сложения в предыдущих двоичных разрядах.

Соединяя двоичные сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматора для двоичных чисел с любым числом разрядов. С некоторыми изменениями эти логические схемы применяются для вычитания, умножения и деления двоичных чисел. С их помощью построены арифметические устройства современных компьютеров.

Сумматоры и полусумматоры являются однотактными логическими схемами. Значения их выходов однозначно определяется значениями их входов. Фактор времени в них отсутствует. Наряду с ними существуют многотактные логические схемы, в которых значения их выходов определяются не только значениями их входов, но и их состоянием в предыдущем такте. Фактор времени и определяется такими тактами. К таким логическим схемам относятся схемы памяти (триггеры). Они строятся с помощью обратной связи с выхода на вход.

В триггерах с помощью обратной связи образуется замкнутая цепь с выхода на вход для запоминания входного сигнала. Эта цепь сохраняется после снятия входного сигнала неограниченное время, вплоть до появления сигнала стирания.

Такая схема памяти имеет еще и другое название - триггер с раздельными входами. В такой схеме есть вход для запоминания (S) и стирания (R). Широко используется в вычислительной технике и триггер со счетным входом. Он имеет только один вход и один выход. Такая схема осуществляет деление на 2, т.е. состояние ее выхода изменяется только после подачи подряд двух входных импульсов. Соединяя триггеры со счетным выходом в последовательный каскад, можно осуществлять деление на 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т.д.

Схема оперативной памяти играет важную роль при построении систем управления машинами повышенной опасности, такими, например, как производственные прессы. Чтобы обезопасить руки оператора, такие машины строят с системами двуручного управления. Подобные системы заставляют оператора держать обе руки на кнопках управления во время каждого рабочего цикла машины. Это исключает попадание рук в опасную зону, где происходит прессование детали.

В современных компьютерах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы вентилей, выполняющих логические операции над двоичными числами. Так, с их помощью построены описанные выше двоичные сумматоры, позволяющие складывать многоразрядные двоичные числа, производить вычитание, умножение, деление и сравнение чисел между собой. Логические вентили, действуя по определенным правилам, управляют движением данных и выполнением инструкций в компьютере. (2, с.218)

Список использованной литературы

1) Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии: Учебник для 10-11 классов - М.:БИНОМ, 2003. - 512 с.

) Макарова Н.В., Волков В.Б. Информатика: учебник для вузов - М.: Питер, 2011. - 576 с.

1. Понятие, суждение, умозаключение.

Логика изучает внутреннюю структуру процесса мышления, который реализуется в таких естественно сложившихся формах мышления как понятие, высказывание и умозаключение.

Мышление всегда осуществляется через понятия, высказывания и умозаключения.

Понятие – это форма мышления, которая выделяет существенные признаки предмета или класса предметов, позволяющие отличать их от других.

Существенными называются такие признаки, каждый из которых, взятый отдельно, необходим, а все вместе достаточны, чтобы с их помощью отличить данный предмет от всех остальных и сделать обобщение, объединив однородные предметы в множество.

Примеры понятий:

Единичные понятия: самая высокая гора в Европе, этот стол, Москва и т.д.

Общие понятия: красота, металл, доброта, глупость, лес, коллектив и т.д.

Абстрактные понятия: вес, жесткость, цвет, вселенная, человечество и т.д.

Конкретные понятия: круг, дом, пламя, битва и т.д.

Любое понятие характеризуется содержанием и объемом.

Объем понятия – множество предметов, к которым прилагается понятие.

Высказывание – это формулировка своего понимания окружающего мира. Высказывание является повествовательным предложением, в котором что-либо утверждается или отрицается. По поводу высказывания можно сказать, истинно оно или ложно. В русском языке высказывания выражаются повествовательными предложениями:

Алупкинский дворец находится в Крыму.

Кащей Бессмертный – скупой и жадный.

В русском языке высказывания выражаются повествовательными предложениями:

в математической логике – утверждение, истинность которого (в общем случае) зависит от значений входящих в него переменных.

Умозаключение – это форма мышления, с помощью которой из одного или нескольких суждений может быть получено новое суждение.

Рассуждение – цепочка фактов, общих положений и умозаключений. Умозаключение представляет собой переход от сведений, которыми мы располагаем до рассуждения (посылок или условий), к выводам. Правильный способ умозаключений из истинных посылок всегда ведет к истинным выводам.

Примеры индуктивных рассуждений:

Правильны ли полученные выводы?

1)
1 – нечетное и простое число,
3 – нечетное и простое число.
5 – нечетное и простое число
Вывод: все нечетные – простые числа.

2). 1=1,1+3=4,1+3+5=9,1+3+5+7=16,1+3+5+7+9=25, и т.д.

Вывод: квадрат любого числа К равен сумме К первых нечетных чисел.

3). Fe, Си, Zn. Pt – твердые тела
Вывод: все металлы-твердые.

4) В Аргентине, Эквадоре, Венесуэле говорят по-испански.
Вывод: все страны Латинской Америки – испаноязычные

2. Алгебра логики

– определяет правила записи, вычисления значений, упрощения и преобразования высказываний.

В алгебре логики высказывания обозначают буквами и называют логическими переменными .

Если высказывание истинно, то значение соответствующей ему логической переменной обозначают единицей (А = 1 ), а если ложно – нулём (В = 0 ).

0 и 1 называются логическими значениями .

Высказывания бывают простые и сложные.

Высказывание называется простым , если никакая его часть сама не является высказыванием.

Сложные (составные) высказывания строятся из простых с помощью логических операций.

Логические операции.

Конъюнкция – логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум высказываниям новое высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания истинны .

Другое название: логическое умножение.

Дизъюнкция – логическая операция, которая каждым двум высказываниям ставит в соответствие новое высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания ложны .

Другое название: логическое сложение .

Обозначения: V, |, ИЛИ, +.

Инверсия – логическая операция, которая каждому высказыванию ставит в соответствие новое высказывание, значение которого противоположно исходному.

Другое название: логическое отрицание.

Обозначения: НЕ, ¬ , ¯ .

Импликация – это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым высказываниям составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда условие (первое высказывание) истинно , а следствие (второе высказывание) ложно .

В естественном языке – “Если A, то B”;

Обозначение –

Логическая эквивалентность (равнозначность) – это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания одновременно истины или одновременно ложны.

В естественном языке – “Тогда и только тогда и в том и только том случае”;

Обозначение – ↔

Логические операции имеют следующий приоритет:

инверсия, конъюнкция, дизъюнкция, импликация, эквивалентность

В 10-х классах учатся 50 человек. Факультатив по математике посещают 36 человек, по физике – 20 человек, на тот и другой факультатив записаны 10 учеников.

Какое количество учащихся не посещают факультативы?

36 – 10 = 26 – число учеников посещающих математику, и не посещающих физику.

20 + 26 = 46 – число учеников, посещающих математику или физику.

50 – 46 = 4 – число учеников, которые не посещают никаких факультативов.

3. Построение таблиц истинности сложных высказываний.

Свойства логических операций.

Справочный материал:

Решение логических задач упрощением логических выражений.

На соревнованиях по легкой атлетике Андрей, Боря, Сережа и Володя заняли первые четыре места. Но когда девочки стали вспоминать, как эти места распределились между победителями, то мнения разошлись:

Даша: Андрей был первым, а Володя – вторым.

Галя: Андрей был вторым, а Борис – третьим.

Лена: Боря был четвертым, а Сережа – вторым.

Известно, что каждая девочка в одном утверждении ошиблась, а в другом была права. Кто из мальчиков какое место занял?

Введем обозначения:

4. Базовые логические элементы компьютера

Дискретный преобразователь, который после обработки входных двоичных сигналов выдает на выходе сигнал, являющийся значением одной из логических операций, называется логическим элементом.

Базовые логические элементы реализуют три базовые логические операции:

• логический элемент “И” (конъюнктор) – логическое умножение;
• логический элемент “ИЛИ” (дизъюнктор)
– логическое сложение;
• логический элемент “НЕ” (инвертор)
– логическое отрицание.

Любая логическая операция может быть представлена в виде комбинации трех базовых, поэтому любые устройства компьютера, производящие обработку и хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов.

Логические элементы компьютера оперируют с сигналами, представляющими собой электрические импульсы.

Есть импульс – логическое значение сигнала 1, нет импульса – значение 0.

Анализ электронной схемы.

Какой сигнал должен быть на выходе при каждом возможном наборе сигналов на входах?

Решение. Все возможные комбинации сигналов на входах А и В внесём в таблицу истинности. Проследим преобразование каждой пары сигналов при прохождении их через логические элементы и запишем полученный результат в таблицу.

Заполненная таблица истинности полностью описывает рассматриваемую электронную схему.

В инвертор поступает сигнал от входа В. В конъюнктор поступают сигналы от входа А и от инвертора. Таким образом, F= А & ¬ B

Полусумматор и сумматор.

Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) содержит в своем составе
такие элементы как сумматоры. Они позволяют складывать двоичные числа.
Сложение в пределах одного разряда (без учета возможной пришедшей
единицы из младшего разряда) можно реализовать схемой, которая называется
полусумматором. У полусумматора два входа (для слагаемых) и два выхода
(для суммы и переноса).

В отличие от полусумматора сумматор учитывает перенос из предыдущего
разряда, поэтому имеет не два, а три входа.

(trigger-защелка, спусковой крючок) – это устройство, позволяющее запоминать, хранить и считывать информацию.

Каждый триггер хранит 1 бит информации, те он может находиться в одном из двух устойчивых состояний –логический “О” или логическая “1”.

Триггер способен почти мгновенно переходить из одного электрического состояния в другое и наоборот

Логическая схема триггера выглядит следующим образом:

Входы триггера расшифровываются следующим образом – S (от английского Set – установка) и R (Reset – сброс). Они используются для установки триггера в единичное состояние и сброса в нулевое. В связи с этим такой триггер называется RS-триггер.

Выход Q называется прямым, а противоположный – инверсный. Сигналы на прямом и инверсном выходах, конечно же, должны быть противоположны.

Пусть для определенности на вход S подан единичный сигнал, a R=0. Тогда независимо от состояния другого входа, который подсоединен к выходу Q (иначе говоря, вне зависимости от предыдущего состояния триггера), верхний по схеме элемент ИЛИ-НЕ получит на выходе 0 (результат ИЛИ равен 1, но его инверсия – 0). Этот нулевой сигнал передается на вход другого логического элемента, где на втором входе R тоже установлен 0. В итоге после выполнения логических операций ИЛИ-НЕ над двумя входными нулями этот элемент получает на выходе 1, которую возвращает первому элементу на соответствующий вход. Последнее обстоятельство очень важно: теперь, когда на этом входе установилась 1, состояние другого входа (S) больше не играет роли. Иными словами, если даже теперь убрать входной сигнал S, внутреннее распределение уровней сохранится без изменения.

Поскольку Q = 1, триггер перешел в единичное состояние, и, пока не придут новые внешние сигналы, сохраняет его. Итак, при подаче сигнала на вход S триггер переходит в устойчивое единичное состояние.

При противоположной комбинации сигналов R = 1 и S = 0 вследствие полной симметрии схемы все происходит совершенно аналогично, но теперь на выходе Q уже получается 0. Иными словами, при подаче сигнала на R-триггер сбрасывается в устойчивое нулевое состояние.

Таким образом, окончание действия сигнала в обоих случаях приводит к тому, что R = 0 и S = 0.

Логика – наука, изучающая законы и формы мышления. Алгебра логики это математический аппарат, с помощью которого записывают, упрощают, преобразовывают и вычисляют логические высказывания. Это раздел математики, который изучает высказывания с точки зрения их логических значений и логических (операций)связок. Впервые АЛ, как математический аппарат возникла в середине 19 века в трудах английского математика Джорджа Буля и с тех пор носит название «булева алгебра».

Логическое высказывание это любое повествовательное предложение, в отношение которого можно сказать однозначно истинно оно или ложно. Рим – столица Италии (истина), 5 – четное число (ложь). Кроме того, в АЛ используются и сложные высказывания, которые содержат несколько простых мыслей, соединенных между собой (связками) логическими операциями.

Каждая логическая связка рассматривается как операция над логическими высказываниями и имеет свое название и обозначение:

НЕ - Операция, выражаемая словом "не", называется отрицанием и обозначается чертой над высказыванием (или знаком ). Высказываниеистинно, когда A ложно, и ложно, когда A истинно. Пример. "Луна - спутник Земли" (А); "Луна - не спутник Земли" ().

И - Операция, выражаемая связкой "и", называется конъюнкцией (лат. conjunctio - соединение) или логическим умножением и обозначается точкой " " (может также обозначаться знакамиили &). Высказывание А. В истинно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В истинны. Например, высказывание: "10 делится на 2 и 5 больше 3" истинно, а высказывания: "10 делится на 2 и 5 не больше 3", "10 не делится на 2 и 5 больше 3", "10 не делится на 2 и 5 не больше 3" - ложны.

ИЛИ - Операция, выражаемая связкой "или" (в неисключающем смысле этого слова), называется дизъюнкцией (лат. disjunctio - разделение) или логическим сложением и обозначается знаком v (или плюсом). Высказывание А v В ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны. Например, высказывание "10 не делится на 2 или 5" ложно, а высказывание "10 делится на 2 или 10 делится на 3", - истинно.

Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, (называемые также вентилями), а также триггер. Имеется один или несколько входов и один выход.

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем.

Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Таблица истинности - это табличное представление логической схемы (операции), в котором перечислены все возможные сочетания значений входных сигналов (операндов) и соответствующие им значения выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний.

Схема И

Схема И реализует конъюнкцию двух или более логических значений. Условное обозначение на структурных схемах схемы И с двумя входами представлено на рис 1.

Таблица истинности схемы И

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.

Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x . y

(читается как "x и y"). Операция конъюнкции на структурных схемах обозначается знаком "&" (читается как "амперсэнд"), являющимся сокращенной записью английского слова and.

С

хема ИЛИ

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений. Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на её выходе также будет единица.

Условное обозначение на структурных схемах схемы ИЛИ с двумя входами представлено на рис.2. Обозначение - знак "1" на схеме Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x v y (читается как "x или y").

Таблица истинности схемы ИЛИ

С

хема НЕ

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом x этой схемы и выходом z можно записать соотношением z = , гдечитается как "не x" или "инверсия х".

Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, на выходе 0. Условное обозначение на структурных схемах инвертора - на рисунке 3

Таблица истинности схемы НЕ