Карты и прямоугольники Карно

Минимизация полностью определённых булевых функций.

Существует несколько способов минимизации булевых функций. Прежде всего это метод Квайна-Мак-Класки, метод Блека-Порецкого и метод минимизации с помощью карт Карно или диаграмм Вейча [13, 22, 29]. Здесь будет подробно излагаться метод карт Карно, как самый удобный метод, позволяющий быстро решать задачи минимизации булевых функций от достаточно большого числа аргументов (6-12). При этом получается минимальная форма в базисе И, ИЛИ, НЕ.

Существуют карты Карно на 2, 3, 4, 5 и 6 переменных[13,22]. Причем последние стали использоваться достаточно недавно. На рисунке представлены карты Карно для 2, 3, 4, 5 и 6 аргументов.

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[13] 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.

Алгоритм "НИИРТА" графической минимизации булевых функций.

1. Заполнить карту Карно нулями и единицами в соответствии с таблицей истинности.
2. Покрыть все единичные наборы минимальным количеством прямоугольников Карно, каждый из которых имеет максимальную площадь.
3. Каждому прямоугольнику Карно соответствует одна импликанта, причём, если в границах прямоугольника Карно какая-либо переменная принимает значения как 0, так и 1, то она склеивается.

Примечание.

Если в карте Карно нулей окажется меньше чем единиц, то удобнее прямоугольниками Карно покрыть все нулевые наборы. В результате мы получим инверсию минимизируемой функции.

Сущность алгоритма достаточно прозрачна. Стремление к минимальному количеству прямоугольников Карно приводит в результате к минимальному количеству слагаемых в булевой функции. Требование получения максимальной площади прямоугольника Карно вызвано стремлением минимизировать длину каждого слагаемого булевой функции.

Применим карту Карно для решения задачи 1. Возможны два варианта решения.

f = x4x1 + x4x2 + x4x3 + x3x2x1f' = x4'x1' + x4'x2' + x4'x3' + x3'x2'x1'

Эти выражения представляют собой пример дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ).

В некоторых случаях приведение результата минимизации к скобочной форме позволяет уменьшить количество ИС, необходимые для реализации булевой функции. Скобочная форма для f имеет вид:

f = x4(x1 + x2 + x3) + x3x2x1

Карта Карно для решения задачи 1.

Дата добавления: 2015-05-08