[디지털 시스템 회로 설계] 부울 대수와 논리게이트

[디지털 시스템 회로 설계] 부울 대수와 논리게이트

 

Boole 대수

Boole 대수는 다음과 같은 공리를 만족하는 2개의 연산자 (+, *)와 원소들의 집합 B에 대해서 정의된 대수적인 구조다.

 

Boole 대수의 특징

(1) 폐쇄: 연산자 +와 *에 대해서 닫혀있다.

(2) 단위원: 연산자 +와 *에 대한 단위원은 각각 0와 1이다.

x+0=0+x=x

x*1=1*x=x

(3) 교환법칙: 모든 x,y∈B 에 대해서

x+y=y+x

x*y=y*x

(4) 분배법칙: 모든 x,y∈B 에 대해서

x*(y+z)=(x*y) +(x*z)

x+(y*z)=(x+y)*(x+z)

(5) 보수: 모든 원소 x ∈B 에 대하여 x’ ∈B 원소가 존재하여

x+x’=1

x*x’=0

(6) x!=y를 만족하는 x,y∈B 인 원소가 적어도 2개 이상 존재.

 

Boole 대수의 성질

> 쌍대성(duality principle)

연산자와 단위원이 교환되어도 Boole 대수의 공리로 부터 추론되는 모든 대수식은 여전히 성립하는 성질.

OR와 AND 연산자들을 교환해주고 1은 0으로, 0은 1로 교환한다.

 

> 연산자 우선 순위

1. 괄호    2. NOT    3. AND     4. OR

 

Boole 함수

상수 0/1의 2진 변수와 논리 연산 기호로 구성된 함수. 주어진 2진 변수의 값에 대하여 0이나 1을 나타낸다.

 

Boole 함수의 표현

진리표로 나타낼 수 있다 - 한 가지 방법 존재

논리 게이트로 구성된 회로로 변환될 수 있다 - 여러 가지 방법 존재

대수 형태로도 나타낼 수 있다 - 여러 가지 방법 존재

> 예시

F_1 = x + y'z

F_2 = x'y'z + x'yz +xy' = x'z(y'+y) + xy' = x'z + xy'

Boole 함수 - 대수적 조작

다음의 Boole 함수를 최소의 리터럴 수로 간략화한다.

(1) x(x'+y) = xx' + xy = 0 + xy = xy.

(2) x +x'y = (x+x')(x+y) = 1(x+y) = x + y.

(3) (x+y)(x+y') = x + xy + xy' + yy' = x(1+y+y') = x.

(4) xy + x'z + yz = xy + x'z + yz(x+x')

                      = xy + x'z + xyz + x'yz

                      = xy(1+z) + x'z(1+y)

                      = xy + x'z

(5) (x+y)(x'+z)(y+z) = (x+y)(x'+z) : 함수 4의 쌍대성에 의함.

(A + B + C)'= (A+x)'           B+C=x 로 놓으면

                = A'x'              Theorem 5(a)의 정리에 의함.

                = A'(B+C)'        B+C=x 를 대입

                = A'(B'C')         Theorem 5(a)의 정리에 의함.

                = A'B'C'           Theorem 4(b)의 정리에 의함.

  =>  (A+B+C+D+…+F)' = A'B'C'D'…F'

        (ABCD…F)' = A' +B'+ C' + D' + … + F'

 

Boole 함수 - 함수의 보수 구하기

> 예시 (함수의 보수 구하기)

F_1 = x'yz'+x'y'z

F_1' = (x'yz'+x'y'z)' = (x'yz')'(x'y'z)' = (x+y'+z)(x+y+z')

F_2 = x(y'z'+yz)

F_2' = [x(y'z'+yz)]' = x'+(y'z'+yz)' = x'+(y'z')'(yz)'  = x'+(y+z)(y'+z')

 

> 예시 (쌍대성과 각 리터럴의 보수를 사용하여 함수의 보수 구하기)

F_1 = x'yz' + x'y'z.

F_1 의 쌍대는 (x'+y+z')(x'+y'+z)

각 리터럴을 보수화 : (x+y'+z)(x+y+z')=F_1'

F_2 = x(y'z'+yz).

F_2  의 쌍대는  x+(y'+z')(y+z)이다.

각 리터럴을 보수화 : x'+(y+z)(y'+z')=F_2'

 

정준 형식 (canonical form

진리표에서 얻을 수 있는 기본적인 표현 형식 ( Mi'=mi )

최소항 m(minterm) : 주어진 변수들이 모두 AND 연산으로 조합된 항

최대항 M(maxterm) : 주어진 변수들이 모두 OR 연산으로 조합된 항

> 예시

f_1 = x'y'z+xy'z'+xyz = m1+m4+m7

f_2 = x'yz+xy'z+xyz'+xyz = m3+m5+m6+m7

 

f_1 = (x+y+z)(x+y'+z)(x+y'+z')(x'+y+z')(x'+y'+z) = M0M2M3M5M6

f_2 = (x+y+z)(x+y+z‘)(x+y'+z)(x'+y+z) = M0M1M2M4

 

정준형식 - 최소항의 합

> 예시 ( Boole 함수 F=A+B'C 를 최소항의 합으로 나타내기 )

  A = A(B+B') = AB +AB'
    = AB(C+C') + AB'(C+C')
    = ABC + ABC' + AB'C +AB'C'
B'C = B'C(A+A') = AB'C + A'B'C
  F = A + B'C 
    = A'B'C + AB'C' + AB'C + ABC' + ABC
    = m1 + m4 + m5 + m6 + m7
    = ∑(1, 4, 5, 6, 7)

 

정준형식 - 최소항의 합

> 예시 ( Boole 함수 F = xy + x'z 를 최대항의 곱 형태로 나타내기 )

F = xy + x'z = (xy+x')(xy+z)
  = (x+x')(y+x')(x+z)(y+z)
  = (x'+y)(x+z)(y+z)

x'+ y= x' + y + zz'= (x'+y+z)(x'+y+z')
x + z= x  + z + yy'= (x+y+z)(x+y'+z)
y + z= y  + z + xx'= (x+y+z)(x'+y+z)

F = (x+y+z)(x+y'+z)(x'+y+z)(x'+y+z')
  = M0M2M4M5
F(x, y, z) = ∏(0, 2, 4, 5)

 

정준형식 사이의 변환

F (A, B, C) = ∑(1, 4, 5, 6, 7)
F'(A, B, C) = ∑(0, 2, 3) = m0 + m2 + m3
F = (m0+m2+m3)' = m0'm2'm3' = M0M2M3 = ∏(0, 2, 3) , mj' = Mj

# 예시
F = xy + x'z 
F(x, y, z) = ∑(1, 3, 6, 7)
F(x, y, z) = ∏(0, 2, 4, 5)

 

[예제] 다음 식을 최소항의 곱과 최대항의 합으로 표현하시오. (표현 형식 사이의 보수 변환 관계를 활용할 것)

x'y + z'

 

 

(x' + z')(y + z')

 

 

[x(yz + z')]'

 

 

 

표준형식 (standard form)

리터럴의 개수를 최소화시킬 수 없는 정준형식의 단점을 보완한다.

곱의 합 (sum of products) : F1 = y' + x'yz' +xy

합의 곱 (product of sums) : F2 = x(y'+z)(x'+y+z)

 

> 예시 ( F3 = AB + C(D+E) = AB +CD + CE )

> [예제] 다음 식의 리터럴의 개수를 최소화하여 곱의 합(F1)과 합의 곱(F2)으로 표현하고 논리게이트를 작성하시오.

F = x(z' + y)(x + y')

 

F = z'(y + x')xy(z + 1)

 

F = y(x + y)(z' + y)xy

 

F =  (xy + z)(y + z')

 

 

※참고 - 정준형식과 표준형식 모두 2레벨 이내로 게이트 표현이 가능하며 그 중 특히 표준형식은 리터럴 수를 최소화해서 간단히 표현할 수 있다는 차별점이 있음.

기타 논리 연산들

 

 

 

자료참조 - Digital Design 6th Morris Mano