這幾章講的是邏輯設計的基礎:布林運算。
布林運算和普通算術運算最大的不同,在於其包括的數集只有0與1(或者「真」和「假」),而算術運算是全數集;所以,布林運算的學習重點一般在於算式的化簡而不是求值。
我們又要回到這幅圖了
在開始之前,我們先了解幾個概念。
邏輯運算,又叫布林運算,是通過一系列既定的邏輯規則,對一些邏輯命題進行恒等變形的研究。
基本邏輯,本質上是布林運算中的運算子,可模擬於算術運算中的加減乘除、階乘乘方等;指示了對邏輯變數的運算規則。有三種簡單邏輯、兩種特殊邏輯、若干復合邏輯。
真值表,它描述了對於所有可能的自變數取值,因變數的值的情況。它的存在是建立在布林運算中變數的可能值很少,可以窮舉的前提上的。
邏輯圖,用示意圖的形式表示邏輯運算關係,是抽象化的電路,直觀化的算式。
眾所周知,運算可以分成一元、二元與多元。其中一元運算只有乙個:非邏輯 (not)。
觀察真值表,可以知道非邏輯本質上是將變數進行了取反。
或邏輯 (or)是最基礎的兩個二元邏輯之一。
觀察真值表,可以知道或邏輯用加號表示的原因是它類似加法運算,且結果為1的概率有75%(這在某些場合會有用處)。
與邏輯 (and)是另乙個基本二元邏輯。
同樣地,通過真值表可以發現與邏輯類似乘法運算,且結果為1的概率有25%。
異或 (xor)是較為特殊的二元邏輯。
閉合狀態,形成通路
斷開狀態,不形成通路
通過真值表,可以發現,如果不考慮進製,異或運算才是真·二進位制加法!實際上,異或又叫做「模二和」,加法器就是用異或實現的。也注意到,結果為1的概率是50%。
同或 (xnor)是另一種特殊的二元邏輯。
以後會常常見到輸入端或輸出端的這個小圓圈——它表示額外的一步非運算
觀察真值表,發現異或和同或是相反運算(當自變數取值相同時,因變數值相反),解釋了符號中小圓圈的意義。同或的使用相對不如異或頻繁。
除了以上五種邏輯,還有幾種也成為了值得關注的邏輯。它們統稱為復合邏輯。
復合邏輯使用較為廣泛,但能很方便地用與、或、非表示,因此並沒有自己的運算符號和特殊的邏輯符號。它們包括:與非 (nand)
或非 (nor)
與或非
那麼,以上邏輯的使用場景有什麼呢?我們再次回到檔案室的問題。當時提到一句話:
當「主任的鑰匙插入」或者「『檔案保管員a的鑰匙插入』而且『檔案保管員b的鑰匙插入』」而且「防盜裝置未開啟時,門鎖開啟所有的重點詞彙都已經著重標出。不難看到,它們分別對應了或、與、非的運算。那麼,我們初步把它改寫一下:
再換一種更直觀的寫法:
當} and (not 防盜系統開啟)
時 門鎖開啟
甚至,更進一步,我們用字母代替每一事件,就像在第一章中做的那樣,就能得到乙個抽象的函式式
就這樣,我們已經通過直接分析文字描述的方法,寫出了第乙個邏輯函式式——別看這種方法顯得笨拙,有時候,它得到的結果恰恰是最簡潔的。而有了這個函式式,設計數位電路便會方便許多。
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