Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
1 Contenido UNIDAD 2 – ÁLGEBRA BINARIA Bibliografía Martínez S. “Principios Digitales y Circuitos Lógicos”. Capítulo 7. Editorial UNJu – 2º ed. Argentina. 2010. Wakerly J.F. “DISEÑO DIGITAL. PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS”. Editorial Prentice Hall. Méjico. © 2001. Tokheim R. L. “Principios Digitales”. Editorial Mc Graw Hill. España. © 1990. Técnicas y Estructuras Digitales - 2019 Profesores: Ing. Sergio L. Martínez - Ing. Víctor Sánchez R. • Álgebra binaria. • Elementos del álgebra binaria. • Analogía eléctrica. • Propiedades → Axiomas. Teoremas. • Funciones lógicas. • Tablas de verdad. • Funciones de una variable. • Funciones de dos variables. • Grupos lógicos completos. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 2 ÁLGEBRA BINARIA Concepto • La denominación de álgebra binaria se debe a que toda su estructura se basa en un sistema de numeración particular como es el sistema binario, similarmente como ocurre con el álgebra decimal respecto del sistema de numeración decimal. • También se la conoce como álgebra de Boole o álgebra booleana por estar fundamentada en los estudios del matemático inglés George Boole. • Otra denominación muy apropiada es la de álgebra de conmutación, pues proporciona las bases formales para el estudio y diseño de los circuitos lógicos, los cuales operan estrictamente en la conmutación de dos estados eléctricos. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 3 ÁLGEBRA BINARIA Definición Si un conjunto b donde se han definido las operaciones binarias + y *, una operación ––, y dos elementos diferente de b identificados como 0 y 1; entonces la séxtupla {b , + , * , –– , 0 , 1} se puede denominar álgebra de Boole o álgebra bina- ria si se cumplen los siguientes axiomas para tres elementos A, B y C cualesquiera, pertenecientes a b : U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 4 ELEMENTOS DEL ÁLGEBRA BINARIA Variables lógicas Una variable lógica representará uno de los dos estados posibles y eventualmente no definidos, de la proposición que simbolice (verdadero o falso), de un determinado dispositivo (prendido o apagado) o en general de cualquier situación biestable (si - no). Las variables algebraicas representan números. Las var iab les lóg icas cont ienen un só lo b i t (1=verdadero, 0=falso) y representan estados de una proposición. Por esta razón, estos valores, dentro de las variables lógicas, no tienen sentido de cantidades, es decir, no pueden ser restados o multiplicados como los números en general. Se simbolizan con cualquier carácter A, B, C, x1, var, logic3, π, φ, … U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 5 ELEMENTOS DEL ÁLGEBRA BINARIA Operadores lógicos También llamados conectivos lógicos, son los elementos que determinan el tipo de relación que se establecerá entre las variables y/o constantes que concatenen. Para el álgebra binaria se definen básicamente tres: NEGACIÓN (NOT, NO o complemento): Devuelve el valor comple- mentario de la constante, variable, variables o función lógica que involucre. Se representa con un suprarayado. Por ejemplo: Si X = 0 = 1 PRODUCTO LÓGICO (AND, Y o disyunción): Aplicado a dos o más variables, produce un resultado 0 (falso), cuando al menos una de las variables que involucre sea 0 (falso). Se representa con un punto, asterisco o yuxtaposición. Por ejemplo: Si C = 0 A . B . C = 0 SUMA LÓGICA (OR, O ó conjunción): Aplicado a dos o más variables, produce un resultado 1 (verdadero), cuando al menos una de las variables que involucre sea 1 (verdadera). Se representa con un [+]. Por ejemplo: Si C = 1 A + B + C = 1 X U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 6 ELEMENTOS DEL ÁLGEBRA BINARIA Operadores lógicos combinados Hay ciertas combinaciones entre los operadores primarios o simples, de uso tan frecuente, que ha dado lugar a la definición de otros operadores que se denominan secundarios, combinados o dobles y son: NAND o NO-Y: Es la negación del producto lógico. NOR o NO-O: Es la negación de la suma lógica. XOR: También denominado O-exclusiva, se representa con el símbolo []. XNOR: También conocido como coincidencia, comparación o equivalencia, se representa con el símbolo [] o []. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 7 ELEMENTOS DEL ÁLGEBRA BINARIA Compuertas lógicas • El fundamento de la teoría lógica se basa en la necesidad de estudiar y resolver las situaciones que se plantean en forma simbólica o gráfica. • Cada uno de los operadores tiene una representa- ción gráfica llamadas compuertas lógicas. • Permiten representar a las variables y los operadores lógicos que las relacionan en forma gráfica o circuital. Estas son U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 8 ANALOGÍA ELÉCTRICA Un 0 se representa con un contacto o interruptor abierto. Un 1 se representa con un contacto o interruptor cerrado. La suma lógica se representa con contactos en paralelo y el producto lógico se representa con contactos en serie. La negación puede representarse como dos contactos para cada variable, mecánicamente ligados, donde uno está abierto y el otro cerrado. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 9 PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA Axiomas LEYES CONMUTATIVAS: El orden en que sean operadas las variables no altera el resultado. LEYES DISTRIBUTIVAS: La propiedad distributiva es válida tanto del producto respecto de la suma, como de la suma respecto del producto. Nótese que la segunda de estas propiedades no es válida en el álgebra decimal. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 10 Axiomas LEYES ASOCIATIVAS LEYES DE TAUTOLOGÍA: Toda variable o función lógica operada mediante la suma o producto lógico con su ele- mento neutro, produce la misma variable o función lógica. Para la suma lógica el elemento neutro es cero. Para el producto lógico el elemento neutro es uno. PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 11 Axiomas LEYES DEL COMPLEMENTO: Toda variable o función operada, a través de la suma o producto lógico, con la negación de sí misma, produce el complemento de su elemento neutro LEYES DE IDEMPOTENCIA: Toda variable o función operada por si misma, a través de la suma o producto lógico, da como resultado la misma variable o función. PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 12 Axiomas LEYES DE INVARIANZA: Toda variable o función operada con su elemento neutro complementado produce ese mismo elemento. LEY DE INVOLUCIÓN: Toda variable o función lógica negada dos veces da como resultado la misma variable o función. Primer corolario Segundo corolario PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 13 Teoremas LEY DE DUALIDAD: Todas las identidades que se establecen para el álgebra binaria permanecen como tales si se reemplazan ceros por unos y viceversa y suma por producto lógico y viceversa (Como demostración de esta ley se observan todas las leyes duales mostradas). LEYES DE ABSORCIÓN PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 14 Teoremas – Leyes de De Morgan PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 15 Teoremas – Leyes de De Morgan PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 16 Teoremas – Leyes de De Morgan PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA BINARIA U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 17 FUNCIONES LÓGICAS Definición Es la relación que se establece entre una o más variables lógicas (identificadas como independientes o de entrada), mediante los operadores lógicos, cuyo resultado se asigna a una nueva variable lógica (identificada como dependiente o de salida). F(A,B,C)=(A +B.C).C Variable dependiente Argumento Variables independientes Operadores U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 18 Tabla de verdad Es una organización tabular que contiene todas las posibles combinaciones de valoresque pueden establecerse entre las variables de entrada y los correspondientes valores que asume la o las variables de salida. FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 19 Tabla de verdad – Otros formatos T.V. extendida: Contiene los resultados parciales de la función para facilitar el cálculo. T.V. horizontal: Ocupa menos espacio. T.V. no gráfica: Se representa en forma numérica sin una estructura gráfica. Útil en programación. (XYZ,F) = (000,1) (001,1) (010,0) (011,0) (100,0) (101,0) (110,1) (111,1) FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 20 Funciones básicas de una variable F = f(A) FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 21 Fu nc io ne s bá si ca s de d os v ar ia bl es F = f(A,B) FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 22 Ejemplo de función básica Función O-Exclusiva • También llamada XOR, se define para dos variables como la función que asume una condición verdadera (1) cuando las variables presentan distintos estados. • Definida para más de dos variables es la función que asume una condición verdadera (1) cuando hay un número impar de variables en estado (1). FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 23 Ejemplo de función básica Función NOR-Exclusiva • Conocida también como coincidencia, equivalencia o XNOR, resulta de la negación de la función XOR. • Se define para dos variables como la función que asume un estado verdadero (1) cuando las variables presentan los mismos estados. • Para más de dos variables, es la función que asume un estado verdadero (1) cuando hay un número par de variables que se encuentren en este estado. FUNCIONES LÓGICAS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 24 GRUPOS LÓGICOS COMPLETOS Definición y concepto Un grupo lógico completo es el operador o conjunto de operadores lógicos con los que se puede representar cualquier función lógica. • Básicamente se definen tres grupos lógicos completos 1. NOT – OR – AND (operadores primarios) 2. NOR (operador secundario) 3. NAND (operador secundario) • Cualquier función lógica tienen formas equivalentes utilizando los grupos 2 y 3 exclusivamente. • Las compuertas basadas en los operadores NOR y NAND también se las denominan compuertas universales. • La utilidad principal es la construcción de circuitos lógicos que emplean un mismo tipo de compuerta. • Las funciones y circuitos que utilizan los grupos 2 y 3 son más homogéneas pero suelen ser más extensas. U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 25 Compuertas típicas (pinout) séxtuple inversor cuádruple 2-input OR triple 3-input AND cuádruple 2-input NOR triple 3-input NOR cuádruple 2-input NAND triple 3-input NAND doble 4-input NAND GRUPOS LÓGICOS COMPLETOS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 26 Criterios de representación NOR / NAND • Siempre que sea posible se debe trabajar con la función minimizada. • Desarrollar los operadores combinados (XOR / XNOR) a sus representaciones NOT / OR / AND. • La utilidad principal es la construcción de circuitos lógicos que emplean un mismo tipo de compuerta. • Aplicar las propiedades en forma conveniente (a toda o parte de la función) para eliminar los operadores no deseados. • Para formatos con NOR debe buscarse la eliminación de operadores AND y NAND. • Para formatos con NAND debe buscarse la eliminación de operadores OR y NOR. GRUPOS LÓGICOS COMPLETOS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 27 Ejemplo de conversión NOR / NAND Con NOR • DeMorgan • Involución • De Morgan al producto lógico Con NAND • Involución al paréntesis • De Morgan al paréntesis • Involución inversa • Involución a toda la función F(A,B,C)=(A +B.C) . C F(A,B,C)=(A +B+C) . C F(A,B,C)=(A +B+C) . C F(A,B,C)= A +B+C+C A B C F F(A,B,C)=(A +B.C) . C F(A,B,C)= A . B . C . C F(A,B,C)= A . B . C . C F(A,B,C)= A . B . C . C A B C F GRUPOS LÓGICOS COMPLETOS U2 – ÁLGEBRA DE LOS CIRCUITOS DIGITALES 28 GRUPOS LÓGICOS COMPLETOS Ejemplo de conversión NOR / NAND Con NOR Con NANDF(A,B,C)=(A +B.C) . C F(A,B,C)= A +B+C+C A B C F F(A,B,C)= A . B . C . C A B C F B C A F B C C A+B+C A+B+C + C B C A F A A.B.C A.B.C . C A.B.C . C C
Compartir