Metodo di Quine-McCluskey. Algoritmo. Sommario. Sommario. M. Favalli

Transcript

1 Sommario Metodo di Quine-McCluskey M. Favalli Engineering Department in Ferrara 2 3 Sommario Analisi e sintesi dei sistemi digitali / Algoritmo Analisi e sintesi dei sistemi digitali 2 / 2 3 Metodo esatto per la sintesi di reti a 2 livelli Fattibile fino a circa 20 ingressi In grado di considerare funzioni a piú uscite Puó minimizzare sia il costo degli implicanti che quello dei letterali L algoritmo (facilmente implementabile) opera in due fasi distinte Fase di espansione 2 Fase di copertura Si vedrá inizialmente il caso di funzioni con uscita singola Analisi e sintesi dei sistemi digitali 3 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 4 /

2 Descrizione di funzioni completamente specificate Descrizione di funzioni non completamente specificate La funzione puó essere descritta come una lista di mintermini a ciascuno dei quali é associato un indice f = {0,, 2, 3, 4, 7} i xyz f La funzione puó essere descritta come una lista di mintermini e condizioni di indifferenza a ciascuno dei quali é associato un indice f ON = {, 2, 3, 4, 7} f DC = {0, 6} Dove f ON e f DC sono funzioni da {0, } n a {0, } i xyz f f ON f DC Analisi e sintesi dei sistemi digitali 5 / Espansione - algoritmo Analisi e sintesi dei sistemi digitali 6 / Organizzazione della lista di implicanti Crea una lista con tutti i mintermini e le eventuali condizioni di indifferenza (α) 2 Confronta tutte le coppie ( α 2) di cubi e di eventuali condizioni di indifferenza che non sono stati esaminati e determina la distanza Hamming (h) 3 Per ogni coppia tale che h = crea un nuovo cubo (implicante) inserendo il simbolo al posto della variabile eliminata (se tale cubo esiste giá non viene aggiunto alla lista) 2 marca i cubi che sono stati espansi con 4 Si torna al passo 2 fino a quando non sono piú possibili ulteriori espansioni 5 Si eliminano tutti i cubi marcati con e quelli che contengono solo indifferenze 6 I cubi rimanenti sono tutti gli implicanti primi della funzione Analisi e sintesi dei sistemi digitali 7 / Per ridurre il numero di confronti, si nota che poiché siamo interessati a coppie di mintermini con h =, la differenza fra il numero di in un mintermine e nell altro deve essere Si organizza la lista di mintermini in gruppi contenenti mintermini con lo stesso numero di (i gruppi sono organizzati in ordine cresecente) Quindi basta confrontare mintermini di un gruppo con quelli del successivo Analisi e sintesi dei sistemi digitali 8 /

3 Esempio - I Esempio - II Si procede analizzando la nuova lista per verificare se sono possibili nuove espansioni i xyz i xyz 0, 00-0, ,4-00,3 0-2,3 0-3,7 - I mintermini coinvolti in almeno un raccoglimento (espansione) vengono denotati con in quanto sicuramente non corrispondono a implicanti primi Si noti che deve essere h = e che i don t care devono essere nelle stesse posizioni Ci si ferma quanto non sono piú possibili nuove espansioni xyz 0, 00-0, ,4-00,3 0-2,3 0-3,7 - xyz 0,,2, ,2,, Analisi e sintesi dei sistemi digitali 9 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 0 / Quadro complessivo Esempi Si nota che é possibile che alcuni implicanti siano duplicati, in tale caso vanno eliminati xyz xyz 0, 00-0, ,4-00,3 0-2,3 0-3,7 - xyz 0,,2, ,2,, Gli implicanti primi sono quindi y z, yz, x Gli implicanti (cubi) che non sono stati marcati sono quelli primi Analisi e sintesi dei sistemi digitali / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 2 /

4 Sommario 2 3 Il problema di copertura si rappresenta graficamente con una tabella di copertura che ha come righe gli implicanti primi e come colonne i mintermini di f La casella di indice i, j ha il simbolo se l implicante P i copre il mintermine m j Si nota che la soluzione qui presentata é indipendente dal metodo utilizzato per gli implicanti primi Analisi e sintesi dei sistemi digitali 3 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 4 / Esempio di copertura Tabella di copertura Si supponga di considerare la funzione non completamente specificata mintermini di f f (x, y, z, w) = f ON + f DC Ove f ON = {0,, 6, 7, 8,, 3} e f DC = {4, 5, 9, 0, 5}, gli implicanti primi sono: P 0 = y z -00-0,,8,9 P 4 = x y ,5,6,7 P = x z ,,4,5 P 5 = yw --0 5,7,3,5 P 2 = z w - -0,5,9,3 P 6 = xw - - 9,,3,5 P 3 = xy ,9,,0 implicanti primi id f P 0 P P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 Analisi e sintesi dei sistemi digitali 5 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 6 /

5 Tabella di copertura iniziale Riconoscimento degli implicanti primi essenziali mintermini di f P 0 P P 2 P 3 P 4 P 5 La tabella di copertura consente di individuare direttamente tutte le condizioni di essenzialitá, infatti una colonna con un solo individua immediatamente un implicante primo essenziale Sia C(f ) l insieme degli implicanti primi utilizzato per la copertura C(f ) = 2 Si individua un implicante primo essenziale P i e lo si aggiunge alla copertura C(f ) = C(f ) {P i } 3 Si eliminano dalla tabella tutte le colonne coperte da P i e si elimina la riga i Analisi e sintesi dei sistemi digitali 7 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 8 / Tabella di copertura iniziale Dominanza La colonna 6 ha una sola quindi l implicante P 4 é essenziale P 0 P 0 P P P 2 P 2 P 3 P 3 P 4 P 5 P 5 La copertura é C(f ) = {P 4 } Una volta che non si trovino piú implicanti primi essenziali, si sfruttano le relazioni di dominanza di riga e di colonna Dominanza di riga Una riga i ne domina una j se l implicante P i copre tutti i mintermini coperti da P j piú almeno uno (in qualsiasi tabella). La riga j puó essere rimossa dalla tabella in quanto la scelta di P i copre tutti i mintermini coperti da P j Analisi e sintesi dei sistemi digitali 9 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 20 /

6 Esempio Esempio Si osserva che P 0 domina P e che sia P 2 che P 6 dominano P 5, quindi P 2 e P 5 possono essere eliminati P 0 P P 2 P 3 P P 0 P 2 P 3 Si osserva che nella nuova tabella P 0 é diventato un implicante primo essenziale secondario perché é l unico che copre il mintermine P 0 P 2 P 3 3 P 2 P 3 Nella nuova tabella P 6 domina sia P 3 che P 2 3 P 2 3 P 3 C(f ) = {P 4, P 0 } Espressione di costo minimo di tipo SP Analisi e sintesi dei sistemi digitali 2 / Dominanza di colonna Analisi e sintesi dei sistemi digitali 22 / Ora P 6 é diventato essenziale, quindi la copertura é data da che corrisponde all espressione C(f ) = {P 4, P 0, P 6 } f (x, y, z, w) = y z + x y + xw il numero di implicanti é C = 3 mentre l = 6 (il procedimento utilizzato utilizza C come cifra di merito) Dominanza di colonna Una colonna i ne domina una j se la colonna j é coperta da tutti gli implicanti di i piú almeno uno. In tale caso la colonna j puó essere eliminata In questo caso, qualsiasi implicante che copre i copre anche j i j Analisi e sintesi dei sistemi digitali 23 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 24 /

7 Sommario 2 3 Nella maggior parte dei casi le funzioni da considerare hanno piú scite (es. sommatore binario) F(x, x 2,..., x n ) = [f (x, x 2,..., x n ),..., f m (x, x 2,..., x n )] Si possono avere funzioni completamente specifcate B n B m o non completamente specificate {0, } n {0,, } m L ottimizzazione separata delle funzioni a uscita singola non porta, in generale, a un risultato ottimale perché trascura le possibilitá offerte dall utilizzo del fan-out Analisi e sintesi dei sistemi digitali 25 / Esempio dei problemi nella sintesi di funzioni a piú uscite Analisi e sintesi dei sistemi digitali 26 / Ottimizzazione separata delle due funzioni f e g f g x yz x yz f=y +x 0 t(tot)=6 g=y z+xy xy é un implicante primo di g, ma non di f, comunque puó essere utilizzato per coprire gli di f non coperti da y. In questo modo la porta AND che realizza xy avrá fan-out=2 e il costo dei letterali é inferiore f yz x g yz x Si parte dai mintermini di ciascuna funzione e si forma una lista unica avendo cura di contrassegnare ciascun mintermine j con una maschera µ j che denota le funzioni in cui é presente Tale maschera, é costituita da una stringa di m bit, uno per ciascuna uscita k µ jk = se il mintermine j compare nella k-ma funzione di uscita, mentre vale 0 altrimenti Una volta assegnata una maschera a ciascuna configurazione, si puó costruire la lista dei mintermini e procedere ai raccoglimenti 0 f=y +xy l(tot)=5 f=y z+xy Analisi e sintesi dei sistemi digitali 27 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 28 /

8 Espansione Espansione In questa fase bisogna tenere in conto che i mintermini possono appartenere a piú funzioni e che l espansione di due mintermini ha significato solo per le funzioni cui entrambi appartengono Questa operazione si puó fare semplicemente facendo il prodotto logico bit a bit delle rispettive maschere Sia, ad esempio, m i = 0 e m j = con µ i = 00 e µ j = 00, rispettivamente. Da questi si puó poi ottenere P k = con µ k = 000 L eliminazione di implicanti rimane poi subordinata alla relazione che esiste fra la maschera degli implicanti di partenza e di quello espanso Sono possibili 5 diversi casi espandendo gli implicanti P i e P j in P k µ k = 00..0: l implicante ottenuto non ha senso per alcuna funzione e quindi é inutile riportarlo 2 µ k = µ i : l implicante ottenuto é primo rispetto alle funzioni in cui é utilizzato P i quindi P i puó essere marcato 3 µ k = µ j : l implicante ottenuto é primo rispetto alle funzioni in cui é utilizzato P j quindi P j puó essere marcato 4 di conseguenza se µ k = µ i = µ j possono essere marcati entrambi 5 µ k 0 (µ k µ i µ k µ j ): P k é primo solo per l intersezione delle funzioni in cui compaiono P i e P j, quindi non si marcano P i e P j e si mantiene comunque P k Analisi e sintesi dei sistemi digitali 29 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 30 / Esempio Implicanti primi Funzioni completamente specificate: f = {0,, 5, 6} g = {0,, 2, 6, 7} h = {, 3, 5, 6, 7} Lista dei mintermini i xyz µ f µ g µ h xyz µ f µ g µ h 0, , ,3 0-00, , , ,7-00 5,7-00 6,7-0 xyz µ f µ g µ h 0,2,, ,3,5,7 00,5,3,7 00 2,6,3, implicante mintermini xyz µ f µ g µ h P 0 00 P 6 0 P 2 0, 00-0 P 3 0, P 4,5-0 0 P 5 2, P 6 6,7-0 P 7,3,5,7 00 Analisi e sintesi dei sistemi digitali 3 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 32 /

9 La tabella di copertura per una funzione a piú uscite si costruisce in maniera simile a quella utilizzata per funzioni scalari. In pratica si accostano le diverse tabelle di copertura P 0 P P 2 P 3 P 4 P 5 P 7 Un implicante primo essenziale puó essere tale solo rispetto ad alcune funzioni, una volta scelto, si eliminano le colonne rispetto alle quali é essenziale in tali funzioni Se un implicante é stato scelto perché essenziale per un certo insieme di funzioni, puó darsi che convenga utilizzarlo anche in altre funzioni in cui é solo primo, infatti si puó semplicemente aumentare il fan-out della porta logica AND che lo realizza Se il costo é basato sul numero di implicanti, si puó associare un costo iniziale pari a per ciascun implicante e se un implicante viene scelto lo si mette a 0 per denotare che puó essere usato senza aumentare il costo della copertura Analisi e sintesi dei sistemi digitali 33 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 34 / Esempio Esempio- Si osserva che P é essenziale rispetto al mintermine 6 di f quindi elimino le colonne coperte da P in f, ma non la riga perché potrebbe servirmi per g e h h, poi metto il suo costo a P 0 P 0 P 2 P 3 P 4 P 5 P 7 C(f ) = {P }, C(g) = {}, C(h) = {} Le stesse considerazioni valgono per P 6 rispetto a 7 nella g, mentre P 7 é primo essenziale rispetto a 3 nella h e posso eliminare la riga perché P 7 non compare in altre funzioni P 0 P 0 P 2 P 3 P 4 P 5 0 P 7 0 C(f ) = {P }, C(g) = {P 6 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 35 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 36 /

10 Esempio- Esempio Nella tabella ridotta si osserva che P 2 é essenziale rispetto a 0 nella f (non puó essere eliminato) e che P 4 é essenziale rispetto a 5 nella f (puó essere eliminato) P 0 P 0 P 2 0 P 3 P 4 0 P 5 P 6 0 Si osserva che P 2 domina P 0 e che P 3 domina P 5 (nota: la dominanza si puó applicare solo se il costo della riga dominata é maggiore o uguale di quello della riga dominante) g h P 0 P 0 P 2 0 P 3 P 5 P 6 0 C(f ) = {P, P 2, P 4 }, C(g) = {P 6 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 37 / C(f ) = {P, P 2, P 4 }, C(g) = {P 6 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 38 / Esempio- P 2 e P 3 sono divenuti essenziali per la g, mentre per coprire 6 nella h si puó usare sia P che P 6 g h P 0 P 2 0 P 3 P 6 0 C(f ) = {P, P 2, P 4 }, C(g) = {P 2, P 3, P 6 }, C(h) = {P, P 7 } o C(h) = {P 6, P 7 } Le espressioni delle singole uscite possono essere ricavate da quelle dei singoli implicanti. f g h x yz yz yz x x f=xyz +x y +y z g=x y +x z +xy h=xy+z Nella figura si evidenziano i termini prodotto con fan-out > Analisi e sintesi dei sistemi digitali 39 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 40 /

11 Funzione a piú uscite e implicanti primi f = {0, 2, 5, 6, 7}, g = {0,, 3, 6, 7}.h = {, 3, 5, 6, 7} i xyz µ f, µ g, µ h P 0 0, P 0, P 2,3 0-0 P 3 2, P 4 3,7-0 P 5 5,7-0 P 6 6,7 - P 7,3,5,7 00 P 8 Tabella di copertura P 0 x x P x x P 2 x x P 3 x x x x P 4 x x P 5 x x x x P 6 x x x x P 7 x x x x x x P 8 x x x x x x C(f ) = {}, C(g) = {}, C(h) = {} Analisi e sintesi dei sistemi digitali 4 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 42 / P 6 é essenziale rispetto a 5 per la f, P 7 rispetto a 6 per la g e la h P 0 x x P x x P 2 x x P 3 x x x x P 4 x x P 5 x x x x P 6 x x x x 0 P 7 x x x x x x 0 P 8 x x x x x x C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } P 5 é dominata da P P 0 x x P x x P 2 x x P 3 x x x x P 4 x x P 5 x x P 6 x 0 P 7 x 0 P 8 x x x C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 43 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 44 /

12 P 3 é essenziale rispetto a 3 per la g P 0 x x P x x P 2 x x P 3 x x x x 0 P 4 x x P 6 x 0 P 7 x 0 P 8 x x x C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } P 0 domina P P 0 x x P x P 2 x x P 3 x x 0 P 4 x x P 6 x 0 P 7 x 0 P 8 x x x C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 45 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 46 / P 0 é diventato essenziale rispetto a 0 in g P 0 x x 0 P 2 x x P 3 x x 0 P 4 x x P 6 x 0 P 7 x 0 P 8 x x x Tabella ridotta P 0 x 0 P 2 x x P 3 x x 0 P 4 x x P 6 x 0 P 7 x 0 P 8 x x x C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 0, P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } C(f ) = {P 6 }, C(g) = {P 0, P 3, P 7 }, C(h) = {P 7 } Analisi e sintesi dei sistemi digitali 47 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 48 /

13 Nel caso in cui si ottimizzino le funzioni singolarmente, P 2 dominerebbe P 0, P 4 dominerebbe P 7 e P 8 donirebbe sia P 6 che P 3 risultando nella copertura C(f ) = {P 2, P 4, P 6 }, C(g) = {P 0, P 3, P 7 }, C(h) = {P 7, P 8 } con costo c = 7 Osservando i costi, si vede che tali dominanze non sono convenienti perché il costo della riga dominata é inferiore a quello della riga dominante La relazione di dominanza puó essere applicata se e solo se la riga dominata ha un costo superiore o uguale a quella dominante. Ad esempio la copertura C(f ) = {P 0, P 4, P 6 }, C(g) = {P 0, P 3, P 7 }, C(h) = {P 3, P 6, P 7 } ha costo c = 5 perché si utilizzano elementi a costo 0 Come si vedrá in seguito, non si é ancora definito un procedimento sistematico per arrivare a questi risultati (se non provare i possibili casi) Analisi e sintesi dei sistemi digitali 49 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 50 / Coperture cicliche Coperture cicliche Il metodi visti non tengono in conto del numero di letterali, ma solo della cardinalitá dell insieme di implicanti Rispetto al numero di implicanti la soluzione ottenuta é minima indipendentemente dall ordine con cui sono applicate le proprietá di essenzialitá e dominanza sono applicate Nel caso di coperture cicliche non sono in grado di decidere quali implicanti utilizzare perché nella tabella non sono presenti né relazioni di essenzialitá, né relazioni di dominanza Il metodi visti non tengono in conto del numero di letterali, ma solo della cardinalitá dell insieme di implicanti Rispetto al numero di implicanti la soluzione ottenuta é minima indipendentemente dall ordine con cui sono applicate le proprietá di essenzialitá e dominanza sono applicate Nel caso di coperture "cicliche" non sono in grado di decidere quali implicanti utilizzare perché nella tabella non si hanno né relazioni essenzialitá, né relazioni di dominanza Analisi e sintesi dei sistemi digitali 5 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 52 /

14 Esempio Esempio Si consideri la funzione f (a, b, c, d) = {, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 2, 3} per la quale sono stati calcolati implicanti primi e copertura P 0 = ac P = bc P 2 = c d P 3 = a b d P 4 = a b c P 5 = a cd P 6 = a bd P 0 é essenziale rispetto a P 0 = ac P = bc P 2 = c d P 3 = a b d P 4 = a b c P 5 = a cd P 6 = a bd Analisi e sintesi dei sistemi digitali 53 / Analisi e sintesi dei sistemi digitali 54 / Conclusioni Si osserva che nella tabella ridotta, non esistono condizioni di essenzialitá o dominanza Analizzando la mappa di Karnaugh una buona copertura é evidente, bisogna peró trovare un procedimento sistematico per funzioni con pi u ingressi ab cd Analisi e sintesi dei sistemi digitali /