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論理回路

論理回路. 第 2 回 論理ゲートを用いる 論理関数の実現 http://www.info.kindai.ac.jp/LC 38 号館 4 階 N-411 内線 5459 takasi-i@info.kindai.ac.jp. 論理ゲート. 論理ゲート ハードウェアによる論理演算機構 基本論理ゲート NOT ゲート AND ゲート OR ゲート. 論理演算. 演算結果. 論理ゲート. 出力信号 （直流電圧）. F. X. Y. Z. 論理演算と論理ゲート. 論理変数. 入力信号 ( 直流電圧 ). 1. X. Z.

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Presentation Transcript

  1. 論理回路 第2回 論理ゲートを用いる 論理関数の実現 http://www.info.kindai.ac.jp/LC 38号館4階N-411 内線5459 takasi-i@info.kindai.ac.jp

  2. 論理ゲート • 論理ゲート • ハードウェアによる論理演算機構 • 基本論理ゲート • NOTゲート • ANDゲート • ORゲート

  3. 論理演算 演算結果 論理ゲート 出力信号 （直流電圧） F X Y Z 論理演算と論理ゲート 論理変数 入力信号 (直流電圧)

  4. 1 X Z X Z JIS記号 MIL記号 X Z 慣用記号 NOTゲート • 定義2.1 (NOTゲート) • 入力信号を反転して出力する論理ゲート • 1入力1出力

  5. X & Z Y X Z JIS記号 Y X MIL記号 Z Y 慣用記号 ANDゲート • 定義2.2 (ANDゲート) • 入力信号が全て 1 のときは 1 を、 それ以外は 0 を出力する論理ゲート • 2入力1出力

  6. X ≧1 Z Y X Z JIS記号 Y X MIL記号 Z Y 慣用記号 ORゲート • 定義2.3 (ORゲート) • 入力信号に 1 つでも 1 があれば 1 を、 それ以外は0を出力する論理ゲート • 2入力1出力

  7. X X X Z Z Z Y Y B E C NOT, AND, ORゲートの回路 X X Y X Y Z Z Z トランジスタ ダイオード 電圧元 アース +

  8. ダイオードの性質 I I この方向のみ 電流が流れる P型 N型 O O I I それ以外のとき I =1,O =0 のとき O O

  9. X=1 Y=0 Z X Z 電流 Y X=1 Y=1 Z AND回路 電圧 降下 X Y Z ダイオード 電圧元 アース +

  10. X=0 Y=0 Z X Z Y X=1 Y=0 電流 Z OR回路 X Y Z ダイオード アース

  11. トランジスタの性質 C コレクタ-エミッタ間に 電流が流れる C N型 B P型 B N型 E E ベース-エミッタ間に 電流が流れると C C E =0,C =1,B =1 のとき それ以外のとき E E

  12. X=0 Z X Z X=1 Z 電流 B E C NOT回路 X Z 電圧 降下 トランジスタ 電圧元 アース +

  13. 組み合わせ回路 • 定義2.4 (組み合わせ回路) • ある時刻の出力信号が、現在の入力信号だけで決まる回路 • 定義3.2 (順序回路) • ある時刻の出力信号が、現在の入力信号だけでなく、過去の入力信号の影響も受ける回路 (回路内にバッファ・メモリがある)

  14. I1 論理回路 F I2 O Im 組み合わせ回路と論理関数 • 論理関数 f =(I1,I2,…,Im)=O • Ii : 入力 • O : 出力 • 論理関数 • 回路における入力と出力との論理関係を示す • 回路の機能を論理式で表す

  15. X1 X1 X2 X2 Z Z Xn Xn n入力ANDゲート • 定義2.6 (n入力ANDゲート) • 入力信号が全て 1 のときは 1 を、 それ以外は 0 を出力する論理ゲート • n入力1出力

  16. X1 X1 X2 X2 Z Z Xn Xn n入力ORゲート • 定義2.7 (n入力ORゲート) • 入力信号に 1 つでも 1 があれば 1 を、 それ以外は 0 を出力する論理ゲート • n入力1出力

  17. 排他的論理和 EXOR • 定義2.8 (排他的論理和 EXOR) • 入力のうち 1 が 1 つ(だけ)あるときは 1 、 それ以外は 0 を与える演算 演算記号 :

  18. X Y Z X Y Z 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 EXORと結合則 • 定理2.1 (EXORと結合則) • EXORは結合則を満たす 入力 1が奇数個 　　⇒出力1 1が偶数個 　　⇒出力0

  19. X X =1 Z Z Y Y JIS記号 X X Z Z Y Y MIL記号 慣用記号 EXORゲート • 定義2.9 (EXORゲート) • 入力信号に 1 が 1 つ(だけ)あれば1を、 それ以外は0を出力する論理ゲート • 2入力1出力

  20. X1 X1 X2 X2 Z Z Xn Xn n入力EXORゲート • 定義2.9’ (n入力EXORゲート) • 入力信号に 1 が奇数個あれば 1 を、 それ以外は0を出力する論理ゲート • n入力1出力

  21. 否定論理積 NAND • 定義2.9 (否定論理積 NAND) • 入力のANDを取り、その結果にNOTを施す演算 演算記号 |

  22. NANDと結合則 • 定理2.2 (NANDと結合則) • NANDは結合則を満たさない (証明)

  23. (別解) 真理値表より題意が示される

  24. X X & Z Z Y Y JIS記号 X X Z Z Y Y MIL記号 慣用記号 NANDゲート • 定義2.11 (NANDゲート) • AND,NOTゲートを直列に繋いだ論理ゲート • 2入力1出力

  25. X1 X1 X2 X2 Z Z Xn Xn n入力NANDゲート • 定義2.11’ (n入力NANDゲート) • 入力信号が全て 1 のときは 0 を、 それ以外は 1 を出力する論理ゲート • n入力1出力

  26. 否定論理和 NOR • 定義2.12 (否定論理積 NOR) • 入力のORを取り、その結果にNOTを施す演算 演算記号 ↓

  27. NORと結合則 • 定理2.3 (NORと結合則) • NORは結合則を満たさない (証明) NANDと結合則の証明と同様

  28. X X ≧1 Z Z Y Y JIS記号 X X Z Z Y Y MIL記号 慣用記号 NORゲート • 定義2.13 (NORゲート) • OR,NOTゲートを直列に繋いだ論理ゲート • 2入力1出力

  29. X1 X1 X2 X2 Z Z Xn Xn n入力NORゲート • 定義2.13’ (n入力NORゲート) • 入力信号に 1 つでも 1 があれば 0 を、 それ以外は 1 を出力する論理ゲート • n入力1出力

  30. F Fd X X Y Y Z Z 双対回路 • 定義2.14 (双対回路) • 論理関数 f に対応する論理回路をF とする　このとき、f の双対関数 fdに対応する論理回路 Fdを Fの双対な論理回路と言う 例: ,

  31. 万能論理関数集合 • 定義2.15 万能論理関数集合 • 任意の論理関数が表現できる論理関数の集合 • あらゆる論理関数は、AND,OR,NOTの組み合わせで表現可能 • U0 = {AND,OR,NOT}は万能論理関数集合

  32. F X Y AND/OR形式, AND/OR回路 • 定義2.16 (AND/OR形式) • U0={AND,OR,NOT}によって表された論理式 • 定義2.21 (AND/OR回路) • AND,OR,NOTの3種類のゲートだけで構成する論理回路 疑問: AND,OR,NOT全て必要か？

  33. OR AND X X Y Y AND⇔OR変換 • (ド・モルガン則) ⇒論理関数はANDとNOTのみで表現可能 • U1 = {AND,NOT}は万能論理関数集合 ⇒論理関数はORとNOTのみで表現可能 • U2 = {OR,NOT}は万能論理関数集合

  34. F X Y NOT-AND形式, AND回路 • 定義2.17 (NOT-AND形式,AND形式) • U1 = {AND,NOT}によって表された論理式 • 定義2.22 (NOT-AND回路, AND回路) • AND,NOT の2種類のゲートだけで構成する論理回路

  35. F X Y NOT-OR形式, OR回路 • 定義2.18 (NOT-OR形式,OR形式) • U2 = {OR,NOT}によって表された論理式 • 定義2.23 (NOT-OR回路, OR回路) • OR,NOT の2種類のゲートだけで構成する論理回路

  36. 問題 : AND⇔OR変換 • をAND形式で書け • 右図の回路Fを等価な AND回路F ’に変換せよ F X Y F ’ X Y

  37. 万能論理関数集合 以下の集合は万能論理関数集合 • U0 ={AND, OR, NOT} • U1 ={OR, NOT} • U2 ={AND, NOT} • U3 ={NAND} • U4 ={NOR}

  38. NANDの万能性 • 定理2.4 (NANDの万能性) • 任意の論理関数はNANDだけで表せる (証明) NAND を と表す NOT : OR : AND :

  39. F X Y NAND形式,NAND回路 • 定義2.19 (NAND形式) • U3 = {NAND}によって表された論理式 • 定義2.24 (NAND回路) • NANDゲートだけで構成する論理回路

  40. F X Y NOR形式,NOR回路 • 定義2.20 (NOR形式) • U4 = {NOR}によって表された論理式 • 定義2.25 (NOR回路) • NORゲートだけで構成する論理回路

  41. 各形式の例

  42. X X X Y Y OR NOT AND X X X Y Y 基本ゲートのNAND表現

  43. NOT AND OR X X X Y Y 問題 : 基本回路のNOR表現 • 関数NOR(↓)を用いて を書け • NORゲートを用いて NOT,AND,OR を作れ

  44. F1 X Y Z F2 X Y Z AND-OR回路,OR-AND回路 • AND-OR回路 • 積和形関数に対応する回路 • NOT→AND→OR • OR-AND回路 • 和積形関数に対応する回路 • NOT→OR→AND

  45. F F X X Y Y Z Z F F X X Y Y Z Z AND-OR回路→ NAND回路変換 例: の変換 AND-OR回路→NAND回路変換はゲートの入れ替えだけ

  46. F X F Y X Z Y Z AND-OR回路→ NAND回路変換 全てのゲートをNANDゲートにするだけ OR-AND回路→NOR回路変換も同様

  47. 問題 : 回路変換 • を 積和形関数 f2に変換せよ • f2に対応するAND-OR回路 F2を描け • F2をNAND回路 F3に変換せよ F2 F3 X X Y Y

  48. F X Y Z 論理回路の解析・設計 • 定義 2.26 (論理回路の解析) • 論理回路⇒論理関数 変換 • 定義 2.27 (論理回路の設計) • 論理関数⇒論理回路 変換 解析 設計

  49. F X Y 論理回路の解析 • 例題2.3 : 次の論理回路F を解析せよ 左(入力端子)から順に 各素子の出力関数を 求めていく (

  50. F X Y Z 論理回路の解析 • 例題2.4 : 次の論理回路F を解析せよ

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