Mục lục bài họcĐang ở d03-b2
← A-Level Computer Science
0/30 bài đã học xong
Chương 3 · Logic Gates and Boolean Algebra · Bài 2/3 của chương · bài 8/30 của A-Level Computer Science

Boolean algebra and simplification

Đại số Boole và rút gọn biểu thức
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

The laws worth memorising

Identity: $A+0=A$, $A\cdot1=A$. Null: $A+1=1$, $A\cdot0=0$. Idempotent: $A+A=A$, $A\cdot A=A$. Complement: $A+\overline{A}=1$, $A\cdot\overline{A}=0$. Double negation: $\overline{\overline{A}}=A$.

The three that do the real work

Distributive: $A\cdot(B+C)=AB+AC$ and, less obviously, $A+(B\cdot C)=(A+B)\cdot(A+C)$. Absorption: $A+AB=A$ and $A\cdot(A+B)=A$. De Morgan: $\overline{A+B}=\overline{A}\cdot\overline{B}$ and $\overline{A\cdot B}=\overline{A}+\overline{B}$ — break the bar, change the sign.

Why simplify

Fewer gates means lower cost, lower power, less heat and a faster circuit because the signal passes through fewer levels. Questions almost always ask for the practical reason as well as the algebra.

Karnaugh maps

For up to four variables a K-map is faster and safer than algebra. Label rows and columns in Gray code ($00,01,11,10$) so adjacent cells differ in one variable. Group 1s in rectangles of $1,2,4,8$ — as large as possible, overlapping allowed, wrapping around edges allowed. Each group drops the variable that changes within it. A variable that stays 0 throughout the group appears complemented; one that stays 1 appears plain.

Checking your answer

Always verify a simplification against the original truth table, or at least against the rows where the output is 1. An algebraic slip is invisible until you test it.

Giải thích tiếng Việt

Các luật cần thuộc

Đồng nhất: $A+0=A$, $A\cdot1=A$. Hằng: $A+1=1$, $A\cdot0=0$. Luỹ đẳng: $A+A=A$, $A\cdot A=A$. Bù: $A+\overline{A}=1$, $A\cdot\overline{A}=0$. Phủ định kép: $\overline{\overline{A}}=A$.

Ba luật làm phần việc thật sự

Phân phối: $A\cdot(B+C)=AB+AC$ và, ít hiển nhiên hơn, $A+(B\cdot C)=(A+B)\cdot(A+C)$. Hấp thụ: $A+AB=A$ và $A\cdot(A+B)=A$. De Morgan: $\overline{A+B}=\overline{A}\cdot\overline{B}$ và $\overline{A\cdot B}=\overline{A}+\overline{B}$ — bẻ gạch ngang thì đổi dấu phép.

Rút gọn để làm gì

Ít cổng hơn nghĩa là rẻ hơn, tốn ít điện hơn, toả nhiệt ít hơn và mạch nhanh hơn vì tín hiệu đi qua ít tầng hơn. Đề gần như luôn hỏi cả lý do thực tế bên cạnh phần biến đổi đại số.

Bìa Karnaugh

Với tối đa bốn biến, bìa K nhanh và an toàn hơn biến đổi đại số. Đánh nhãn hàng và cột theo mã Gray ($00,01,11,10$) để hai ô kề nhau chỉ khác nhau một biến. Gom các số $1$ thành hình chữ nhật cỡ $1,2,4,8$ — càng to càng tốt, được phép chồng lên nhau, được phép vòng qua mép. Mỗi nhóm loại bỏ biến nào thay đổi bên trong nhóm. Biến giữ nguyên $0$ trong cả nhóm thì xuất hiện dạng phủ định; giữ nguyên $1$ thì xuất hiện dạng thường.

Kiểm lại kết quả

Luôn đối chiếu biểu thức rút gọn với bảng chân trị gốc, ít nhất là ở các dòng có đầu ra $1$. Một bước biến đổi sai không hề lộ ra cho tới khi bạn thử.

Ví dụ — rút gọn bằng luật rồi kiểm bằng bảng

Rút gọn $Y = A\cdot B + A\cdot\overline{B} + \overline{A}\cdot B$ và cho biết mạch rút gọn cần mấy cổng.

Giải.

Cách 1 — biến đổi đại số.

Gom hai số hạng đầu: $A\cdot B + A\cdot\overline{B} = A\cdot(B+\overline{B})$ theo luật phân phối.

Mà $B+\overline{B}=1$ (luật bù), nên phần đó bằng $A\cdot1=A$.

Còn lại: $Y = A + \overline{A}\cdot B$.

Áp dụng $A+\overline{A}B=A+B$ (dạng của luật hấp thụ): $\boxed{Y = A + B}$.

Cách 2 — kiểm bằng bảng chân trị.

$A\,B=00$: $0+0+0=0$; $A+B=0$ ✓
$A\,B=01$: $0+0+1=1$; $A+B=1$ ✓
$A\,B=10$: $0+1+0=1$; $A+B=1$ ✓
$A\,B=11$: $1+0+0=1$; $A+B=1$ ✓

Bốn dòng khớp hoàn toàn, nên phép rút gọn đúng.

Số cổng. Biểu thức gốc cần $2$ cổng NOT, $3$ cổng AND và $2$ cổng OR — tổng $7$. Biểu thức rút gọn cần đúng $1$ cổng OR. Đây chính là lý do thực tế của việc rút gọn: bớt $6$ cổng nghĩa là rẻ hơn, ít điện hơn và tín hiệu chỉ qua một tầng nên nhanh hơn.

Bẫy hay mất điểm — Áp dụng De Morgan nửa vời: viết $\overline{A+B}=\overline{A}+\overline{B}$. Bẻ gạch ngang thì BẮT BUỘC đổi phép: OR thành AND và ngược lại. Quên đổi phép là lỗi mất điểm phổ biến nhất của cả chương.
Phải nhớ — Thuộc De Morgan, phân phối và hấp thụ là đủ cho hầu hết câu rút gọn. Dùng bìa K khi có ba–bốn biến, nhớ mã Gray và nhớ được vòng qua mép. Luôn kiểm lại bằng bảng chân trị và luôn nêu lợi ích thực tế của việc bớt cổng.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Logic Gates and Boolean Algebra gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →