Похожие презентации:
هيكلية الحاسوب
1.
تصميم منطقالحاسوب
جامعة القدس المفتوحة
رقم المقرر 1290
مدرس المقرر :أ .محمد حسن أبو حمادة
فرع شمال غزة التعليمي
1
2.
الوحدة الثانيةالجبر البولي
Boolean Algebra
2
3.
3تمهيد
الوحدة األولى
يتم في هذه الوحدة من مقرر تصميم منطق الحاسوب ،التعرض لمفاهيم،
ومسلمات ،وقوانين ،ونظريات الجبر البوولي الالزمة الجراء التبسيط للدوال
البوولية .وتتعرف في هذه الوحدة على البوابات المنطقية األساسية منها وغير
األساسية ،وهي ما سوف تستخدمها في بناء الدوائر المنطقية في الوحدات
الالحقة .كما تتعرض هذه الوحدة للدوال البوولية وربطها مع الدوال المنطقية،
باإلضافة إلى الصيغ المعيارية المستخدمة في تمثيل الدوال البوولية .عالوة
على ذلك توضح هذه الوحدة مفهوم تحليل الدوائر المنطقية الذي سنعود إليه
ثانية في الوحدة الثالثة ،وتعرفك هذه الوحدة أيضا ً بالدوائر التكاملية
وتصنيفاتها.
هيكلية الحاسوب
وترد في ثنايا هذه الوحدة تدريبات وحلول نموذجية لها تقع في نهاية الوحدة،
إضافة إلى أسئلة تقويم ذاتي وأسئلة التعيينات التي تقدمها لمشرفك األكاديمي.
4.
4أهداف الوحدة
بعد فراغك من دراسة هذه الوحدة يتوقع منك أن تكون قادرا ً
على أن:
& تذكر المبادئ األساسية للمنطق والجبر البوولي بما فيها قوانينه ونظرياته ،وتعرف كيفية
تطبيقها في تصميم المنطق.
& تربط بين العمليات المنطقية األساسية وبوابات المنطق.
& تمثل الدوال البوولية بالصيغ المعيارية.
& تستخدم الدوال البوولية في تحليل الدوائر المنطقية.
5.
5أقسام الوحدة
تتألف الوحدة الثانية من مقرر تصميم منطق الحاسوب من ثالثة أقسام رئيسة:
القسم األول" :الجبر البوولي" بتعريف الجبر البوولي ،ويعرفك بالعمليات البوولية األساسية،
وبوابات المنطق التي تعمل على تنفيذ هذه العمليات ،ويعطيك فكرة عن الدوال البوولية ،ويبين لك
خطوات بناء الدوائر المنطقية لهذه الدوال ،وكذلك وضع جداول الجدارة للدوال البوولية ،ثم بعد ذلك
يزودك هذا القسم بالنظريات والقوانين األساسية للجبر البوولي.وبعد تعريفك بالجبر البوولي،
والعمليات والدوال البوولية األساسية.
القسم الثاني" :الصيغ المعيارية للدوال البوولية" إلى تعريف صيغة مجاميع الضرب "مجموع
المضروبات" ،وصيغة ضرب المجاميع "مضروب المجاميع" ،وطرق تحويل الدالة البوولية من
صيغة مجاميع الضرب إلى صيغة ضرب المجاميع وبالعكس.
القسم الثالث" :الدوائر المنطقية" فنبين لك تحليل الدوائر المنطقية بواسطة الصيغ المعيارية التي
تعرضنا لها في القسم الثاني ،مع توضيح أهمية ذلك في بناء الدوائر المنطقية ،ونعطيك ،في هذا
القسم ،فكرة عن الدوائر المنطقية التكاملية "المندمجة" ،كما نتعرض أيضا ً لبعض التطورات
الراهنة.
6.
67.
7هناك عدة طرق ( أشكال ،صيغ ) لتمثيل
الدالة البولية وهي كاالتي:
الطرق (األشكال ،الصيغ) المختلفة لتمثيل التعبير أو المنطق البولي
أوال ً :الصيغ الغير معيارية
ثانيا ً :الصيغ المعيارية للدالة البولية
:1دائرة المفاتيح الكهربائية
:8صيغة جمع المضاريب المعيارية
:2دائرة البوابات المنطقية
:9صيغة ضرب المجاميع المعيارية
:3جدول الجدارة
:10صيغة المينتيرمز
:4المخطط الزمني
:11صيغة الماكستيرمز Maxterms
Minterms
:5مخططات فين ()Ven Diagram
:6التعبير اللفظي (الدالة) (الوظيفة) (تعريف المشكلة)
:7خريطة كارنو ( )Karnough Map
كما ويمكن تحويل أي شكل من األشكال السابقة أو أي صيغة إلى األشكال والصيغ األخرى.يمكن
أن يكون جدول الجدارة وسيط التحويل كما هو موضح بالشكل أدناه:
8.
89.
910.
-2العمليات المنطقية)(Logical Operations
العمليات المنطقية هي العمليات التي يمكن إجراؤها على المتغيرات
المنطقية.
بعض هذه العمليات هي عمليات أساسية و هي عمليات:
NOT - AND - OR
بعضها عمليات غير أساسية ،مثل عمليات:
XNOR - XOR – NAND - NOR
و هذه العمليات يمكن التعبير عنها باستخدام العمليات األساسية.
10
11.
يمكن تمثيل العمليات البوولية األساسية بواسطة المفاتيح الكهربائية بافتراض أن X=0تناظر المفتاح مفتوح، وأن X = 1تناظر المفتاح مغلق ،فإنه يمكن تمثيل ذلك كما في الشكل أدناه:
فعملية "أو " ORيمكن تمثيليها على هذا األساس
وفيها نحصل على دائرة مغلقة بين النقطتين 2 ,1إذا كان أحد المفتاحين Xأو Yمغلقا ً أو كالهما .فلو رمزنا للدائرة
المغلقة بالمتغير البوولي Zفإن X+Y=Z .
فعملية “ و " ANDيمكن تمثيليها على هذا األساس
وفيها نحصل على دائرة مغلقة بين النقطتين 2 ,1إذا كان كال المفتاحين Xو Yمغلقا ً.
فلو رمزنا للدائرة المغلقة بالمتغير البوولي Zفإن ، X.Y=Z .وفيها نحصل على دائرة مغلقة بين النقطتين 2 ,1إذا
كان كال المفتاحين Xو Yمغلقا ً.
11
12.
1213.
1-2عملية NOTيطلق عليها أيضا ً عملية العكس المنطقي Logical Inversion
وفيها يكون المخرج عبارة عن معكوس المدخل ،فإذا كان المدخل مساويا ً 1فإن المخرج
يكون مساويا ً ،0و إذا كان المدخل مساويا ً 0فإن المخرج يكون مساويا ً .1
يرمزللعملية بوضح خط فوق المتغير ،مما يعني أنه معكوس.
الجدول التالي يسمى جدول الصواب Truth Tableوهو جدول الصواب لعملية NOT
و جدول الصواب يوضح جميع احتماالت المدخل و المخرج المقابل لكل منها
يمكن استخدام أي من الشكلين التاليين في تمثيل بوابة
13
العاكس المنطقي
14.
1415.
1516.
ANDx
y
AND - و
z
x
y
z
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
z=x•y=xy
16
17.
1718.
1819.
1920.
2021.
OROR - أو
x
y
z
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
x
y
z
z=x+y
21
22.
2223.
2324.
جدول الجدارة – التعبير البولي – والدوائر المنطقيةأو OR -
ليس NOT -
و AND -
z
x
z
y
x
z
y
x
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
’z = x = x
z
z=x•y=xy
z=x+y
x
z
x
y
z
x
y
25.
2526.
2627.
2728.
2829.
2930.
3031.
3132.
3233.
3334.
3435.
3536.
3637.
3738.
3839.
3940.
4041.
الدوال البوولية وجدول الجدارة(جدولالخطأ والصواب) والدوائر المنطقية
41
42.
التعبير المنطقيLogical Expression
42
43.
4344.
4445.
4546.
الدائرة المنطقيةLogic Circuit
46
47.
4748.
4849.
4950.
5051.
5152.
5253.
5354.
جدول الجدارة( جدول الصواب – جدول الحقيقة )
Truth Table
54
55.
5556.
5657.
5758.
5859.
5960.
6061.
6162.
6263.
6364.
6465.
6566.
6667.
6768.
مخطط فينVenn Diagrams
68
69.
تسمح مخططات فن بتمثيل نظريات الجبر البولياني بشكل هندسي وهذه المخططاتعبارة عن أشكال هندسية يمكن اعتبارها نظيرا للمتحوالت المنطقية.
مخططات فن مفيدة في الحصول على رؤية هندسية للتوابع البوليانية ويمكن
استخدامها أيضا للحصول وللتأكد من صحة النظريات البوليانية كقوانين دي
مورغان.
ومن الجدير بالذكر أن مخططات فن ال تستخدم بكثرة في الحاالت التي تحتوي على
أكثر من ثالث متحوالت وذلك لصعوبة رسمها واستخالص النتائج منها.
69
70.
فينبمتغيرمخطط فين
واحدن
بمتغيري
مخطط
مخطط فين بثالث متغيرات
70
71.
AA’
71
72.
23
A
1
0
B
AB’+AB+A’B
10 11 01
A’B’
00
72
73.
UAB’C’
100
B
A
A’BC’
010
A’BC
011
AB’C
101
C
ABC’
110
ABC
111
A’B’C
001
A’B’C’
000
73
74.
AB
AB
74
75.
A+B’A
B
75
76.
A’B’U
A
B
76
77.
AB’U
A
B
77
78.
AB’U
A
B
78
79.
(A+B)’U
A
B
79
80.
(A+B)’U
A
B
80
81.
A’+B’U
A
B
81
82.
A’+B’U
A
B
82
83.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
A
B
A’B
83
84.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
A
B
A’+B
84
85.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
A
B
’)(A+B
85
86.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
B
A
C
86
)B.(A+A’C
’ABC+A’BC+ABC
87.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
B
A
C
87
’))A+B+C
88.
حول شكل فين إلى تعبير بوولي للمنطقة المظلة باللون الزهريU
B
A
C
88
)’(A+C+B
89.
8990.
9091.
ملخص ما سبقكيف يمكنك تمثيل الدالة البولية التالية بكافة الطرق أعاله:
F (A,B,C) = AB + C
91
92.
F (A,B,C) = AB + C92
93.
F (A,B,C) = AB + C93
94.
F (A,B,C) = AB + C94
95.
الجبر البووليBoolean algebra
95
96.
الجبر البوولي ،هو الرياضيات األساسية الالزمة من أجل دراسة تصميم المنطقلألنظمة الرقمية.
لقد طور جورج بوول ( )George Booleالجبر البوولي في عام ،1874واستخدمه
لحل مسائل في المنطق الرياضي،
ثم استخدم كالود شانون ( )Claude Shannonالجبر البوولي في تصميم شبكات
التحويل ( )Switching networksفي عام .1939
ويوجد للجبر البوولي تطبيقات أخرى تتضمن نظرية المجموعات ()،Set theory
والمنطق الرياضي () ،Mathematical logicوسيكون اهتمامنا في هذا المقرر
مقتصرا ً على تطبيق الجبر البوولي في شبكات التحويل.
وسندرس حالة الجبر البوولي الخاصة التي تتخذ جميع المتغيرات فيها إحدى قيمتين،
وذلك ألن جميع أجهزة التحويل ( )Switching devicesالتي سنستخدمها هي
أجهزة ذات حالتين "مثل الترانزستور مع جهد عال أو منخفض على المخرج".
96
97.
ويطلق غالبا ً على هذا الجبر البوولي ذي القيمتين اسم جبر التحويل ( Switchingalgebra).
سنستعمل متغيرا ً بوولياً ،مثل Xأو ،Yلتمثيل المدخل أو المخرج لشبكة التحويل .وسوف
نفترض أن أي متغير من هذه المتغيرات البوولية يستطيع أن يأخذ فقط إحدى قيمتين
مختلفتين.
وتستعمل الرموز " "0و ""1لتمثيل هاتين القيمتين المختلفتين .فمثالً ،إذا كان Xمتغيرا ً
بوولياً ،فحينئذ إما أن يكـون X=0أو X=1.
ومع أن الرمزين 0و 1المستعملين في هذه الوحدة يشبهان األعداد الثنائية ،إالّ أنهما ليسا
كذلك.
فال يوجد لهما قيم عددية ،ولكنهما فقط رمزان يمثالن القيمتين للمتغير البوولي أو متغير
التحويل ( Switching variable).وقد يقابل الرمز ،0على سبيل المثال ،الجهد
المنخفض ويقابل الرمز 1الجهد العالي .ويمكن استعمال الرموز Fو Tتماما ً مثل 0و .1
97
98.
إن التعبير الجبري البوولي يتكون من ثابت بوولي "مثل "0 ,1أو أكثر و/أو متغيــربوولـــي "مثــل "Z, Y, Xأو أكثر ،مستعملة معا ً في مجموعة واحدة مع واحد أو أكثر من
العامالت الثنائية أو عامل المتممة "إن X+1 ،X+Y.Zأو ،X' X .على سبيل المثال ،كلها
تعابير جبرية بوولية".
وبما أن Xيعتبر تعبيرا ً بووليا ً فإنه أيضا ً يمكن القول إن 'Xيمثل تعبيرا ً بووليا ً .ويطلق في
الجبر البوولي على كل منX' X ,اسم حرفي ( literal).فكل حدوث لمتغير دون أخذ
،Xأو لمتغير قد أخذت متممته
متممته ( )uncomplementedمثل
( )complementedمثل ' Xهو حرفي .ونستطيع أيضاً ،ومن خالل المسلمات
البوولية ،أن نرى أن تعبيرين بووليين مثل X.1, Xهما تعبيران متكافئان ،وكذلك الحال
بالنسبة إلى التعبيرين البووليين X. (Y+Z), X.Y + X.Z .ذلك أنه يمكن القول عن
تعبيرين أنهما متكافئان إذا كان باإلمكان أن يستبدل أحدهما باآلخر .أي أنه لكي يتحقق تكافؤ
بين تعبيرين ،فإنه يجب أن يأخذا القيم نفسها الخاصة بجميع مجموعات القيم المحتملة
لمتغيراتهما.
98
ويمكن معرفة قيم أي تعبير بوولي إذا عرفت قيم المتغيرات الموجودة في التعبير نفسه .إن
هرمية العمليات البوولية مهمة في تقويم التعابير البوولية ،ألنها تنفذ دائما ً عملية "ليس" أوالً،
تليها عملية "و" ،ثم عملية "أو" ،في حالة غياب األقواس.
99.
يمكن وصف الجبر البوولي ،مثل أي نظام جبري آخر ،من خالل مجموعة عناصر ،ومجموعة معامالت،ومجموعة بديهيات أو مسلّمات.
تمثل هذه المسلّمات االفتراضات التي تستنتج عن طريقها القوانين والنظريات األخرى التي تحكم هذا الجبر.
الجبر البوولي هو نظام جبري مغلق يحتوي على مجموعة من عنصرين أو أكثر ،وعمليتين ثنائيتين هما
عملية "( "+أي عملية "أو" ( ))ORوعملية "( ".أي عملية "و" (.))AND
أي أنه إذا كان X, Yأي عنصرين في المجموعة ،Kفإن X + Yعنصر ينتمي إلى ،K
وكذلك X.Yعنصر ينتمي إلى .K
هذه هي مسلّمة "هانتينقتن" الخاصة باإلغالق ( the "closure" postulate of
.)Huntington
99
100.
100101.
مسلمة التبادلأX+Y=Y+X -
بX.Y=Y.X -
مسلمة التجميع والربط
أX+(Y+Z)=(X+Y)+Z -
بX.(Y.Z)=(X.Y).Z -
مسلمة التوزيع
أX+(Y.Z)=(X+Y).(X+Z) -
بX.(Y+Z)=(X.Y)+(X.Z) -
مسلمة المتمة
أX+X’=1 -
بX.X’=0 -
101
102.
102103.
103104.
104105.
105106.
106107.
ويبين العمود الخامس من الجدول قيم الطرف األيسر لمسلمة التوزيع فرع ،aويبين العمود األخير قيم لطرف األيمن للمسلمة نفسها ،وبما أن قيم هذين الطرفين
متطابقة لجميع مجموعات قيم X, Y, Zالممكنة ،فإن طرفي المسلمة متساويان،
مما يبرهن صحة مسلمة التوزيع فرع a.وبالطريقة نفسها تستطيع ،التأكد من
صحة فرع bمن مسلمة التوزيع.
107
108.
108109.
109110.
يتم الحصول على ثنائية أي تعبير بولي من خالل استبدال كل عملية ( أو) بعملية (و ) والعكس صحيحويستبدل الصفر بالواحد والعكس صحيح.
وينص القانون أي معادلة مقبولة في الجبر البولي ثنائيتها تكون مقبولة كذلك.
جميع المسلمات السابقة العنصر ب يعتبر ثنائية العنصر أ
110
111.
111112.
(X+Y) · (W · Z) = (X+Y) · (W+Z)112
113.
113114.
(X’)’=X متممة المتم هو نفسه
جميع القوانين السابقة تستخدم لتبسيط
التعابير البولية.
114
115.
115116.
116117.
117118.
118119.
119120.
120121.
121122.
122123.
123124.
124125.
125126.
126127.
127128.
تبسيط التعابير البوليةباستخدام الجبر البولي
128
129.
129130.
130131.
131132.
132133.
1.AB + AB + AC + BB + BC
BB=B
2.
AB + AB + AC + B + BC
AB+AB=AB
3.
AB+AC+B+BC
4.
AB+AC+B(1+C)
1+C=C
5.
AB+AC+B.1
B.1=B
6.
AB+AC+B
7.
AB+B+AC
8.
B(A+1)+AC
9.
B+AC
133
134.
1. (AB’C+AB’BD+A’B’).CB’B=0
2. (AB’C+A.0.D+A’B’).C
3. (AB’C+ 0 +A’B’).C
4. (AB’C+A’B’).C
5. AB’CC+A’B’C
CC=C
6. AB’C+A’B’C
7. B’C(A+A’)
8. B’C.1
9. B’C
134
135.
135136.
136137.
137138.
138139.
139140.
140141.
141142.
ـ3ـ الصيغ المعيارية للدوال البوولية)(Standard Forms of Boolean Algebra
142
143.
143144.
144145.
145146.
146147.
147148.
1.1.3المضروبات المعيارية ()STANDARD PRODUCTS148
149.
1.1.3المضروبات المعيارية يمكن التعبير عن الدالة البوولية جبريا ً من جدول
الجدارة بواسطة تشكيل مضروب معياري ("مينتيرم")
لكل مجموعة من المتغيرات التي تولد 1في الدالة،
وبعد ذلك ربط هذه الحدود مع بعضها بواسطة عملية
"أو" .وسنوضح ذلك من خالل المثال التالي ،لنفرض
جدول الجدارة التالي لدالة من ثالثة متغيرات:
يالحظ من جدول الجدارة المبين أعاله أن قيمة الدالة F1تكون 1
في حالة مجموعات المتغيرات التالية001 ,011 ,100 ,101 :
.ويمكن التعبير عن هذه الحاالت باستعمال الحدود "المضروبات
المعيارية" التاليةXY'Z, XY'Z', X'YZ, X'Y'Z . :
149
150.
المضروبات المعيارية150
151.
151152.
152153.
153154.
1.2.3 المجاميع المعيارية باإلضافة إلى صيغة مجموع المضروبات المعيارية (أو صيغة جمع "المينتيرمز") ،يمكن التعبير عن
الدالة البوولية بواسطة صيغة مجموع المضروبات .وقد تحتوي الحدود المكونة للدالة ،في هذه الصيغة،
على متغير (لفظ) واحد أو أكثر( ،بالطبع فإن عدد المتغيرات في الحد الواحد ال يمكن أن يزيد عن ،n
حيث nهو عدد متغيرات الدالة).
وصيغة مجموع المضروبات هي تعبير بوولي يشتمل على حدود مكونة بواسطة "و" ()،AND terms
يطلق عليها المضروبات () ،product termsويتكون كل حد منها من متغير واحد أو أكثر .وتعني
كلمة "مجموع" هنا جمع هذه الحدود مع بعضها بواسطة عملية "أو" .ويوضح المثال التالي دالة في
صيغة مجموع المضروبات:
' F2 (X, Y, Z) = Y' + XY + X'YZ
يالحظ أن التعبير مكون من ثالثة حدود ،يحتوي الحد األول منها على متغير واحد ،ويحتوي الحد الثاني
على متغيرين ،ويحتوي الحد الثالث على ثالثة متغيرات .ويطلق على كل حد منها مضروب (كلمة
"مضروب" تعود لكون هذه الحدود يتم تشكيل كل منها بواسطة توحيد المتغيرات بواسطة عملية "و" التي
يطلق عليها أحيانا ً بعملية الضرب البوولي) .أما مجموع المضروبات فهو ناتج عن تنفيذ عملية "أو" على
هذه الحدود (تعود كلمة "مجموع" الستعمال عملية "أو" التي يطلق عليها أحيانا ً بعملية الجمع البوولي).
154
155.
155156.
156157.
ـ3.2.3ـ تمثيل الدوال البووليةفي صيغة ضرب المجاميع
157
158.
158159.
159160.
160161.
161162.
162163.
التدقيق ،في المجاميع المعيارية "الماكستيرمز" الموجودة في الجدول أعاله ،ومقارنتها مع المضروبات المعيارية"المينتيرمز" التي في جدول سابق ،فإنك ستجد العالقة التاليةMi = m'i:
أي أن "الماكستيرم" يمثل المتممة "للمينتيرم" المناظر ،والعكس صحيح.
163
164.
يمكن التعبير عن أي دالة بوولية بصيغة ضرب المجاميع المعيارية (ضرب"الماكستيرمز") (تعني كلمة "ضرب" هنا تنفيذ عملية "و" على الحدود ،حيث يطلق
أحيانا ً على عملية "و" عملية الضرب البوولي) .إن خطوات الحصول على صيغة ضرب
المجاميع (ضرب "الماكستيرمز") مباشرة من جدول الجدارة هي :ش ّكل مجموعا ً معياريا ً
("ماكستيرم") لكل مجموعة من المتغيرات التي تولد 0في الدالة ،وبعد ذلك ربط هذه
الحدود مع بعضها بواسطة عملية "و".
2.2.3 تحويل الدوال البوولية إلى صيغة ضرب "الماكستيرمز"
يمكن تحويل الدالة إلى صيغة ضرب "الماكستيرمز" إذا كانت موجودة في صيغة أخرى
على النحو التالي :تحول الدالة أوالً إلى صيغة ضرب المجاميع (يقصد هنا "بالمجموع"
أي حد مكون من عدد من المتغيرات متحدة مع بعضها بواسطة عملية "أو") ،وبعد ذلك
يجب فحص ما إذا كان بعض هذه الحدود ال يحتوي على جميع المتغيرات الموجودة في
الدالة .فإذا كان حد ما ينقصه متغير أو أكثر ،فيتم توحيده مع تعبير (مثل )'X.Xبواسطة
عملية "أو" ،حيث يمثل Xأحد المتغيرات الناقصة.
164
165.
F7 (A, B, C, D) = A'B + B'CD165
166.
166167.
باإلضافة إلى صيغة ضرب المجاميع المعيارية (أو صيغة ضرب "الماكستيرمز") ،يمكنالتعبير عن الدالة البوولية بواسطة صيغة ضرب المجاميع .وقد تحتوي الحدود المكونة
للدالة في هذه الصيغة على متغير (لفظ) واحد ،أو متغيرين أو أي عدد من المتغيرات
"بالطبع ال يمكن أن يزيد عدد المتغيرات في الحد الواحد عن ،nحيث يمثل nعدد
متغيرات الدالة".
وصيغة ضرب المجاميع هي تعبير بوولي يشتمل على حدود مكونة بواسطة عملية "و"
() ،OR Termsويطلق عليها المجاميع () ،Sum Termsويتكون كل حد منها من
متغير واحد أو أكثر .وتعني كلمة "ضرب" هنا ربط هذه الحدود مع بعضها بواسطة
عملية "و" (حيث تدعى عملية "و" بالضرب البوولي).
ويوضح المثال التالي دالة في صيغة ضرب المجاميع:
( F8 (A, B, C, D) = A (B' + C) (A' + B + C') (A' + B' + C + D
167
نالحظ أن الدالة F8تحتوي على أربعة حدود ،يحتوي الحد األول منها على متغير واحـد
() ،Aويحتوي الحد الثاني على متغيرين () ،B'+Cويحتوي الحد الثالث على ثالثة
متغيرات()' ،A'+B+Cويحتوي الحد الرابع على أربعة متغيرات ( A' +B' +C
+D).ويطلق على كل حد منها "مجموع" ،وهذه الحدود يتم تشكيل كل منها عن طريق
توحيد المتغيرات بواسطة عملية "أو" التي يطلق عليها أحيانا ً عملية الجمع البوولي).
168.
أما ضرب المجاميع فهو ناتج عن تنفيذ عملية "و" على هذه الحدود .ويمكن تحويل أي دالة بوولية إلىصيغة ضرب المجاميع من أي صيغة أخرى باستعمال مسلمة التوزيع ( a).
ويالحظ ،أن المجاميع التي تظهر في صيغة ضرب المجاميع هي مجاميع مكونة من متغيرات مفردة ،فمثالً
الدالة:
' F10 (A, B, C, D) = (C' + D') (A + C + D) B
موجودة في صيغة ضرب المجاميع ،ألن كالً من المجاميع الثالثة مكونة من المتغيرات المفردة ،فالمجموع
األول مكون من المتغيرين ()' ،C', Dوالمجموع الثاني مكون من المتغيرات () ،A, C, Dوالمجموع
الثالث مكون من المتغير ( 'Bيطلق على 'Bمجموع ألن B'+0 = B').أما الدالة:
)' F11 (A, B, C, D) = (A + B') (B + C'D
بالنظر للدالة ،فهي موجودة في صيغة غير معيارية ،وال نستطيع أن نطلق عليها صيغة ضرب المجاميع،
ألن المجموع الثاني ( )'B+C'Dال يتكون من متغيرات مفردة ،حيث أن ( )'C'Dليس متغيرا ً مفردا ً .ولكن
يمكننا تحويل الدالة " F11كما ورد"إلى صيغة ضرب المجاميع بواسطة تطبيق مسلمة التوزيع () ،aحيث
ستصبح الدالة F11 :
)' F11 = (A + B') (B + C') (B + D
ويالحظ ،أنه ال نستطيع تطبيق مسلمة التوزيع ( )aعلى الدالة ،F11بعد أن أصبحت مكونة من مجاميع،
168يحتوي كل منها على متغيرات مفردة ،وبهذا نكون قد وصلنا إلى صيغة ضرب المجاميع للدالة F11.
169.
البد لنا من توضيح عالقة الصيغ المعياريةمع بعضها ،ولذا سنورد مثاالً نوضح من
خالله عالقة الصيغ المعيارية مع بعضها،
وكيفية االنتقال من صيغة إلى صيغة
أخرى.
تأمل جدول الجدارة المبين أدناه
للدالة ،F12ثم عبر عن هذه الدالة
باستعمال الصيغ المعيارية المختلفة.
169
170.
170171.
171172.
172173.
ملخص ما سبقكيف يمكنك تمثيل الدالة البولية التالية بكافة الطرق أعاله:
F (A,B,C) = AB + C
173
174.
F (A,B,C) = AB + C174
175.
F (A,B,C) = AB + C175
176.
F (A,B,C) = AB + C176
177.
F (A,B,C) = AB + C177
178.
ـ 4ـ تحليل الدوائرالمنطقية
178
179.
ورد أنه يمكن استخدام البوابات لتمثيل الدوال البوولية بواسطة الدوائر المنطقية التي يتمبناؤها .وسنقوم في هذا الفصل بعرض طريقة تحليل الدوائر المنطقية ،والتعبير عنها
بواسطة الصيغ المعيارية "صيغة مجموع المضروبات ،وصيغة ضرب المجاميع".
ويمكن تصنيف الدوائر المنطقية إلى صنفين رئيسين هما :الدوائر المنطقية التوافقية
( )Combinational logic circuitsوالدوائر المنطقية التتابعية ( Sequential
logic circuits).
تتكون الدوائر المنطقية التوافقية من بوابات منطقية تعتمد مخارجها ،في أي لحظة فقط ،على
مجموعة القيم الموجودة على مداخلها ،في تلك اللحظة نفسها ،دون أي اعتبار لمجموعات
القيم السابقة على تلك المداخل .ويتم وصف العمليات التي تقوم بها الدائرة المنطقية التوافقية
بواسطة مجموعة من الدوال البوولية .وتحتوي الدوائر المنطقية التتابعية باإلضافة إلى
بوابات المنطق على عناصر ذاكرة ،وتعتمد مخارجها في لحظة ما ،ليس فقط على مجموعة
القيم الموجودة على مداخلها ،وإنما تعتمد أيضا ً على حالة عناصر الذاكرة .أي أنه يمكن
القول بأن مخارج الدوائر المنطقية التتابعية في لحظة ما ،تعتمد على مجموعة القيم
الموجودة على المداخل في هذه اللحظة ،وكذلك على مجموعات القيم السابقة .والدوائر التي
سنقوم بعرضها هي دوائر منطقية توافقية.
179
180.
يبدأ بناء أو تصميم الدوائر المنطقية عادة من الوصف اللفظي للوظيفة "العملية" المطلوب تحقيقها من هذهالدائرة ،وينتهي بمجموعة من الدوال البوولية لمخرجاتها ،أو بالمخطط المنطقي ( )Logic Diagram
لها .أما في تحليل الدوائر المنطقية ،فيتم اتباع الخطوات بترتيب معكوس ،مقارنة مع ترتيب خطوات
التصميم ،حيث تبدأ عملية التحليل بمخطط منطقي معلوم للدائرة ،وتنتهي بمجموعة دوال بوولية ،وجدول
جدارة ،أو وصف لفظي لعمل الدائرة.
إن أول خطوة في تحليل الدوائر المنطقية هي تحديد نوع الدوائر أتوافقية هي أم تتابعية؟ إالّ أننا لن نتوقف
عند هذه الخطوة طويالً هنا ،ألننا لم نتعرض بعد للمنطق التوافقي والمنطق التتابعي .ولكن يمكن تعرف أن
الدائرة توافقية وليست تتابعية ،إذا انعدمت فيها مسارات "أو وصالت" التغذية الراجعة ( Feedback
) ،pathsأو عناصر الذاكرة ( Flip Flops).وبمعنى آخر إذا كانت الدائرة ال تحتوي على عملية ربط
بين مخرج بوابة ما ومدخل بوابة أخرى تشكل جزءا ً من مدخالت البوابة األولى ،فإن الدائرة تكون توافقية.
لكننا سوف نقوم بتحليل الدوائر التوافقية فقط .من هنا فإن خطوة تحديد نوع الدائرة يمكن إهمالها في هذه
المرحلة.
عند تحديد أن الدائرة المراد تحليلها من النوع التوافقي (كما هو الحال هنا) ،فيمكن حينئذ تتبع المخطط
المنطقي للدائرة من أجل الحصول على الدوال البوولية لمخرجات الدائرة ،أو جدول الجدارة لها .فإذا توفر
مع المخطط المنطقي للدائرة وصف لفظي للوظيفة التي تقوم بها ،فيمكن عندئذ التحقق من الدوال البوولية،
أو من جدول الجدارة.
أما إذا كانت وظيفة الدائرة ما زالت تحت الدراسة ،فمن الضروري عندئذ تفسير عمل هذه الدائرة من جدول
الجدارة الذي تم استنتاجه.
180
181.
ويمكن ،تلخيص الخطوات الواجب اتباعها من أجل الحصول علىالدوال البوولية للمخرجات من مخطط منطقي معطى على النحو
التالي:
.1
.2
.3
.4
181
أعط أسماء لمخرجات جميع بوابات المنطق التي هي دوال لمتغيرات
اإلدخال فقط ،باستعمال رموز عشوائية ،ثم احصل على الدوال البوولية
لكل بوابة بداللة مدخالتها.
اعط أسماء لمخرجات البوابات التي هي دوال لمتغيرات اإلدخال و (أو)
بوابات تمت تسميتها سابقا ً .ثم جد الدوال البوولية لهذه البوابات.
كرر العملية المشار إليها في خطوة ،2حتى يتم الحصول على مخرجات
الدائرة.
احصل على الدوال البوولية لمخرجات الدائرة بداللة متغيرات اإلدخال
فقط ،وذلك عن طريق تكرار تعويض الدوال المعرفة سابقا ً.
182.
يمكن توضيح هذه الخطوات المقترحة للتحليل من خالل تحليل الدائرة المبينة أدناه في الشكلأدناه:
كما تالحظ ،يوجد للدائرة التي نريد تحليلها ثالثة مداخل ،A, B, Cومخرجان F2, F1 .
لقد تم تسمية المخارج لبوابات مختلفة برموز وسط .وأعطيت األسماء F'2,T2,T1لمخارج
البوابات المنطقية التي هي دوال لمتغيرات اإلدخال فقط .فمثالً يمثل T1مخرج بوابة "أو"
التي مدخالتها هي المتغيرات A, B, C .
182
183.
183184.
184185.
ويمكن توضيح هذه الخطوات باستعمال المخطط المنطقي المبين في الشكل السابق ،من أجل استنتاج جدول الجدارة له (الجدولالالحق) .ويحتوي جدول الجدارة للمخطط المنطقي على ثماني مجموعات مختلفة من القيم ألن عدد متغيرات اإلدخال في المخطط
ثالثة .ويتم تحديد قيم العمود F2مباشرة من قيم متغيرات اإلدخال ،A, B, Cحيث أن F2تساوي ، 1عندما تكون قيمة متغيرين أو
ثالثة تساوي .1
أما قيم العمود F'2فيتم الحصول عليها بواسطة أخذ المتممة للعمود F2.
ويتم الحصول على قيم العمود T1بتنفيذ عملية "أو" على متغيرات اإلدخال ،وبتنفيذ عملية "و" على متغيرات اإلدخال يتم الحصول
على قيم العمود T2من جدول الجدارة .أما قيم العمود T3فيتم اشتقاقها بواسطة تنفيذ عملية "و" على قيم كل من العمودين ،T'1, F2
أي أن T3تساوي 1فقط عندما تكون قيمتا F'2, T1تساويان .1وأخيرا ً فإن قيمة F1تساوي 1عندما تكون قيمة T2و T3تساوي
،1أو كال القيمتين تساوي .1
لو تمعنت ،في جدول الجدارة المبين أدناه ،لوجدت أن العمود F1يمثل قيمة المجموع لثالث وحدات ثنائية (،binary digits) 3
وأن العمود F2يمثل المحمول ( )carryالناتج عن جمع ثالث وحدات ثنائية.أي أن المخطط المنطقي السابق ،يمثل المخطط المنطقي
لدائرة "الجامع الكامل" (Full-Adder).
185
186.
البوابة المنطقية هي دائرة إلكترونية مكونة من عناصر أساسية تشمل الترانزستورات ،والصمامات الثنائية() ،diodesوالمقاومات ،والمكثفات ،وعناصر أخرى موصولة فيما بينها لتحقيق مهمة "وظيفة" محددة.
يقوم مصمم المنطق المعاصر ،بتجميع ما يعرف بالدوائر التكاملية ( )Integrated Circuitsالتي تنفذ له
وظائف محددة لبناء وحدات منطقية وظيفية.
والدائرة التكاملية هي شريحة صغيرة من السيليكون البلوري شبه الموصل ،تدعى بالرقاقة () ،chipيتم
عليها تصنيع العناصر األساسية المنفصلة المذكورة أعاله كيميائياً ،وربطها لتشكيل بوابات ودوائر أخرى.
ويمكن الوصول إلى هذه الدوائر فقط بواسطة أرجل خارجية ( )pinsمربوطة بالرقاقة .وتوجد رجل
خارجية لكل إشارة إدخال ،ورجل خارجية لكل إشارة إخراج للدائرة المصنعة على الرقاقة .وتحفظ الرقاقة
في صندوق ( )packageمعدني أو بالستيكي .وتستعمل أنواع مختلفة من الصناديق ،مثل الصندوق الثنائي
الخط () ،Dual In-line Packageوالصندوق المسطح ،أو المنبسط ( Flat Package).كما هو مبين
في الشكل الالحق والصندوق الثنائي الخط أكثر استخداما ً من الصندوق المسطح نظرا ً إلى رخص ثمنه،
وسهولة نصبه على لوحة الدائرة الكهربائية .وغطاء الصندوق ( )envelopeمصنوع من البالستيك أو
السيراميك .ومعظم الصناديق لها أحجام قياسية (standard sizes).
ثمان إلى أربع وستين .ولكل دائرة متكاملة رقم معين مطبوع على سطح صندوقها
ويتراوح عدد أرجلها من
ٍ
لمعرفتها ،ويقوم البائع بنشر كتاب للتعليمات "كاتالوج" يحتوي على المعلومات الضرورية.
186
187.
187188.
188189.
189190.
190191.
يمكن الحصول على معلومات محددة عن خصائص التشغيل لدوائر تكاملية معينة عن طريقكتاب التعليمات الذي ينشره عادة المصنع .وورقة التعليمات النمطية مجزأة إلى ثالثة أقسام
رئيسة:
أ -ظروف تشغيلية ينصح بها (Recommended Operating Conditions).
ب -خصائص كهربائية (Electrical Characterisitics).
ج -خصائص تبديلية (Switching Characterstics).
191
192.
192193.
193194.
194195.
195196.
196197.
تدريبات وأسئلةعلى الوحدة
197
198.
198199.
199200.
200201.
201202.
202203.
إنتهت الوحدة الثانيةمع تمنياتي لكم بالتوفيق
أ .محمد حسن أبو حمادة
فرع شمال غزة
203