HÀM LOGIC
Năm 1854 Georges Boole, một triết gia đồng thời là nhà toán học người Anh cho xuất bản một tác phẩm về lý luận logic, nội dung của tác phẩm đặt ra những mệnh đề mà để trả lời người ta chỉ phải dùng một trong hai từ đúng (có, yes) hoặc sai ...
Năm 1854 Georges Boole, một triết gia đồng thời là nhà toán học người Anh cho xuất bản một tác phẩm về lý luận logic, nội dung của tác phẩm đặt ra những mệnh đề mà để trả lời người ta chỉ phải dùng một trong hai từ đúng (có, yes) hoặc sai (không, no).
Tập hợp các thuật toán dùng cho các mệnh đề này hình thành môn Đại số Boole. Đây là môn toán học dùng hệ thống số nhị phân mà ứng dụng của nó trong kỹ thuật chính là các mạch logic, nền tảng của kỹ thuật số.
Chương này không có tham vọng trình bày lý thuyết Đại số Boole mà chỉ giới hạn trong việc giới thiệu các hàm logic cơ bản và các tính chất cần thiết để giúp sinh viên hiểu vận hành của một hệ thống logic.
CƠ BẢN
Một số định nghĩa
- Trạng thái logic: trạng thái của một thực thể. Xét về mặt logic thì một thực thể chỉ tồn tại ở một trong hai trạng thái. Thí dụ, đối với một bóng đèn ta chỉ quan tâm nó đang ở trạng thái nào: tắt hay cháy. Vậy tắt / cháy là 2 trạng thái logic của nó.
- Biến logic dùng đặc trưng cho các trạng thái logic của các thực thể. Người ta biểu diễn biến logic bởi một ký hiệu (chữ hay dấu) và nó chỉ nhận 1 trong 2 giá trị : 0 hoặc 1.
Thí dụ trạng thái logic của một công tắc là đóng hoặc mở, mà ta có thể đặc trưng bởi trị 1 hoặc 0.
- Hàm logic diễn tả bởi một nhóm biến logic liên hệ nhau bởi các phép toán logic. Cũng như biến logic, hàm logic chỉ nhận 1 trong 2 giá trị: 0 hoặc 1 tùy theo các điều kiện liên quan đến các biến.
Thí dụ, một mạch gồm một nguồn hiệu thế cấp cho một bóng đèn qua hai công tắc mắc nối tiếp, bóng đèn chỉ cháy khi cả 2 công tắc đều đóng. Trạng thái của bóng đèn là một hàm theo 2 biến là trạng thái của 2 công tắc.
Gọi A và B là tên biến chỉ công tắc, công tắc đóng ứng với trị 1 và hở ứng với trị 0. Y là hàm chỉ trạng thái bóng đèn, 1 chỉ đèn cháy và 0 khi đèn tắt. Quan hệ giữa hàm Y và các biến A, B được diễn tả nhờ bảng sau:
Biểu diễn biến và hàm logic
Giản đồ Venn
Còn gọi là giản đồ Euler, đặc biệt dùng trong lãnh vực tập hợp. Mỗi biến logic chia không gian ra 2 vùng không gian con, một vùng trong đó giá trị biến là đúng (hay=1), và vùng còn lại là vùng phụ trong đó giá trị biến là sai (hay=0).
Thí dụ: Phần giao nhau của hai tập hợp con A và B (gạch chéo) biểu diễn tập hợp trong đó A và B là đúng (A AND B) (H 2.1)
(H 2.1)
Bảng sự thật
Nếu hàm có n biến, bảng sự thật có n+1 cột và 2n + 1 hàng. Hàng đầu tiên chỉ tên biến và hàm, các hàng còn lại trình bày các tổ hợp của n biến trong 2n tổ hợp có thể có. Các cột đầu ghi giá trị của biến, cột cuối cùng ghi giá trị của hàm tương ứng với tổ hợp biến trên cùng hàng (gọi là trị riêng của hàm).
Thí dụ: Hàm OR của 2 biến A, B: f(A,B) = (A OR B) có bảng sự thật tương ứng.
Bảng Karnaugh
Đây là cách biểu diễn khác của bảng sự thật trong đó mỗi hàng của bảng sự thật được thay thế bởi một ô mà tọa độ (gồm hàng và cột) xác định bởi tổ hợp đã cho của biến.
Bảng Karnaugh của n biến gồm 2n ô. Giá trị của hàm được ghi tại mỗi ô của bảng. Bảng Karnaugh rất thuận tiện để đơn giản hàm logic bằng cách nhóm các ô lại với nhau.
Thí dụ: Hàm OR ở trên được diễn tả bởi bảng Karnaugh sau đây
Giản đồ thời gian
Dùng để diễn tả quan hệ giữa các hàm và biến theo thời gian, đồng thời với quan hệ logic.
Thí dụ: Giản đồ thời gian của hàm OR của 2 biến A và B, tại những thời điểm có một (hoặc 2) biến có giá trị 1 thì hàm có trị 1 và hàm chỉ có trị 0 tại những thời điểm mà cả 2 biến đều bằng 0.
(H 2.2)
Qui ước
Khi nghiên cứu một hệ thống logic, cần xác định qui ước logic. Qui ước này không được thay đổi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Người ta dùng 2 mức điện thế thấp và cao để gán cho 2 trạng thái logic 1 và 0.
Qui ước logic dương gán điện thế thấp cho logic 0 và điện thế cao cho logic 1
Qui ước logic âm thì ngược lại.
Hàm logic cơ bản (Các phép toán logic)
Hàm NOT (đảo, bù) : Y = A size 12{ {A} cSup { size 8{_} } } {}
Bảng sự thật
Hàm AND [tích logic, toán tử (.)] : Y = A.B
Bảng sự thật
Nhận xét: Tính chất của hàm AND có thể được phát biểu như sau:
- Hàm AND của 2 (hay nhiều) biến chỉ có giá trị 1 khi tất cả các biến đều bằng 1
hoặc
- Hàm AND của 2 (hay nhiều) biến có giá trị 0 khi có một biến bằng 0.
Hàm OR [tổng logic, toán tử (+)] : Y = A + B
Bảng sự thật
Nhận xét: Tính chất của hàm OR có thể được phát biểu như sau:
- Hàm OR của 2 (hay nhiều) biến chỉ có giá trị 0 khi tất cả các biến đều bằng 0
hoặc
- Hàm OR của 2 (hay nhiều) biến có giá trị 1 khi có một biến bằng 1.
Hàm EX-OR (OR loại trừ) Y = A ⊕ size 12{⊕} {}B
Bảng sự thật
Nhận xét: Một số tính chất của hàm EX - OR:
- Hàm EX - OR của 2 biến chỉ có giá trị 1 khi hai biến khác nhau và ngược lại. Tính chất này được dùng để so sánh 2 biến.
- Hàm EX - OR của 2 biến cho phép thực hiện cộng hai số nhị phân 1 bit mà không quan tâm tới số nhớ.
- Từ kết quả của hàm EX-OR 2 biến ta suy ra bảng sự thật cho hàm 3 biến
- Trong trường hợp 3 biến (và suy rộng ra cho nhiều biến), hàm EX - OR có giá trị 1 khi số biến bằng 1 là số lẻ. Tính chất này được dùng để nhận dạng một chuỗi dữ liệu có số bit 1 là chẵn hay lẻ trong thiết kế mạch phát chẵn lẻ.
Tính chất của các hàm logic cơ bản:
Tính chất cơ bản:
Có một phần tử trung tính duy nhất cho mỗi toán tử (+) và (.):
A + 0 = A ; 0 là phần tử trung tính của hàm OR
A . 1 = A ; 1 là phần tử trung tính của hàm AND
Tính giao hoán:
A + B = B + A
A . B = B . A
Tính phối hợp:
(A + B) + C = A + (B + C) = A + B + C
(A . B) . C = A . (B . C) = A . B . C
Tính phân bố:
- Phân bố đối với phép nhân: A . (B + C) = A . B + A . C
- Phân bố đối với phép cộng: A + (B . C) = (A + B) . (A + C)
Phân bố đối với phép cộng là một tính chất đặc biệt của phép toán logic
Không có phép tính lũy thừa và thừa số:
A + A + . . . . . + A = A
A . A . . . . . . . . A = A
Tính bù:
Tính song đối (duality):
Tất cả biểu thức logic vẫn đúng khi [thay phép toán (+) bởi phép (.) và 0 bởi 1] hay ngược lại. Điều này có thể chứng minh dễ dàng cho tất cả biểu thức ở trên.
Thí dụ: 
Định lý De Morgan
Định lý De Morgan được phát biểu bởi hai biểu thức:
Định lý De Morgan cho phép biến đổi qua lại giữa hai phép cộng và nhân nhờ vào phép đảo.
Định lý De Morgan được chứng minh bằng cách lập bảng sự thật cho tất cả trường hợp có thể có của các biến A, B, C với các hàm AND, OR và NOT của chúng.
Sự phụ thuộc lẫn nhau của các hàm logic cơ bản
Định lý De Morgan cho thấy các hàm logic không độc lập với nhau, chúng có thể biến đổi qua lại, sự biến đổi này cần có sự tham gia của hàm NOT. Kết quả là ta có thể dùng hàm (AND và NOT) hoặc (OR và NOT) để diễn tả tất cả các hàm.
Thí dụ:
Chỉ dùng hàm AND và NOT để diễn tả hàm sau: Y = A.B+B.C+A size 12{ {A} cSup { size 8{_} } } {}.C
Chỉ cần đảo hàm Y hai lần, ta được kết quả:
Nếu dùng hàm OR và NOT để diễn tả hàm trên làm như sau:
