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Peter Sobe 1
1. Grundlagen der InformatikBoolesche Algebra / Aussagenlogik
Inhalt Grundlagen digitaler Systeme
Boolesche Algebra / Aussagenlogik
Organisation und Architektur von Rechnern
Algorithmen, Darstellung von Algorithmen mit Struktogrammen und Programmablaufplänen
Zahlensysteme und interne Informationsdarstellung
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Peter Sobe 2
Boolesche Algebra
Logikkalkül (George Boole, 1847) Definition:Eine Menge B von Elementen, über der zwei Operationen (+ und *) erklärt sind, ist genau dann eine Boolesche Algebra (B; +, *), wenn für beliebige Elemente a, b, c ϵ B folgende Axiome gelten:(1) a+b = b+a
a*b = b*a(2) 0+a=a
1*a=a(3) (a+b)*c = (a*c)+(b*c)
(a*b)+c = (a+c)*(b+c)(4) a+k(a)=1
a*k(a)=0
Kommutativität
Nullelement 0 bzgl. + und Einselement 1 bzgl. * existiert
Distributivität einer Op. gegenüber der anderen Op.
Zu jedem Element a ϵ B existiert ein komplementäres Element k(a)
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Peter Sobe 3
Boolesche AlgebraDualitätsprinzip:Zu jeder Aussage, die sich aus den vier Axiomen der Booleschen Algebra herleiten lässt, existiert eine duale Aussage, die dadurch entsteht, dass man die Operationen + und * und gleichzeitig die neutralen Elemente 0 und 1 vertauscht.Es gelten weiterhin:(5) a+1 = 1
a*0 = 0(6) a+a=a
a*a=a(7) a+(a*b) = a
a*(a+b) = a(8) k(a) + (a+b)=1
k(a)*(a*b) = 0(9) a+(b+c) = (a+b)+c
a*(b*c) = (a*b)*c
Idempotenzgesetz
Absorptionsgesetz
Assoziativgesetz
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Peter Sobe 4
Boolesche AlgebraEs gelten weiterhin (Fortsetzung):
(10) Für jedes a aus B existiert genau ein ̅a aus B.Wenn b = ̅a, ̅b = a.
(11) ̅1 = 0̅0 = 1
(12) (a+b) = ̅a * ̅b(a*b) = ̅a + ̅b
Die Boolesche Algebra legt noch keinen speziellen Anwendungsfall fest.Alles, was aus Elementen und Operationen besteht, kann eine Boolesche Algebra sein, sofern die oben genannten Eigenschaften gelten.
Negation der Negation
De Morgansches Gesetz
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Peter Sobe 5
Boolesche Algebra
Anwendung als: Mengenalgebra Schaltalgebra Aussagenlogik
Die Schaltalgebra und Aussagenlogik entsprechen einander bezüglich ihrer Variablen, Operationen und Gesetzmäßigkeiten.
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Peter Sobe 6
Anwendung als Schaltalgebra
Schaltvariablev ϵ {0,1}
Binäre Schaltfunktion:f: {0,1}N → {0,1}z = f(v1,v2, …, vN); z, vi ϵ {0,1}
f(v1,v2, …, vN)
…
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Peter Sobe 7
Anwendung als Schaltalgebra
Definition einer Schaltfunktion durch eine Wahrheitstafel
N-stellige Funktionm=2N Eingabemuster 2m verschiedene N-stellige Schaltfunktionen
VN VN-1 … V2 V1 f0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 0… … … … …1 1 1 0 11 1 1 1 1
Hier nur einespezielle Schaltfunktion gezeigt
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Peter Sobe 8
Anwendung als Schaltalgebra
Einstellige Schaltfunktionen durch eine Wahrheitstafel
1-stellige Funktionm=21=2 Eingabemuster 2m = 22 = 4 verschiedene einstellige Schaltfunktionen
a Nullfunktion Identität Negation Einsfunktion0 0 0 1 11 0 1 0 1
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Peter Sobe 9
Anwendung als Schaltalgebra
Zweistellige Schaltfunktionen durch eine Wahrheitstafel
2-stellige Funktionm=22=4 Eingabemuster 2m = 24 = 16 verschiedene einstellige Schaltfunktionen5 Funktionen hier als sinnvolle herausgestellt
a b f0 UND f2 ... XOR ODER … NOR … NAND …0 0 0 0 0 0 0 … 1 … 1 …0 1 0 0 0 1 1 0 11 0 0 0 1 1 1 0 11 1 0 1 0 0 1 … 0 … 0 …
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Peter Sobe 10
Anwendung als Schaltalgebra
Ausgewählte Funktionen:
UND
ODER
NEGATION
L=A UND B
A=1
A=0
B=1
B=0
L=A ODER B
A=1
A=0B=1
B=0
A=1
A=0 L= NICHT (A)
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Peter Sobe 11
Anwendung als Schaltalgebra
Ausgewählte Funktionen:
UND mit negiertem Operanden A
UND mit negiertem Operanden B
L=A UND NICHT(B)
A=1
A=0
B=1
B=0
L=NICHT(A) UND BA=0 B=0
A=1 B=1
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Peter Sobe 12
Anwendung als Schaltalgebra
Ausgewählte Funktionen:
UND mit negierten Operanden A und B
ODER mit negierten Operanden A und B
L=NICHT(A) UND NICHT(B)DE MORGAN:L = NICHT(A ODER B)
A=0 B=0NOR-Funktion(ODER, das am Ausgang negiert ist)
L=NICHT(A) ODER NICHT(B)DE MORGAN:L = NICHT ( A UND B)
A=0B=1
B=0
A=1
NAND-Funktion(UND, das am Ausgang negiert ist)
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Peter Sobe 13
Anwendung als Schaltalgebra
Ausgewählte Funktionen:
XOR-Funktion (exklusives ODER)
L=( NICHT(A) UND B) ODER (A UND NICHT(B))L= A XOR B
A=0A=1
A=0
A=1 B=1
B=0B=1
B=0
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Peter Sobe 14
Schaltalgebra
Die Schaltalgebra ist eine spezielle Boolesche AlgebraB:= {0,1}Nullelement: 0 … bedeutet Schalter geöffnetEinselement: 1 … bedeutet Schalter geschlossenOperation +: ODER Operation *: UNDNegation : NICHT( )
Es gelten die Axiome 1 bis 4 der Booleschen Algebra.Die restlichen Regeln können hergeleitet werden.
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Peter Sobe 15
Schaltalgebra
Die Axiome der Booleschen Algebra gelten.
(1) a+b = b+a =
a*b = b*a=
(2) 0+a=a =
1*a=a =
a
b
b
a
a b b a
0
aa
a1
a
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Peter Sobe 16
Schaltalgebra
Die Axiome der Booleschen Algebra gelten.
(3) (a+b)*c = (a*c)+(b*c) =
(a*b)+c = (a+c)*(b+c) =
(4) a+k(a)=1 =
a*k(a)=0 =
a
bc
ca
b c
b
c
a
c c
a b
a
a1
a
a
0
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Peter Sobe 17
Schaltalgebra
Schaltsymbole für die gebräuchlichsten Funktionen:
UND
ODER
NEGATION
XOR
&
≥1
1
=1
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Peter Sobe 18
Schaltalgebra
Schaltsymbole
NAND
NOR
Negierte Eingänge,Am Beispiel NICHT(a) UND b
&
≥1
&
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Peter Sobe 19
Schaltalgebra
Vollständige VerknüpfungsbasisMit NAND lässt sich jede beliebige Schaltfunktion realisieren.
Negation
UND
ODER: A ODER B = NICHT (NICHT(A) UND NICHT(B))
&
& &
& &
&
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Peter Sobe 20
Anwendung als Aussagenlogik
Aussagen sind formulierte Feststellungen, zum Beispiel „Tür geschlossen“ Bedingungen, zum Beispiel x<5 Relationen, wie a(i)<a(i+1) ‚berechnete‘ Aussagen, wie z.B. ‚2000 ist ein Schaltjahr‘
Aussagen … können den Ablauf (Steuerfluss) eines Programms
beeinflussen können logisch verknüpft werden und ergeben neue
Aussagen sind möglicherweise Eingabe oder Ausgabe von
Programmen und werden durch Programme berechnet
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Peter Sobe 21
Aussagenlogik
Die Aussagenlogik ist eine Boolesche Algebra.Es gelten damit die Gesetze der Booleschen Algebra.
Spezialisierung zur Aussagenlogik: Werte: falsch und wahr als Entsprechung für 0 und 1 Operationen:
Bezeich-nung
Operator-Symbol
C-Operator
Konjunktion UND AND ˄ &&
Disjunktion ODER OR ˅ ||
Negation NICHT NOT ̅ (Überstrich) !
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Peter Sobe 22
Aussagenlogik
Definition der Operationen UND, ODER, NICHT über Wahrheitstabellen
a UND b a ODER b
NICHT a
a b a UND bfalsch falsch falschfalsch wahr falschwahr falsch falschwahr wahr wahr
a b a ODER bfalsch falsch falschfalsch wahr wahrwahr falsch wahrwahr wahr wahr
a NICHT afalsch wahrwahr falsch
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Peter Sobe 23
Vergleich zw. Aussagenlogik und Schaltalgebra
Aussagenlogik für Programme (Software)
Schaltalgebra zur Realisierung von Schaltungen (Hardware)
Die Unterscheidung verschwindet, wenn Hardware direkt programmierbar wird, z.B. FPGAs
…if (a>b && a<c) {…
}else {…
}
a
b
c
COMP
P
Q
&
P>QP=QP<Q
COMP
P
Q
P>QP=QP<Q
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Peter Sobe 24
Bedingungs-Ausdrücke
Einzelne Aussagen können Bedingungsausdrücke sein
Ausage kalt: temperatur <10Aussage zu_schnell: V >100
Bedingungsausdrücke werden durch aussagenlogische Operationenverknüpft.
Beispiele:NICHT (zahl < 0) UND NICHT (zahl > 64)
zahl >= 0 UND zahl <= 64
NICHT (zahl <0 ODER zahl >64)
Alle drei Beispiele bedeuten das gleiche –sie drücken aus, dass zahl im Intervall zwischen 0 und 64 liegt
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Peter Sobe 25
Eigenschaften (1)
a UND b = b UND a Kommutativität bezüglich UND
a ODER b = b ODER a Kommutativität bezüglich ODER
a UND wahr = a Neutrales Element (wahr) bezüglich UND
a ODER falsch = a Neutrales Element (falsch) bezüglich ODER
a UND k(a) = falsch Komplementäres Element zu k(a): k(a) = NICHT a
a ODER k(a) = wahr
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Peter Sobe 26
Eigenschaften (2)
Verkettung von Operationen gleicher Art:
(a UND b) UND c = a UND (b UND c) = a UND b UND c
(a ODER b) ODER c = a ODER (b ODER c) = a ODER b ODER c
Verkettung unterschiedlicher Operationen:
(a UND b) ODER c = (a ODER c) UND (b ODER c)
a UND (b ODER c) = (a UND b) ODER (a UND c)
(a ODER b) UND c = (a UND c) ODER (b UND c)
a ODER (b UND c) = (a ODER b) UND (a ODER c)
Distributivität einer Operation gegenüber der anderen
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Peter Sobe 27
Eigenschaften (3)
Verkettung unterschiedlicher Operationen:
(a UND b) ODER c ist nicht gleich a UND (b ODER c)
… bedeutet, dass sich für ausgewählte Werte von a,b und c unterschiedliche Ergebnisse der Ausdrücke ergeben können.
Beispiel:(Autofahrt UND Stau) ODER Bahnverspätung ist nicht gleichAutofahrt UND (Stau ODER Bahnverspätung)
Der Ausdruck unten, würde zum Beispiel bei Bahnverspätung=wahr und Autofahrt=falsch einen anderen Wert als der Ausdruck oben ergeben.Ein Gegenbeispiel reicht als Beweis für Ungleichheit im Allgemeinen
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Peter Sobe 28
Eigenschaften (4)
Verkettung unterschiedlicher Operationen:
Wenn mehrere Operationen UND und ODER in einer aussagenlogischen Formel benutzt werden, müssen Klammern den Wirkungsbereich der Operatoren eindeutig festlegen.
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Peter Sobe 29
Eigenschaften (5)
Weitere Regeln:
NICHT (a UND b) = (NICHT a) ODER (NICHT b)
NICHT (a ODER b) = (NICHT a) UND (NICHT b)
NICHT (NICHT a) = a
De MorganschesGesetz
Negation der Negation
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Peter Sobe 30
Weitere Operationen
Definition einer weiteren Operation mit Hilfe der anderen Operationen:
XOR (EXCLUSIVES ODER, deutsch: entweder oder )a XOR b = (a UND (NICHT b)) ODER ((NICHT a) UND b)
FOLGERUNG a →b: aus a folgt ba → b = (a UND b) ODER ((NICHT a) UND (NICHT b))
ODER ((NICHT a) UND b)Regeln: wenn a wahr ist, dann muss auch b wahr sein. ist a falsch, dann darf b auch falsch sein es ist aber auch erlaubt, dass b wahr ist, wenn a falsch ist.
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Peter Sobe 31
Aussagen und Bedingungen
Negation bezüglich Vergleichsoperatoren:
a: x<5NICHT a: x>=5
b: r>sNICHT b: r<=s
c: i = jNICHT c: i ≠ j
Anwendung des De Morganschen Gesetzes:a UND b UND c in einer Form als x<5 UND r>s UND i=jkann umgeformt werden zuNICHT ( NICHT a ODER NICHT b ODER NICHT c) , das entspricht
NICHT( x>=5 ODER r<=s ODER i≠ j )
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Peter Sobe 32
Minimierung aussagenlogischer Ausdrücke
Manchmal sind Ausdrücke lang und unübersichtlich …
Beispiel:c = (a UND b) ODER (a UND (NICHT b)) ODER ((NICHT a) UND b)
Minimierung (Vereinfachung) durch Absorptionsgesetzex UND (x ODER y) = xx ODER (x UND y) = x(x UND y) ODER (x UND (NICHT y) = x(x ODER y) UND (x ODER (NICHT y)) = x
Das Beispiel oben ergibt eine einfachere Form:c = a ODER ((NICHT a) UND b) =
(a ODER (NICHT a)) UND (a ODER b) = a ODER b