Xor примеры. Более сложные логические элементы

Бит — это минимальная единица измерения объёма информации, так как она хранит одно из двух значений — 0 (False) или 1 (True). False и True в переводе на русский ложь и истина соответственно. То есть одна битовая ячейка может находиться одновременно лишь в одном состоянии из возможных двух. Напомню, два возможных состояния битовой ячейки равны — 1 и 0.
Есть определённые операции, для манипуляций с битами. Эти операции называются логическими или булевыми операциями, названные в честь одного из математиков — Джорджа Буля (1815-1864), который способствовал развитию этой области науки.
Все эти операции могут быть применены к любому биту, независимо от того, какое он имеет значение — 0(нуль) или 1(единицу). Ниже приведены основные логические операции и примеры их использования.

Логическая операция И (AND)

Обозначение AND: &

Логическая операция И выполняется с двумя битами, назовем их a и b. Результат выполнения логической операции И будет равен 1, если a и b равны 1, а во всех остальных (других) случаях, результат будет равен 0. Смотрим таблицу истинности логической операции and.

a(бит 1)	b(бит 2)	a(бит 1) & b(бит 2)
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Логическая операция ИЛИ (OR)

Обозначение OR: |

Логическая операция ИЛИ выполняется с двумя битами (a и b). Результат выполнения логической операции ИЛИ будет равен 0, если a и b равны 0 (нулю), а во всех остальных (других) случаях, результат равен 1 (единице). Смотрим таблицу истинности логической операции OR.

a(бит 1)	b(бит 2)	a(бит 1) \| b(бит 2)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Логическая операция исключающее ИЛИ (XOR).

Обозначение XOR: ^
Логическая операция исключающее ИЛИ выполняется с двумя битами (a и b). Результат выполнения логической операции XOR будет равен 1 (единице), если один из битов a или b равен 1 (единице), во всех остальных случаях, результат равен 0 (нулю). Смотрим таблицу истинности логической операции исключающее ИЛИ.

a(бит 1)	b(бит 2)	a(бит 1) ^ b(бит 2)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Логическая операция НЕ (not)

Обозначение NOT: ~
Логическая операция НЕ выполняется с одним битом. Результат выполнения этой логической операции напрямую зависит от состояния бита. Если бит находился в нулевом состоянии, то результат выполнения NOT будет равен единице и наоборот. Смотрим таблицу истинности логической операции НЕ.

a(бит 1)	~a(отрицание бита)
0	1
1	0

Запомните эти 4 логические операции. Используя эти логические операции, мы можем получить любой возможный результат. Подробно об использовании логических операций в С++ читаем .

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности ». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» - единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

Операция исключающее ИЛИ (неравнозначность, сложение по модулю два) обозначается символом и отличается от логического ИЛИ только приA=1 и B=1.

Таким образом, неравнозначность двух высказываний Х1 и Х2 называют такое высказывание Y, которое истинно тогда и только тогда, когда одно из этих высказываний истинно, а другое ложно.

Определение данной операции может быть записано в виде таблицы истинности (таблица 6):

Таблица 6 – Таблица истинности операции «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»

Как видно из таблицы 6, логика работы элемента соответствует его названию.

Это тот же элемент «ИЛИ» с одним небольшим отличием. Если значение на обоих входах равно логической единице, то на выходе элемента «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», в отличие от элемента «ИЛИ», не единица, а ноль.

Операция «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» фактически сравнивает на совпадение два двоичных разряда.

Каждая логическая связка рассматривается как операция над логическими высказываниями и имеет своё название и обозначение (таблица 7).

Таблица 7 – Основные логические операции

Обозначение операции	Читается	Название операции	Альтернативные обозначения
		Отрицание (инверсия)	Черта сверху
		Конъюнкция (логическое умножение)
		Дизъюнкция (логическое сложение)
	Если … то	Импликация
	Тогда и только тогда	Эквиваленция
	Либо … либо	ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (сложение по модулю 2)

Порядок выполнения логических операций в сложном логическом выражении

Система логических операций инверсии, конъюнкции, дизъюнкции позволяет построить сколь угодно сложное логическое выражение.

При вычислении значения логического выражения принят определённый порядок выполнения логических операций.

1. Инверсия.

2. Конъюнкция.

3. Дизъюнкция.

4. Импликация.

5. Эквивалентность.

Для изменения указанного порядка выполнения операций используются скобки.

Логические выражения и таблицы истинности
1. Логические выражения

Каждое составное высказывание можно выразить в виде формулы (логического выражения), в которую входят логические переменные, обозначающие высказывания, и знаки логических операций, обозначающие логические функции.

Для записи составного высказывания в виде логического выражения на формальном языке (языке алгебры логики) в составном высказывании нужно выделить простые высказывания и логические связи между ними.

Запишем в форме логического выражения составное высказывание «(2·2=5 или 2∙2=4) и (2∙2≠5 или 2∙2 ≠4)».

Проанализируем составное высказывание. Оно содержит два простых высказывания:

А = «2 2=5»-ложно (0),

В = «2 2=4»-истинно (1).

Тогда составное высказывание можно записать в следующей форме:

«(А или В ) и (Ā или В )».

Теперь необходимо записать высказывание в форме логического выражения с учётом последовательности выполнения логических операций. При выполнении логических операций определён следующий порядок их выполнения:

инверсия, конъюнкция, дизъюнкция.

Для изменения указанного порядка могут использоваться скобки:

F = (A v В ) & (Ā v В ).

Истинность или ложность составных высказываний можно определять чисто формально, руководствуясь законами алгебры высказываний, не обращаясь к смысловому содержанию высказываний.

Подставим в логическое выражение значения логических переменных и, используя таблицы истинности базовых логических операций, получим значение логической функции:

F = (A v В) & (Ā v В) = (0 v 1) & (1 v 0) = 1 & 1 = 1.

Таблицы истинности

Таблицы, в которых логические операции отражают результаты вычислений сложных высказываний при различных значениях исходных простых высказываний, называются таблицами истинности.

Простые высказывания обозначаются переменными (например, A и B).

При построении таблиц истинности целесообразно руководствоваться определённой последовательностью действий:

необходимо определить количество строк в таблице истинности. Оно равно количеству возможных комбинаций значений логических переменных, входящих в логическое выражение. Если количество логических переменных равно п, то:

количество строк = 2 n .

В нашем случае логическая функция

имеет 2 переменные и, следовательно, количество строк в таблице истинности должно быть равно 4;

необходимо определить количество столбцов в таблице истинности, которое равно количеству логических переменных плюс количество логических операций.

В нашем случае количество переменных равно двум: А и В, а количество логических операций - пяти (таблица 8), то есть количество столбцов таблицы истинности равно семи;

необходимо построить таблицу истинности с указанным количеством строк и столбцов, обозначить столбцы и внести в таблицу возможные наборы значений исходных логических переменных;

необходимо заполнить таблицу истинности по столбцам, выполняя базовые логические операции в необходимой последовательности и в соответствии с их таблицами истинности.

Теперь мы можем определить значение логической функции для любого набора значений логических переменных.

Таблица 8 – Таблица истинности логической функции

Оператор	Синтаксис	Описание
AND	A AND B	Конъюнкция: Если А и В имеют значение True, то - True. Иначе - False
OR	A OR B	Дизъюнкция: Если любой из операндов имеет значение True, то - True. Иначе - False
NOT	NOT A	Отрицание: Если А имеет значение False, то - True. Иначе - False
XOR	A XOR B	Исключение: Если А имеет значение True или В имеет значение True, то - True. Иначе - False
EQV	A EQV B	Эквивалентность: Если А имеет такое же значение что и В, то - True. Иначе - False
IMP	A IMP B	Импликация: Если А имеет значение True и В имеет значение False, то - False. Иначе - True

В качестве операнда для логического оператора можно использовать любое действительное выражение, имеющее результат типа Boolean, а также число, которое может быть преобразовано в значение типа Boolean.

Результатом логической операции является значение типа Boolean (или Null, если хотя бы один из операндов имеет значение Null).

Логический оператор AND

Синтаксис:
Операнд_1 AND Операнд_2

Оператор AND выполняет логическую конъюнкцию .

Результатом данной операции является значение True, только когда оба операнда имеют значение True, иначе - False.

Таблица истинности

Оператор AND можно использовать для нескольких операндов:

(5 3) AND (5=6) результатом будет False

Независимо от количества операндов результатом логической операции AND будет True только в том случае, когда все операнды выражения будут иметь значение True. В любом другом случае результатом будет False. Обратите внимание, что операнды заключаются в круглые скобки. VBA сначала вычисляет значение каждого операнда внутри скобок, а затем уже все выражение полностью.

Логический оператор OR

Синтаксис:
Операнд_1 OR Операнд_2

Оператор OR выполняет логическую дизъюнкцию .

Результатом данной операции является значение True, если хотя бы один из операндов имеет значение True, иначе - False.

Таблица истинности

Оператор OR можно использовать для нескольких операндов:

(5 3) OR (5=6) результатом будет True

Независимо от количества операндов результатом логической операции OR будет всегда True в том случае, если хотя бы один из операндов выражения будет иметь значение True. Иначе результатом будет False.

Операторы AND и OR можно комбинировать:

((5 3)) OR (5=6) результатом будет True

Логический оператор NOT

Синтаксис:
NOT Операнд

Оператор NOT выполняет логическое отрицание .

Оператор NOT использует только один операнд.

Таблица истинности

Операторы AND OR NOT можно комбинировать:

((5 3)) OR NOT (5=6) результатом будет True

Логический оператор XOR

Синтаксис:
Операнд_1 XOR Операнд_2

Оператор XOR выполняет логическое исключение .

Результатом данной операции является значение True, если операнды имеют разные значения, иначе - False.

Таблица истинности

((5 3)) OR NOT (5=6) XOR (5=5) результатом будет False

Логический оператор EQV

Синтаксис:
Операнд_1 EQV Операнд_2

Оператор EQV - это оператор логической эквивалентности .

Результатом данной операции является значение True, если операнды имеют одинаковые значения, иначе - False.

Таблица истинности

((5 3)) OR NOT (5=6) EQV (5=5) результатом будет True

Логический оператор IMP

Синтаксис:
Операнд_1 IMP Операнд_2

Оператор IMP выполняет логическую операцию импликации .

Таблица истинности

((5 3)) OR NOT (5=6) IMP (5=5) результатом будет True

Логический оператор IMP наименее интуитивно понятный из всех логических операторов. К счастью, необходимость в его применении возникает довольно редко.