Mapas de Karnaugh

Agrupar mintermos e maxtermos com adjacência, fronteiras e condições indiferentes.

TLDR

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As linhas ABC=001 e 011 diferem só em B. Os seus mintermos somam A‾B‾C+A‾BC=A‾C\overline A\overline BC+\overline ABC=\overline AC: B desaparece porque pode valer 0 ou 1. Um mapa de Karnaugh coloca estas combinações em células vizinhas para tornar visíveis os grupos que eliminam variáveis.

Ordem e adjacência

As etiquetas usam código Gray: 00, 01, 11, 10. Passar de uma coluna à seguinte muda um só bit, e a primeira e a última também são adjacentes; nos mapas de quatro variáveis, o mesmo acontece com as linhas, e os quatro cantos formam um grupo possível.

Não há adjacência diagonal. Os grupos são retângulos com 1,2,4,8,…1,2,4,8,\ldots células. Um retângulo pode atravessar uma fronteira do mapa. Um grupo de três células não elimina uma quantidade inteira de variáveis e não é válido.

Exemplo de soma de produtos

Considera F(A,B,C)=Σm(1,3,5,6,7)F(A,B,C)=\Sigma m(1,3,5,6,7), representada na tabela seguinte em código Gray:

A\BCA\backslash BC00011110
00110
10111

Observa as variáveis que ficam constantes dentro de cada contorno. Uma variável desaparece porque aparece negada numa metade do grupo e direta na outra: AB+AB‾=A(B+B‾)=A⋅1=AAB+A\overline B=A(B+\overline B)=A\cdot 1=A, por distributividade e complemento. É a identidade aplicada às células vizinhas, não um atalho gráfico; no contínuo, C=1C=1 enquanto AA e BB variam, por isso obtemos CC, e no tracejado, A=B=1A=B=1 enquanto CC varia, por isso obtemos ABAB.

Falta a célula 6 depois de formar o grupo de quatro, por isso agrupa-a com a célula 7 na coluna 11, mesmo que esta já pertença ao grupo CC.

Portanto F=C+ABF=C+AB. A célula 7 pertence aos dois grupos, o que é permitido. Sem essa sobreposição precisaríamos de um termo maior. Cada 1 tem de ficar coberto; cobrir uma célula 0 tornaria a expressão errada.

Implicantes essenciais

Um grupo de 1 que não pode ser alargado sem incluir um 0 é um implicante primo. Maximal não significa maior do mapa: o grupo AB tem duas células e também é primo. Um primo é essencial quando cobre algum 1 que nenhum outro primo cobre.

No exemplo, a célula 1 só pode entrar no grande grupo CC, e a célula 6 só pode entrar no grupo ABAB. Ambos são necessários. Noutros mapas, vários grupos não essenciais podem completar a cobertura. Escolhe uma combinação que cubra os 1 restantes, preferindo menos termos e menos literais quando esse é o custo pedido.

Um grupo pequeno válido pode ser redundante. Acrescentá-lo não muda a função, mas aumenta o circuito. Não é obrigatório desenhar todos os grupos possíveis.

Produto de somas

Para obter POS, agrupa os zeros. As células 0 e 4, na coluna 00, têm B=C=0B=C=0, por isso o fator é (B+C)(B+C): só fica 0 quando ambos são 0. As células 0 e 2, na linha A=0A=0 e nas colunas 00,10 que se tocam pela fronteira, dão (A+C)(A+C).

Assim, com

F=(B+C)(A+C)=C+AB.F=(B+C)(A+C)=C+AB.

Nos fatores de zeros, uma variável constante em 0 fica direta e uma constante em 1 fica negada. É a regra inversa da usada nos produtos dos grupos de 1. Não negues a função inteira ao passar de SOP para POS. Confirma cada fator substituindo um zero coberto: esse zero tem de anular o fator e, por isso, toda a expressão.

Quatro variáveis

Para F(A,B,C,D)=Σm(0,2,8,10)F(A,B,C,D)=\Sigma m(0,2,8,10), usamos ABAB nas linhas e CDCD nas colunas, ambas em código Gray, com

AB\CDAB\backslash CD00011110
001001
010000
110000
101001

Os quatro cantos pertencem ao mesmo grupo, atravessando as duas fronteiras. AA e CC mudam, mas B=D=0B=D=0 em todos os cantos. O produto é B‾D‾\overline B\overline D. Escolher a ordem binária 00,01,10,11 esconderia esta adjacência e poderia levar a grupos errados.

Condições indiferentes

Uma célula XX significa que a especificação permite qualquer saída nessa combinação. Podes tratá-la como 1 para alargar um grupo de 1, ou como 0 para alargar um grupo de 0, sem obrigação de usar todos os XX.

Por exemplo, G=Σm(1,3,7)G=\Sigma m(1,3,7) com indiferentes 5 e 6 permite agrupar 1,3,5,7 e obter G=CG=C. No índice 5, o circuito dará 1, mas isso é permitido. Se 5 fosse um zero obrigatório, o grupo seria inválido.

Um estado não usado só pode ser indiferente se o comportamento nesse estado for realmente livre. Se o circuito tiver de recuperar de um estado inválido, essa recuperação impõe valores nas equações.

Função correta e tempo

Para além da tabela: hazards

Simplificar uma função não elimina os atrasos das portas. Num circuito AB+A‾CAB+\overline AC com B=C=1B=C=1, mudar AA pode causar uma breve saída 0 se um caminho se desligar antes de o outro ligar. O termo de consenso BCBC pode cobrir a transição e evitar este hazard estático no modelo de atrasos considerado.

A tabela de verdade descreve estados estáveis. Uma pergunta sobre impulsos transitórios exige seguir os caminhos e os atrasos, além de simplificar a expressão.

Exercícios

Usar as bordas

Simplifica F(A,B,C,D)=Σm(1,3,9,11)F(A,B,C,D)=\Sigma m(1,3,9,11) num mapa 4×4. Indica o grupo.

Pista

As linhas e colunas usam 00,01,11,10.

Mais uma pista

As linhas 00 e 10 são adjacentes pela fronteira; as colunas 01 e 11 também são adjacentes.

Solução

As células nas linhas AB=00,10 e colunas CD=01,11 formam um grupo de quatro que atravessa a fronteira das linhas. Em 0001,0011,1001,1011, A e C variam, enquanto B=0 e D=1. Logo F=B‾DF=\overline BD. Não são quatro células isoladas.

Confere a tua resposta:

  • Agrupa as duas linhas exteriores e as duas colunas centrais.
  • Obtém B negado AND D.

Erros frequentes

Não uses a distância geométrica dentro da folha para decidir adjacência.

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A condição é obrigatória?

Uma função de três entradas tem 1 nos índices 1,3,7 e X no índice 5; nos restantes índices é 0. Simplifica e indica o valor que o circuito escolhido produz no índice 5.

Pista

X pode completar um grupo maior.

Solução

Escolhe X como 1 e agrupa as quatro células; F=C. Portanto no índice 5 o circuito produz 1. Isso é permitido pela especificação, mas seria incorreto se 5 fosse um zero obrigatório. Não é necessário implementar uma saída física chamada X.

Confere a tua resposta:

  • Obtém F=C usando o índice 5.
  • Explica que o circuito produz 1 no X escolhido.

Erros frequentes

X significa liberdade de especificação, não uma terceira saída lógica.

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Agrupar zeros

F é 0 nos índices 0,1,4,5 de uma função ABC; nos restantes índices é 1. Obtém um produto de somas simplificado.

Pista

Procura a variável que se mantém em todas as linhas a zero, porque é ela que forma o fator.

Solução

Os quatro zeros têm B=0 e A,C variáveis. O fator que vale 0 nesse grupo é B. Assim F=B, uma POS com um único fator. O grupo dos 1 também dá B, confirmando as restantes linhas.

Confere a tua resposta:

  • Agrupa zeros com B=0.
  • Obtém o fator B, sem negar a função.

Erros frequentes

Agrupar zeros não significa que a resposta final seja o complemento de F.

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Saída estável, circuito transitório

Em F=AB+A‾CF=AB+\overline AC, B=C=1 e A muda de 0 para 1. Explica um possível impulso indesejado e um termo que o evita no modelo de portas com atrasos.

Pista

A saída lógica deveria ficar sempre 1.

Mais uma pista

Os caminhos direto e negado de A podem chegar em instantes diferentes.

Solução

Antes da mudança, A‾C=1\overline AC=1; depois, AB=1. Se o primeiro produto cair antes de o segundo subir, a OR vê brevemente dois zeros: hazard estático de 1. O termo BC permanece 1 durante a mudança e cobre o intervalo. Adicioná-lo não altera a tabela estável porque é um termo de consenso.

Confere a tua resposta:

  • Descreve a possível janela em que os dois produtos ficam zero.
  • O termo BC mantém a saída 1 durante a transição.

Erros frequentes

A equivalência algébrica não prova que as transições são livres de glitches, porque a tabela só descreve estados estáveis.

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