Quine-McCluskey 算法
(2009-01-22 13:45:10)
标签:
杂谈 |
分类: VLSI |
Quine-McCluskey 算法是最小化布尔函数的一种方法。它在功能上等同于卡诺图,但是它的表格形式使它更有效的用做计算机算法,并且它还给出了检查布尔函数是否达到了最小化形式的确定性方法。
方法涉及两步:
- 找到这个函数的所有素蕴涵项。
- 使用这些素蕴涵项(implicant)来找到这个函数的本质素蕴涵项,对覆盖这个函数是必须的其他素蕴涵项也同样要使用。
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复杂性
尽管在处理多于四个变量的时候比卡诺图更加实用,Quine-McCluskey 算法也有使用限制,因为它解决的问题是NP-完全的: Quine-McCluskey 算法的运行时间随输入大小而呈指数增长。可以证明对于 n 个变量的函数,素蕴涵项的数目的上界是 3n/n。如果 n = 32,则可能超过 6.1 * 1014,或 617 万亿个素蕴涵项。有大量变量的函数必须使用潜在的非最优的启发式方法来最小化。
例子
最小化一个任意的函数:
A B C D f
m0 0 0 0 0 0
m1 0 0 0 1 0
m2 0 0 1 0 0
m3 0 0 1 1 0
m4 0 1 0 0 1
m5 0 1 0 1 0
m6 0 1 1 0 0
m7 0 1 1 1 0
m8 1 0 0 0 1
m9 1 0 0 1 1
m10 1 0 1 0 1
m11 1 0 1 1 1
m12 1 1 0 0 1
m13 1 1 0 1 0
m14 1 1 1 0 1
m15 1 1 1 1 1
你能轻易的形成这个表的规范的积之和表达式,简单的通过总和这个函数求值为一的那些极小项:
第一步找到素蕴涵项
当然,这的确不是最小化的。为了优化,所有求值为一的极小项都首先放到极小项表中:
1的数目 极小项 二进制表示
--------------------------------------------
1 m4 0100
m8 1000
--------------------------------------------
2 m9 1001
m10 1010
m12 1100
--------------------------------------------
3 m11 1011
m14 1110
--------------------------------------------
4 m15 1111
现在你可以开始把极小项同其他极小项组合在一起。如果两个项不同只是一个单一的数字,则可以这个数字替代为一个横杠,来指示这个数字无关紧要。不再组合的项标记上 "*"。
1的数目 极小项 0-立方 | 大小为2的蕴涵项 | 大小为4的蕴涵项
------------------------------|-------------------|----------------------
1 m4 0100 | m(4,12) -100* | m(8,9,10,11) 10--*
m8 1000 | m(8,9) 100- | m(8,10,12,14) 1--0*
------------------------------| m(8,10) 10-0 |----------------------
2 m9 1001 | m(8,12) 1-00 | m(10,11,14,15) 1-1-*
m10 1010 |-------------------|
m12 1100 | m(9,11) 10-1 |
------------------------------| m(10,11) 101- |
3 m11 1011 | m(10,14) 1-10 |
m14 1110 | m(12,14) 11-0 |
------------------------------|-------------------|
4 m15 1111 | m(11,15) 1-11 |
| m(14,15) 111- |
第二步找到本质素蕴涵项
没有项可以继续进一步这样组合,所以现在我们构造一个本质素蕴涵项表。纵向是刚才生成的素蕴涵项,横向是早先指定的极小项。
| 4 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 14 | 15 | |
| m(4,12)* | X | X | ||||||
| m(8,9,10,11) | X | X | X | X | ||||
| m(8,10,12,14) | X | X | X | X | ||||
| m(10,11,14,15)* | X | X | X | X |
这里的每个本质素蕴涵项都标记了星号 - 第二个素蕴涵项不能被第三个和第四个所覆盖,而第三个素蕴涵不能被第二个和第一个所覆盖,因此都不是本质的。如果一个素蕴涵项是本质的,则同希望的一样,它必须包含在最小化的布尔等式中。在某些情况下,本质素蕴涵形不能覆盖所有的极小项,此时可采用额外的简约过程。最简单的“额外过程”是反复试验,而更系统的方式是Petrick方法。在当前这个例子中,本质素蕴涵项不能处理所有的极小项,你可以组合这两个本质素蕴涵项于两个非素蕴涵项中的一个而生成:
最终的等式在功能上等价于最初的(冗长)等式:

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