Un circuito booleano en TCS es básicamente un DAG que consiste en compuertas And, Or, Not, y por lo que se conoce como "integridad funcional", pueden calcular todas las funciones posibles. Por ejemplo, este es el principio básico en una ALU .

Desafío: cree un circuito para determinar si un número de 8 dígitos binarios es divisible por 3 y de alguna manera visualice su resultado (es decir, en algún tipo de imagen)

El criterio de evaluación para los votantes se basa en si el código para generar el circuito se generaliza bien a números de tamaño arbitrario, y si la visualización creada algorítmicamente es compacta / equilibrada pero aún legible por humanos (es decir, no se permite la visualización a mano). es decir, la visualización es solo para n = 8, pero el código idealmente funcionará para todos 'n'. la entrada ganadora es la mejor votada.

Pregunta algo similar: construir una máquina multiplicadora usando puertas lógicas NAND

El gráfico mantiene 3 booleanos en cada nivel i. Representan el hecho de que los bits de orden superior i del número son iguales a 0, 1 o 2 mod 3. En cada nivel calculamos los siguientes tres bits en función de los tres bits anteriores y el siguiente bit de entrada.

Aquí está el código de Python que generó el gráfico. Simplemente cambie N para obtener un número diferente de bits, o K para obtener un módulo diferente. Ejecute la salida del programa python a través de punto para generar la imagen.

N = 8
K = 3
v = ['0']*(K-1) + ['1']
ops = {}

ops['0'] = ['0']
ops['1'] = ['1']
v = ['0']*(K-1) + ['1']
for i in xrange(N):
  ops['bit%d'%i] = ['bit%d'%i]
  ops['not%d'%i] = ['not','bit%d'%i]
  for j in xrange(K):
    ops['a%d_%d'%(i,j)] = ['and','not%d'%i,v[(2*j)%K]]
    ops['b%d_%d'%(i,j)] = ['and','bit%d'%i,v[(2*j+1)%K]]
    ops['o%d_%d'%(i,j)] = ['or','a%d_%d'%(i,j),'b%d_%d'%(i,j)]
  v = ['o%d_%d'%(i,j) for j in xrange(K)]

for i in xrange(4):
  for n,op in ops.items():
    for j,a in enumerate(op[1:]):
      if ops[a][0]=='and' and ops[a][1]=='0': op[j+1]='0'
      if ops[a][0]=='and' and ops[a][2]=='0': op[j+1]='0'
      if ops[a][0]=='and' and ops[a][1]=='1': op[j+1]=ops[a][2]
      if ops[a][0]=='and' and ops[a][2]=='1': op[j+1]=ops[a][1]
      if ops[a][0]=='or' and ops[a][1]=='0': op[j+1]=ops[a][2]
      if ops[a][0]=='or' and ops[a][2]=='0': op[j+1]=ops[a][1]

for i in xrange(4):
  used = set(['o%d_0'%(N-1)])|set(a for n,op in ops.items() for a in op[1:])
  for n,op in ops.items():
    if n not in used: del ops[n]

print 'digraph {'
for n,op in ops.items():
  if op[0]=='and': print '%s [shape=invhouse]' % n
  if op[0]=='or': print '%s [shape=circle]' % n
  if op[0]=='not': print '%s [shape=invtriangle]' % n
  if op[0].startswith('bit'): print '%s [color=red]' % n
  print '%s [label=%s]' % (n,op[0])
  for a in op[1:]: print '%s -> %s' % (a,n)
print '}'

Profundidad: 7 (logarítmica), 18x AND, 6x OR, 7x XOR, 31 puertas (lineal)

Permítanme calcular la suma de dígitos en la base cuatro, módulo tres:

_{circuito dibujado en Logisim}

Generalización, formalmente (con suerte algo legible):

balance (l, h) = {
  is1: l & not h,
  is2: h & not l,
}

add (a, b) = 
  let aa = balance (a.l, a.h)
      bb = balance (b.l, b.h)
  in  { l:(a.is2 & b.is2) | (a.is1 ^ b.is1),
        h:(a.is1 & b.is1) | (a.is2 ^ b.is2)}

pairs [] = []
pairs [a] = [{h:0, l:a}]
pairs [rest.., a, b] = [pairs(rest..).., {h:a, l:b}]

mod3 [p] = p
mod3 [rest.., p1, p2] = [add(p1, p2), rest..]

divisible3 number =
  let {l: l, h: h} = mod3 $ pairs number
  in  l == h

ahora en ingles:

Si bien hay más de dos bits en el número, tome los dos pares de bits más bajos y sume el módulo 3, luego agregue el resultado al final del número, luego regrese si el último par es cero módulo 3. Si hay un número impar número de bits en el número, agregue un bit cero adicional en la parte superior, luego pula con propagación de valor constante.

Agregar al reverso en lugar de al frente asegura que el árbol de adición sea un árbol equilibrado en lugar de una lista vinculada. Esto, a su vez, asegura una profundidad logarítmica en el número de bits: cinco puertas y tres niveles para la cancelación de pares, y una puerta adicional al final.

Por supuesto, si se desea una planaridad aproximada, pase el par superior sin modificar a la siguiente capa en lugar de envolverlo al frente. Sin embargo, esto es más fácil decirlo que implementarlo (incluso en pseudocódigo). Si el número de bits en un número es una potencia de dos (como es cierto en cualquier sistema informático moderno a partir de marzo de 2014), sin embargo, no se producirán pares solitarios.

Si el diagrama conserva la localidad / realiza la minimización de la longitud de la ruta, debe mantener el circuito legible.

Este código Ruby generará un diagrama de circuito para cualquier número de bits (incluso uno). Para imprimir, abra en Logisim y exporte como imagen:

require "nokogiri"

Port = Struct.new :x, :y, :out
Gate = Struct.new :x, :y, :name, :attrs
Wire = Struct.new :sx, :sy, :tx, :ty

puts "Please choose the number of bits: "
bits = gets.to_i

$ports = (1..bits).map {|x| Port.new 60*x, 40, false};
$wires = [];
$gates = [];

toMerge = $ports.reverse;

def balance a, b
y = [a.y, b.y].max
$wires.push Wire.new(a.x   , a.y , a.x   , y+20),
          Wire.new(a.x   , y+20, a.x   , y+40),
          Wire.new(a.x   , y+20, b.x-20, y+20),
          Wire.new(b.x-20, y+20, b.x-20, y+30),
          Wire.new(b.x   , b.y , b.x   , y+10),
          Wire.new(b.x   , y+10, b.x   , y+40),
          Wire.new(b.x   , y+10, a.x+20, y+10),
          Wire.new(a.x+20, y+10, a.x+20, y+30)
$gates.push Gate.new(a.x+10, y+70, "AND Gate", negate1: true),
          Gate.new(b.x-10, y+70, "AND Gate", negate0: true)
end

def sum (a, b, c, d)
y = [a.y, b.y, c.y, d.y].max
$wires.push Wire.new(a.x   , a.y , a.x   , y+40),
          Wire.new(a.x   , y+40, a.x   , y+50),
          Wire.new(a.x   , y+40, c.x-20, y+40),
          Wire.new(c.x-20, y+40, c.x-20, y+50),
          Wire.new(b.x   , b.y , b.x   , y+30),
          Wire.new(b.x   , y+30, b.x   , y+50),
          Wire.new(b.x   , y+30, d.x-20, y+30),
          Wire.new(d.x-20, y+30, d.x-20, y+50),
          Wire.new(c.x   , c.y , c.x   , y+20),
          Wire.new(c.x   , y+20, c.x   , y+50),
          Wire.new(c.x   , y+20, a.x+20, y+20),
          Wire.new(a.x+20, y+20, a.x+20, y+50),
          Wire.new(d.x   , d.y , d.x   , y+10),
          Wire.new(d.x   , y+10, d.x   , y+50),
          Wire.new(d.x   , y+10, b.x+20, y+10),
          Wire.new(b.x+20, y+10, b.x+20, y+50)
$gates.push Gate.new(a.x+10, y+90, "XOR Gate"),
          Gate.new(b.x+10, y+80, "AND Gate"),
          Gate.new(c.x-10, y+80, "AND Gate"),
          Gate.new(d.x-10, y+90, "XOR Gate")
$wires.push Wire.new(a.x+10, y+90, a.x+10, y+100),
          Wire.new(b.x+10, y+80, b.x+10, y+90 ),
          Wire.new(b.x+10, y+90, a.x+30, y+90 ),
          Wire.new(a.x+30, y+90, a.x+30, y+100),
          Wire.new(d.x-10, y+90, d.x-10, y+100),
          Wire.new(c.x-10, y+80, c.x-10, y+90 ),
          Wire.new(c.x-10, y+90, d.x-30, y+90 ),
          Wire.new(d.x-30, y+90, d.x-30, y+100)
$gates.push Gate.new(d.x-20, y+130, "OR Gate"),
          Gate.new(a.x+20, y+130, "OR Gate")
end

def sum3 (b, c, d)
y = [b.y, c.y, d.y].max
$wires.push Wire.new(b.x   , b.y , b.x   , y+20),
          Wire.new(b.x   , y+20, b.x   , y+30),
          Wire.new(b.x   , y+20, d.x-20, y+20),
          Wire.new(d.x-20, y+20, d.x-20, y+30),
          Wire.new(c.x   , c.y , c.x   , y+60),
          Wire.new(c.x   , y+60, b.x+30, y+60),
          Wire.new(b.x+30, y+60, b.x+30, y+70),
          Wire.new(d.x   , d.y , d.x   , y+10),
          Wire.new(d.x   , y+10, d.x   , y+30),
          Wire.new(d.x   , y+10, b.x+20, y+10),
          Wire.new(b.x+20, y+10, b.x+20, y+30),
          Wire.new(b.x+10, y+60, b.x+10, y+70)
$gates.push Gate.new(b.x+10, y+60 , "AND Gate"),
          Gate.new(d.x-10, y+70 , "XOR Gate"),
          Gate.new(b.x+20, y+100, "OR Gate" )
end

while toMerge.count > 2  
puts "#{toMerge.count} left to merge"
nextToMerge = []
while toMerge.count > 3
 puts "merging four"
 d, c, b, a, *toMerge = toMerge
 balance a, b
 balance c, d
 sum *$gates[-4..-1]
 nextToMerge.push *$gates[-2..-1] 
end
if toMerge.count == 3
 puts "merging three"
 c, b, a, *toMerge = toMerge
 balance b, c
 sum3 a, *$gates[-2..-1]
 nextToMerge.push *$gates[-2..-1]
end
nextToMerge.push *toMerge
toMerge = nextToMerge
puts "layer done"
end

if toMerge.count == 2
b, a = toMerge
x = (a.x + b.x)/2
x -= x % 10
y = [a.y, b.y].max
$wires.push Wire.new(a.x , a.y , a.x , y+10),
          Wire.new(a.x , y+10, x-10, y+10),
          Wire.new(x-10, y+10, x-10, y+20),
          Wire.new(b.x , b.y , b.x , y+10),
          Wire.new(b.x , y+10, x+10, y+10),
          Wire.new(x+10, y+10, x+10, y+20)
$gates.push Gate.new(x, y+70, "XNOR Gate")
toMerge = [$gates[-1]]
end

a = toMerge[0]
$wires.push Wire.new(a.x, a.y, a.x, a.y+10)
$ports.push Port.new(a.x, a.y+10, true)

def xy (x, y)
"(#{x},#{y})"
end
circ = Nokogiri::XML::Builder.new encoding: "UTF-8" do |xml|
xml.project version: "1.0" do
xml.lib name: "0", desc: "#Base"
xml.lib name: "1", desc: "#Wiring"
xml.lib name: "2", desc: "#Gates"
xml.options
xml.mappings
xml.toolbar do
  xml.tool lib:'0', name: "Poke Tool"
  xml.tool lib:'0', name: "Edit Tool"
end #toolbar
xml.main name: "main"
xml.circuit name: "main" do
  $wires.each do |wire|
    xml.wire from: xy(wire.sx, wire.sy), to: xy(wire.tx, wire.ty)
  end #each 
  $gates.each do |gate|
    xml.comp lib: "2", name: gate.name, loc: xy(gate.x, gate.y) do
      xml.a name: "facing", val: "south"
      xml.a name: "size", val: "30"
      xml.a name: "inputs", val: "2"
      if gate.attrs
        gate.attrs.each do |name, value|
          xml.a name: name, val: value 
        end #each
      end #if
    end #comp
  end #each
  $ports.each.with_index do |port, index|
    xml.comp lib: "1", name: "Pin", loc: xy(port.x, port.y) do
      xml.a name: "tristate", val: "false"
      xml.a name: "output",   val: port.out.to_s
      xml.a name: "facing",   val: port.out ? "north" : "south"
      xml.a name: "labelloc", val: port.out ? "south" : "north"
      xml.a name: "label",    val: port.out ? "out" : "B#{index}"
    end #port
  end #each
end #circuit
end #project
end #builder

File.open "divisibility3.circ", ?w do |file|
file << circ.to_xml
end

puts "done"

finalmente, cuando se me pide que cree una salida para 32 bits, mi layouter genera esto. Es cierto que no es muy compacto para entradas muy anchas:

2 × 24 NOT, 2 × 10 + 5 AND, 2 × 2 + 5 OR, 2 × 2 NOR

Esto no se escala totalmente. No me gusta en absoluto. Quizás intente mejorarlo.

Probé esto para números hasta el 30 y funcionó bien.

Esos 2 grandes circuitos cuentan el número de entradas activas:

• El superior derecho cuenta el número de bits con una potencia par (cero a 4)
• El inferior izquierdo cuenta el número de bits con una potencia impar (cero a 4)

Si la diferencia de esos números es 0o 3el número es divisible por 3. El circuito inferior derecha básicamente mapea cada combinación válida ( 4,4, 4,1, 3,3, 3,0, 2, 2, 1, 1, 0, 0) en una o.

El pequeño círculo en el medio es un LED que está encendido si el número es divisible por 3 y apagado de lo contrario.