A Performance Evaluation of Circuit Minimization Algorithms for Mentorship Education of Informatics Gifted Secondary Students

This paper devises a performance improvement and evaluation process of circuit minimization algorithms for mentorship education of distinguished informatics gifted secondary students. In the process, students learn that there are several alternative equivalent circuits for a target function and recognize the necessity for formalized circuit minimization methods. Firstly, they come at the concept of circuit minimization principle from Karnaugh Map which is a manual methodology. Secondly, they explore Quine-McCluskey algorithm which is a computational methodology. Quine-McCluskey algorithm's time complexity is high because it uses set operations. To improve the performance of Quine-McCluskey algorithm, we encourage them to adopt a bit-wise data structure instead of integer array for sets. They will eventually see that the performance achievement is about 36%. The ultimate goal of the process is to enlarge gifted students' interest and integrated knowledge about computer science encompassing electronic switches, logic gates, logic circuits, programming languages, data structures and algorithms.

중등 정보과학 영재 사사 교육을 위한 회로 최소화 알고리즘 성능 평가

이 연구에서는 중등 심화 과정을 마치고 사사 과정에 진입한 최우수 정보과학 영재 교육을 위한 회로 최소화 알고리즘의 성능 개선 및 평가 과정을 보인다. 이 과정에서 학생들은 원하는 목표 기능을 얻기 위한 논리 회로는 꼭 한 가지가 아니고 다양하게 구성할 수 있다는 점과 이들 중 가장 간단한 회로를 찾을 수 있는 방법의 필요성을 인식하게 된다. 수작업으로 이루어지는 까르노 맵에서 회로 최소화를 위한 기본 원리를 터득하고, 그 과정을 소프트웨어로 수행하는 Quine-McCluskey 알고리즘을 탐구한다. Quine-McCluskey 알고리즘은 기본적으로 집합 연산의 반복에 의해 중복성을 도출하고 축약하는 과정을 반복한다. 집합 연산은 두 집합을 구성하는 원소들에 대한 비교 연산으로 이루어지므로 복잡도가 높다. 이를 해결하는 방법으로 원소 나열식 집합을 비트 정보로 표현하는 방안을 모색하고, 그 결과 약 36%의 성능 향상이 이루어짐을 보게 된다. 이 과정의 궁극적 목표는 영재 학생들이 전자 스위치, 논리 게이트, 논리 회로, 프로그래밍 언어, 데이터 구조, 알고리즘 등을 포괄하는 컴퓨터과학 학문에 대한 흥미와 지식 통합적 안목을 기르는 데 있다.