Синтез комбинационных цифровых устройств Типовые комбинационные цифровые устройства. Шифраторы (кодеры) и дешифраторы (декодеры) Аналоговый коммутатор с цифровым управлением Мультиплексоры — демультиплексоры Преобразователи кодов Цифровые компараторы (компараторы кодов) Сумматоры

Тема 7. Комбинационные цифровые устройства

Устройство называют комбинационным, если его выходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени. Комбинационные цифровые устройства (КЦУ) не содержат элементов памяти. Простейшим КЦУ является конъюнктор.

Синтез комбинационных цифровых устройств

В процессе проектирования любого устройства приходится выполнять ряд действий, которые могут быть отнесены к задачам синтеза. Синтез КЦУ предусматривает построение структурной схемы устройства, т. е. определение состава необходимых логических элементов и соединения между ними, при которых обеспечивается преобразование входных цифровых сигналов в выходные в соответствии с заданными условиями работы устройства. В процессе синтеза обычно подразумевается необходимость минимизации затрат на реализацию устройства. Рассмотрим поэтапный синтез КЦУ с одним выходом. Этап 1. Запись условий функционирования КЦУ. Как отмечалось ранее, эти условия могут быть заданы словесно, с помощью таблиц истинности или булевых выражений. Например, требуется синтезировать на элементах И — НЕ КЦУ на три входа, выходной сигнал которого совпадает с большинством входных сигналов (мажоритарный элемент). Это словесное описание условий функционирования требуемого КЦУ. Ему соответствует таблица истинности:

Этап 2. Запись и минимизация булева выражения обычно производится на основе таблиц истинности. Если условия на этапе 1 заданны словесно, то на их основе предварительно составляется таблица истинности. Если булево выражение уже имеется на этапе 1, то выполняется его минимизация. В процессе минимизации широко используется преобразования с помощью соотношения булевой алгебры.  По таблице истинности записываем булево выражение (логическую функцию): y=x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁  Минимизацию логической функции осуществим с использованием основных теорем алгебры логики. Добавим к данной функции два слагаемых, которое уже есть в данной функции, используя правило: х + х + х = х.  y=x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁+x₃•x₂•x₁ Применим метод склеивания: х₁ • x₂ + x₁•x₂ = x₂ y = x₂•x₁ + x₃•x₁ + x₃•x₂ В результате получили упрощённое минимизированное выражение. Этап 3. Запись минимизированной структурной формулы в заданном базисе. Так как реализация КЦУ на ИС предусматривает широкое использование элементов И — НЕ, ИЛИ — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, то часто возникает необходимость соответствующих преобразований структурных формул с учётом заданной элементной базы. Для перехода к заданному базису И — НЕ поставим два знака инверсии над правой частью формулы и применим к ней правило де Моргана. В результате получим структурную формулу в следующем виде:   Этап 4. составления структурной схемы, т. е. изображения нужных логических элементов и связей между ними. Структурная схема синтезированного КЦУ приведена на рисунке:

Типовые комбинационные цифровые устройства.

При построении сложных устройств широко применяются не только отдельные логические элементы, реализующие элементарные булевы функции, но и их комбинации в виде типовых структур, выполняемых как единое целое в виде интегральных микросхем. На входе таких структур могут подаваться информационные логические сигналы и сигналы управления. Последние могут определять, например, порядок передачи информационных входных сигналов на выход или играть роль сигналов синхронизации. Во многих случаях, особенно при использовании в устройствах выходных цепей с тремя состояниями, в качестве сигналов синхронизации выступают сигналы " Выбор микросхемы" (CS). Наличие активного значения такого сигнала управления (в одних микросхемах это логический нуль, в других — логическая единица) разрешает устройству выполнение заданных функций, отсутствие его переводит схему в " невыбранное" состояние, при котором она обрабатывает информацию, а её выходы отключены от нагрузки. Внутренняя структура КЦУ часто приводится в справочниках. Для разработчика важно знать таблицу истинности, принцип преобразования входных сигналов в выходные.