12.1 Комбинационные схемы. Мультиплексоры. Назначение. Структура. Каскадирование мультиплексоров. Мультиплексирование шин..

Мультиплексор - коммутатор цифровых сигналов. Мультиплексор представляет собой комбинационное устройство с m информационными, n управляющими входами и одним выходом. Функционально  мультиплексор состоит из m элементов конъюнкции, выходы которых объединены дизъюнктивно с помощью элемента ИЛИ с m входами. На одни входы всех элементов конъюнкции подаются информационные сигналы, а другие входы этих элементов соединены с соответствующими выходами дешифратора с n входами.

Функциональная схема мультиплексора приведена на рис.2.13.               Из рис. 2.13. следует, что мультиплексор содержит дешифратор на соответствующее число выходов (число выходов дешифратора определяется числом информационных входов мультиплексора), элементы конъюнкции на два или на три входа каждый и элемент дизъюнкции с числом входов, равным количеству информационных линий D0 . . . Dm. Число входов элементов И может быть равным только двум, однако, во многих случаях возникает необходимость стробирования выходного сигнала мультиплексора импульсами независимого источника. В таких случаях в структуре мультиплексора используются элементы И с тремя входами. Одни из входов всех элементов конъюнкции, в последнем случае, объединяются, и по этой линии подается сигнал разрешения работы мультиплексора (стробирующий сигнал). Наличие дополнительного управляющего входа расширяет функциональные возможности мультиплексора и позволяет проще реализовать методы борьбы с гонками.                На рис. 2.14 показано обозначение мультиплексора на принципиальных и функциональных электрических схемах.    Из уравнения мультиплексора видно, что на его выход будет передаваться сигнал только с одного входа, номер которого совпадает с числом, соответствующим кодовой комбинации Х1 и Х2. Если Х1=Х2=0, на выход мультиплексора будет передаваться сигнал с входа D0. Когда на адресных (управляющих) входах Х1=1 и Х2=0, то на выход будет передаваться сигнал с входа D1 и т.д.

На базе мультиплексоров можно построить различные комбинационные устройства с минимальным числом дополнительных элементов логики. Следует отметить, что мультиплексоры хотя, и  предназначены для коммутации цифровых сигналов, но с помощью мультиплексоров, изготовленных по КМОП технологии, можно коммутировать и аналоговые сигналы.

Мультиплексирование при большом числе входов можно выполнить пирамидальным каскадированием мультиплексоров, как это показано на рис. 4.14. На рисунке показано каскадирование мультиплексоров «из 4 в 1» для реализации функции мультиплексирования «из 16 в 1».

Рис. 4.14.Пирамидальное каскадирование мультиплексоров.

Мультиплексоры первого уровня управляются адресными сигналами А₀ и А₁, а мультиплексоры второго – адресными сигналами А₂ и А₃. Каждый из мультиплексоров первого уровня выбирает один из четырех разрядов D_j. Первый мультиплексор выбирает один из разрядов D₀ – D₃, второй мультиплексор – один из разрядов D₄ – D₇ и т.д. Выходы с мультиплексоров первого уровня объединяются в мультиплексоре второго уровня, который осуществляет окончательную коммутацию и формирование выходного сигнала F.

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование   шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса / данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительногоцикла обмена (рис. 2.1). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.

Рис. 2.1. Мультиплексирование шин адреса и данных.

В некоторых мультиплексированных магистралях после одного кода адреса передается несколько кодов данных (массив данных). Это позволяет существенно повысить быстродействие магистрали. Иногда в магистралях применяется частичноемультиплексирование, то есть часть разрядов данных передается по немультиплексированным линиям, а другая часть — помультиплексированным с адресом линиям.