1. Полусумматоры и сумматоры

1.1. Классификация сумматоров

В настоящее время получили распространение схемы, в которых выходной сигнал формируется непосредственно в цифровой форме. Затем этот сигнал преобразуется в аналоговую форму при помощи цифроаналогового преобразователя. В составе этих микросхем широко используются сумматоры, умножители и цифровые фильтры.

Наиболее распространенной операцией в устройствах обработки цифровой информации является суммирование, т. е. арифметическое сложение двух чисел, имеющих одинаковое число разрядов. Операция сложения выполняется в соответствии с правилами арифметики, используемой в данном конкретном случае системы счисления.

Сумматором называют функциональный узел, выполняющий сложение одно- или многоразрядных двоичных чисел в соответствии с правилами двоичного сложения.

Многоразрядные сумматоры строятся на основе одноразрядных.

Сумматоры выполняют арифметическую операцию сложения двух чисел. Они имеют как самостоятельное значение, так и являются составной частью арифметическо-логических устройств (АЛУ), реализующих ряд разнообразных операций и являющихся непременной частью всех процессоров.

При организации различных вычислительных процессов суммированию отводится главная роль, оно является основной операцией. Например, вычитание – это суммирование с использованием ДК или ОК, умножение сводится к сдвигу и сложению (суммированию) двоичных чисел.

Следует отметить, что сумматоры являются логическими устройствами, функционируют по законам алгебры логики, но выполняют операцию арифметического, а не логического сложения.

В соответствии с определением, сумматор суммирует два числа. Выходной сигнал зависит только от двух входных сигналов, действующих на входе в текущий момент. Следовательно, сумматор является комбинационным устройством. Однако, некоторые сумматоры, например, накапливающий сумматор и другие, содержат в своем составе элементы памяти.

По числу выводов различают:

- полусумматоры;

- одноразрядные сумматоры;

- многоразрядные сумматоры.

Полусумматор имеет два входа и два выхода, предназначен для сложения двух одноразрядных слов и формирует на своих выходах сигнал суммы и сигнал переноса в старший разряд.

Одноразрядный сумматор имеет три входа и два выхода, предназначен для сложения двух одноразрядных слов и сигнала переноса из младшего разряда., формирует сигнал выхода и сигнал переноса в старший разряд.

Многоразрядный сумматор предназначен для сложения многоразрядных слов.

В настоящее время выпускают микросхемы одно-, двух- и четырехразрядные сумматоры. Маркировку микросхем – сумматоров можно определить по буквам ИМ – функциональное назначение, например, К555ИМ6 – четырехразрядный полный двоичный сумматор. На принципиальных схемах сумматоры обозначают буквами SM.

В зависимости от способа обработки чисел различают многоразрядные сумматоры:

- последовательного;

- параллельного;

- последовательно-параллельного действия.

В последовательных сумматорах сложение чисел осуществляется поразрядно, последовательно во времени.

В параллельных сумматорах действия сложение всех разрядов многоразрядных чисел происходит одновременно.

По способу тактирования различают сумматоры:

- синхронные;

- асинхронные.

В синхронных сумматорах операция сложения осуществляется по тактовым импульсам, и время ее проведения не зависит от длины разрядов кодов, остается постоянным.

В асинхронных сумматорах время выполнения операции зависит от длины входных кодов и поэтому необходимо формировать признак окончания операции.

В зависимости от используемой системы счисления различают сумматоры:

- двоичные;

- двоично-десятичные и др.

Аппаратная сложность и быстродействие сумматора являются очень важными параметрами и поэтому разработано множество вариантов сумматоров, которые имеют разветвленную классификацию. В виду особой важности на основе различных алгоритмов синтеза разработано большое количество разнообразных схем сумматоров:

- одноразрядный сумматор;

- сумматор для последовательных операндов;

- сумматор для параллельных операндов с последовательным переносом;

- сумматор для параллельных операндов с параллельным переносом;

- сумматор с последовательным распространением переноса по цепочке замкнутых ключей;

- сумматор групповой структуры с цепным переносом;

- сумматор групповой структуры с параллельным межгрупповым переносом;

- сумматор с условным переносом;

- накапливающий сумматор.

Наряду с сумматорами могут быть реализованы вычитатели, однако это почти никогда не делается, поскольку вычитание выполняется посредством сложения с применением ДК либо ОК.

Кроме параметров, определяющих условия эксплуатации сумматоров как микросхем, используют следующие параметры, необходимые при решении задачи синтеза электрических схем устройства обработки цифровой информации на основе сумматоров:

- разрядность;

- способ суммирования двоичных чисел (последовательный или параллельный);

- тип входной логики сумматора по входу и по входу ;

- наличие и организация входов управления;

- способ организации цепи переноса;

- тип выходной логики;

- быстродействие (время задержки сигнала и переноса);

- потребляемый ток питания;

- особенности монтажа при увеличении разрядности сумматора.

Подробно вопросы двоичной арифметики будут освещены в лекции № 22. Рассмотрим наиболее характерные схемы построения сумматоров.