3.3 Основные типы комбинационных узлов
Как уже было сказано выше, устройствами комбинационного типа называются устройства, состояние выходов которых однозначно определяется состоянием входов в настоящий момент времени. К ним относят преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и др.
3.3.1 Преобразователи кодов
В цифровой схемотехники для представления информации используются разнообразные двоичные и двоично-десятичные коды: прямой, обратный, дополнительный, «с избытком 3» и др. В одном цифровом устройстве для выполнения определенных функций может использоваться несколько кодов. Для того чтобы блоки устройства, работающие с различными кодами, могли обмениваться между собой информацией между ними и располагают преобразователи кодов. Преобразователи кодов не описываются каким-либо простым правилом, поэтому единственной практически приемлемой формой задания преобразователя становится таблица, так как таблица воплощает в себе идею полного перебора вариантов входных и выходных сигналов и поэтому способна задавать абсолютно любой закон.
К построению преобразователя кодов можно подойти с двух позиций. При первом подходе преобразователь реализуется как система булевых функций группы аргументов и простейшим способом построения схемы является синтез обычными методами нужного количества одновыходных функций. Для получения более оптимального решения выявляют общие логические фрагменты, входящие в формулы нескольких выходов, и эти фрагменты реализуются лишь один раз, т.е. проводится совместная минимизация нескольких функций.
При втором подходе к построению преобразователя кодов он трактуется как пара декодер-кодер. Число входов дешифратора равно числу входов преобразователя, число выходов шифратора - числу выходов преобразователя. Часть выходов декодера и входов кодера могут не использоваться. Если нескольким входным комбинациям соответствует одна и та же выходная, то соответствующие выходы декодера объединяют на элементе ИЛИ и его выход соединяют с нужным входом кодера. Эффективно стыкуются друг с другом декодер и кодер построенные на элементах ИЛИ-НЕ: первый имеет инверсный выход, а второй - инверсный вход. В качестве кодера можно использовать приоритетный шифратор.
3.3.2 Шифраторы и дешифраторы
Одним из основных видов преобразования информации в цифровых системах являются шифрация и дешифрация. Шифрацией называется преобразование m-разрядного двоичного кода, имеющегоkmбезразличных наборов входных переменных, в однозначно соответствующий емуn-разрядный код, имеющий меньшее число разрядовn<mи безразличных наборовkn<km.
Рис 3.2. Шифратор
Обратное преобразование, т.е. восстановление информации в первоначальном m-разрядном коде сkmизбыточными комбинациями, называется дешифрацией. Функциональные узлы для выполнения этих операций называются шифраторами (рис 3.2) и дешифраторами (рис 3.3).
Рис 3.3. Дешифратор
Классический шифратор имеет mвходов иnвыходов, и при подаче сигнала на один из входов на выходе узла появляется двоичный код номера возбужденного выхода. Число входов и выходов такого шифратора связано соотношениемm=2n
Совместно с шифратором в состав схем может входить схема выделения старшей единицы, преобразующая m-разрядное слово следующим образом: все старшие нули и самая старшая единица входного кода пропускаются на выход без изменения, а все разряды, более младшие, чем старшая единица, заменяются нулями. Если к выходу схемы выделения старшей единицы подключить шифратор, то получиться функциональный узел приоритетного шифратора, формирующий в двоичном коде номер самой старшей единицы из всех присутствующих во входном слове.
Дешифратор имеет nвходов иmвыходов и еслиm=2n, то дешифратор называют полным и он использует все возможные наборы входных переменных. Входы дешифратора часто нумеруют не порядковыми номерами, а в соответствии с весами двоичных разрядов. Число входов и выходов дешифратора указывают таким образом: дешифратор 3-8, дешифратор 4-16, дешифратор 4-10.
Дешифраторы часто имеют разрешающий (управляющий, стробирующий) вход Е. При Е=1 дешифратор работает как обычно, при Е=0 на всех выходах устанавливаются неактивные уровни независимо от поступившего кода адреса. Вход Е часто выполняют инверсным. Сигнал Е может воздействовать непосредственно на все дешифрирующие элементы или только на одну входную переменную. Первый способ увеличивает на единицу число входов дешифрирующих элементов, но не вносит дополнительной задержки. Второй способ более экономичен по оборудованию, но увеличивает задержку дешифратора.
В зависимости от способа построения дешифраторы могут быть линейного, прямоугольного или пирамидального вида.
В линейных дешифраторах каждая функция Y реализуется одним логическим элементом (рис 3.4). Отсюда быстродействие линейного дешифратора определяется задержкой только входных инверторов и логического элемента. В тех случаях когда разрядность дешифрируемого кода М превышает число входов m схемы И-НЕ, прямая реализация линейного дешифратора оказывается невозможной. Можно в принципе организовать схему на любое количество входов путем каскадного соединения схем И-НЕ, однако такой дешифратор не экономичен.
Рис 3.4. Линейный дешифратор
В отличии от линейных прямоугольные дешифраторы в простейшем случае являются двухступенчатыми, в общем - многоступенчатыми. Схема двухступенчатого дешифратора, реализующего переключательные функции, показана на рис 3.5.
Рис 3.5. Прямоугольный дешифратор
Двухступенчатый дешифратор содержит на первой ступени два линейных дешифратора (ЛД1 и ЛД2), на каждом из которых дешифрируется часть кода. Вторая ступень выполнена в виде сетки с элементами И-НЕ в узлах. При любой комбинации значений входных переменных оказываются выбранными один столбец и одна строка сетки. В результате каждый входной набор возбуждает выход единственного соответствующего ему элемента И-НЕ.
Пирамидальные дешифраторы - многоступенчатые, особенность которых заключается в том, что их реализация осуществляется на основе применения во всех ступенях только двухвходовых вентилей с коэффициентом разветвления равным двум (рис 3.6) Число ступеней К в таком дешифраторе на единицу меньше разрядности входного кода.
Рис 3.6. Пирамидальный дешифратор
На первой ступени дешифрируется два разряда входного кода (X1,X2), на следующей ступени добавляется еще один разряд (Х3), который дешифрируется совместно с выходами первой ступени, на третьей добавляется четвертый разряд (Х4), дешифрируемый совместно с выходами второй ступени.