3.2.2 Синтез электрической схемы.

При синтезе электрической схемы КУ используются два основных способа: библиотечный и компонентный.

Синтез электрической схемы при библиотечной реализации осуществляется путем замены элементов в полученной логической схеме их схемотехническими эквивалентами из имеющейся у проектировщика библиотеки или каталога. В этом случае составления электрической схемы ведется из готовых схемных фрагментов и для каждого варианта логической схемы формируется соответствующий вариант ее схемотехнической реализации.

При компонентной реализации синтезируется оригинальная электрическая схема всего проектируемого узла или элементов, входящих в состав. В результате для каждого полученного варианта МДНФ создается несколько вариантов реализующих ее электрических схем.

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.

3.3.1Преобразователи кодов

Вцифровой 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.

Кпостроению 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

43

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, имеющего km безразличных наборов входных переменных, в однозначно соответствующий ему n- разрядный код, имеющий меньшее число разрядов n<m и безразличных наборов kn<km.

Рис 3.2. Шифратор

Обратное преобразование, т.е. восстановление информации в первоначальном m-разрядном коде с km избыточными комбинациями, называется дешифрацией. Функциональные узлы для выполнения этих операций называются шифраторами (рис 3.2) и дешифраторами

(рис 3.3).

Рис 3.3. Дешифратор

44

Классический шифратор имеет m входов и n выходов, и при подаче сигнала на один из входов на выходе узла появляется двоичный код номера возбужденного выхода. Число входов и выходов такого шифратора связано соотношением m=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 n входов и m выходов и если m=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.

Взависимости от способа построения дешифраторы могут быть линейного, прямоугольного или пирамидального вида.

Влинейных 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

Мпревышает 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.

45

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.

3.3.3 Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексором называется функциональный узел, обеспечивающий передачу информации, поступающей по нескольким входным линиям связи, на одну выходную линию (рис. 3.7). При наличии n адресных входов можно реализовать М=2n комбинаций адресных сигналов, каждая из которых обеспечивает выбор одной из М входных линий. Вход Е - разрешающий: при Е=1 мультиплексор работает как обычно, при Е=0 выход узла находится в

47

неактивном состоянии, мультиплексор заперт. Входы D0 - D3 информационные входы, А1 и А2 - адресные.

Рис.3.7. Условное обозначение мультиплексора

В общем виде выходная функция мультиплексора "из М в 1" записывается в виде:

M

F= ∑Di mi ,

i=1

Выбор той или иной входной линии осуществляется в соответствии с поступающим адресным кодом.

Один из способов увеличения числа коммутируемых каналов в схемах построенных на мультиплексорах со стробированием показан на рис 3.8. Приведенная схема представляет собой мультиплексор из 16 в 1.

Рис 3.8. Мультиплексор со стробированием

48

Второй способ увеличения числа коммутируемых каналов показан на рис 3.9. Вместо элемента И-НЕ на выходе используется дополнительный мультиплексор, производящий выбор одного из мультиплексоров с помощью адресных сигналов А4, A5, A6. Такое соединение называют мультиплексорное дерево. Мультиплексоры MS1 и MS2 являются мультиплексорами первого уровня, а MS3 второго. На первом и втором уровнях можно использовать мультиплексоры с разным числом входов. Если на первом уровне используются мультиплексоры с числом адресных входов n1, на втором – с числом n2 то

общее количество входов мультиплексорного дерева составит n = 2n1 + 2n2, а число мультиплексоров 2n2 + 1.

Рис 3.9. Мультиплексорное дерево

Применение мультиплексоров не ограничивается операцией мультиплексирования. Мультиплексоры применяют для сдвига информации, для реализации логических функций заданных какой-либо таблицей функционирования, для передачи слова прямым или обратным кодом в зависимости от управляющего уровня. Мультиплексор можно использовать в качестве универсального логического элемента для реализации любой функции от числа переменных, равного числу адресных входов. Мультиплексор показанный на рисунке реализует функцию согласно таблице. Если бы эта функция реализовывалась на базисе И-НЕ то понадобилось бы четыре элемента 3И-НЕ и три инвертора.

При коммутации многоразрядных слов в каждом разряде используется свой мультиплексор.

Для восстановления мультиплексированной информации используют демультиплексоры, которые в соответствии с принятым адресом направляют информацию в одну из выходных линий. При этом на остальных выходных линиях поддерживается логический 0.

49