Исследование комбинационных устройств (стр. 1 из 4)
Уральский государственный технический университет
Исследование комбинационных устройств
Екатеринбург 2005
КОМБИНАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Устройства, оперирующие с двоичной (дискретной) информацией, подразделяются на два класса: комбинационные и последовательностные.
Комбинационные устройства (КУ) характеризуются отсутствием памяти.
Сигналы на их выходах в любой момент времени однозначно определяются сочетанием сигналов на входах и не зависят от предыдущих сигналов.
Схемными признаками таких устройств является отсутствие цепей обратной связи с выхода на вход. К КУ относятся сумматоры, дешифраторы, шифраторы, преобразователи кодов, мультиплексоры, демультиплексоры, схемы сравнения кодов и т.д.
Сумматоры. Сумматоры представляют собой функциональные цифровые устройства, выполняющие операцию сложения чисел. В цифровой технике суммирование осуществляется в двоичном или, реже, в двоично-десятичном коде. По характеру действия сумматоры подразделяются на комбинационные и накопительные. В свою очередь, каждый из сумматоров, оперирующий с многоразрядными числами, в зависимости от способа их сложения может быть отнесен к последовательному или параллельному типу. Сумматор имеет n входов разрядов слагаемого А, n входов разрядов слагаемого В и вход переноса cr (carry – перенос). Выходами сумматора являются n выходов разрядов суммы S и выход переноса (переполнения) CR. Сумматор характеризуется четырьмя значениями задержки распространения:
TCrs – от подачи входного переноса до установления всех выходов суммы. При постоянном уровне на всех входах слагаемых (а и b);
TAs – от одновременной подачи всех слагаемых до установления всех выходов суммы при постоянном уровне на входе переноса (выходной CR не учитывается);
TcrCR – от подачи входного переноса до установления выходного CR при постоянном уровне на входах слагаемых;
Tacr– от подачи всех слагаемых до установления выходного переноса CR при постоянном уровне на входах слагаемых.
Как последовательные, так и параллельные сумматоры строятся на основе одноразрядных суммирующих схем. Примером сумматора может быть микросхема серии К155ИМ2.
Шифраторы
Шифратором называется комбинационное устройство, преобразующее унитарный код, подаваемый на входные шины, в соответствующий код на выходах.
Задача шифратора сформировать код. На ввод шифратора могут подаваться различные сигналы: логический «0» через контакты кнопок клавиатуры управления или сигналы с других устройств, но во всех случаях в шифраторе происходит преобразование одного сигнала в n-разрядный код. На рисунке представлена схема шифратора на диодах. На следующей схеме (рисунок) если нажать на несколько кнопок сразу, а затем отпустить, то на выходе шифратора будет код последней отпущенной кнопки.
Если ни одна кнопка не нажата, то на выходах 1-2-4-G МС 1 устанавливается сигнал с уровнем логической единицы. При нажатии на одну из кнопок на выходе 1-2-4 появляется сигнал инверсного кода, соответствующий номеру нажатой кнопки, а на G-“0”. При отпускании кнопки здесь (на G) будет 1 и поэтому сигнал ДД2 запишет на выход код этой кнопки.
Рассмотрим подробнее структуру МС шифратора.
Классический шифратор имеет m входов и n выходов, и при подаче сигналов на один из входов (обязательно на один и не более) на выходе узла появляется двоичный код номера возбужденного выхода.
Число входов и выходов такого шифратора связано соотношением m=2n.
Для построения шифратора можно использовать схемы ИЛИ – по одной на каждый выход. При этом схема разбивается на n простых фрагментов. К входу элементов ИЛИ каждого выходного разряда должны быть подключены те входы шифратора, в двоичном представлении номера которых есть
единица в данном разряде. Так, к ИЛИ младшего разряда формируемого выходного кода должны быть подключены все нечетные входы, поскольку у всех нечетных номеров и только у них в младшем разряде содержится единица. Функциональная схема такого шифратора представлена на рисунке. Эту схему можно преобразовать по формулам де Моргана. В новом варианте вместо схемы ИЛИ будут И-НЕ.
Совместно с шифратором в состав кодирующих узлов может входить схема выделения старше единицы. Эта схема преобразует m-разрядное слово следующим образом: все старшие нули и самая старшая единица входного кода пропускается на вход без изменения; все разряды более младшие, чем старшая единица, заменяются нулями. На схеме на входы а0,а1,а2и поступает преобразуемое слово (а0- младший разряд, а2- старший разряд), на вход EI (от enablein) – входной сигнал разрешения. При EI=1 схема работает следующим образом: любое число старших нулей порождает на выходах своих разрядов единицы и никак не влияет на работу элементов И-НЕ более младших разрядов. Любая самая старшая единица порождает на соответственном выходе нуль (активный низкий уровень выхода) и запирает все более младшие элементы И-НЕ, устанавливая на их выходах не активный высокий уровень. При этом низкий уровень появляется и на выходе EO (от enableout) – выходе разрешения.
Если разрядность обрабатываемого слова (число входных сигналов) превышает разрядность схемы, то слово разбивается на группы и выход EO более старшей группы подается на вход EI более младшей. При таком включении единица, поступившая на любой вход любой группы, запрет не только все более младшие разряды своей группы, но по цепи EO-EI и все более младшие группы. На выходах всей схемы останется только самая старшая единица входного слова, представленная активным низким уровнем.
Если к выходу схемы выделение старше единицы подключить шифратор, то в сумме получится функциональный узел приоритетного шифратора (priorityencoder), формирующий в двоичном коде номе самой старшей единицы из всех, присутствующих во входном слове.
С выходами рассмотренной схемы хорошо стыкуются входы шифратора, двойственного по отношению к рассмотренному ранее (то есть на элемент И-НЕ): инверсным выходом одной схемы (битовое деление старше единицы) будут соответствовать инверсные входы другой, и весь приоритетный шифратор будет построен на технологичных элементах без лишних инверторов.
Если во входном слове присутствует только одна единица, то приоритетный шифратор будет выполнять функцию обычного шифратора. Поэтому МС обычных шифраторов не встречаются почти ни в одной серии, а приоритетные шифраторы - в составе многих серий.
Упрошенная структура МС155ИВ1 представлено на рисунке.
| ВХОД | ВЫХОД | ||||||||||||
| E1 | a0 | a1 | a2 | a3 | a4 | a5 | a6 | a7 | GS | A0 | A1 | A2 | EO |
| B | X | X | X | X | X | X | X | X | B | B | B | B | B |
| H | B | B | B | B | B | B | B | B | B | B | B | B | H |
| H | X | X | X | X | X | X | X | H | H | H | H | H | B |
| H | X | X | X | X | X | X | H | B | H | B | H | H | B |
| H | X | X | X | X | X | H | B | B | H | H | B | H | B |
| H | X | X | X | X | H | B | B | B | H | B | B | H | B |
| H | X | X | X | H | B | B | B | B | H | H | H | B | B |
| H | X | X | H | B | B | B | B | B | H | B | H | B | B |
| H | X | H | B | B | B | B | B | B | H | H | B | B | B |
| H | H | B | B | B | B | B | B | B | H | B | B | B | B |
Из таблицы следует, что вход EI позволяет сделать все входы неактивными (а0-а7) при EI=1, т.е. напряжение высокого уровня на этом входе – это напряжение запрета при этом и на всех выходах высокий (неактивный) уровень.
На выходе GS низкий уровень, если хотя бы на одном выходе (сигнальном: а0,а1, а2) низкий, иначе хотя бы один из входов активный (кроме а0, при этом сигналы А0, А1, А2 и EO – высокие).
На EO низкий уровень, если на всех входах высокие уровни. Приоритетный шифратор обозначают так:
Эта схема до 16 входов. Для десятичной клавиатуры или декадных переключателей система шифратора может быть реализована следующим образом.
Дешифраторы. Дешифратор (декодер) – это комбинационное устройство с несколькими входами и выходами, у которого определенным комбинациям входных сигналов соответствует активное состояние одного из выходов. Дешифраторы преобразуют двоичный и двоично-десятичный коды в унитарный код, т.е. код двоичного и n-разрядного числа, представленного 2 разрядами, только один из разрядов которого равен 1.
Используются три структуры дешифраторов: матричная, каскадная и пирамидальная.
Если декодер имеет n входов m выходов и использует все возможные наборы входных переменных, то m=2n.
Такой декодер называют полным. Если используются лишь часть наборов, то такой декодер называют неполным. DC используют, когда нужно обращаться к различным цифровым устройствам, и при этом номер устройства(его адрес) представлен двоичным кодом.
Формально описать работу DC можно, задав список функций, отрабатываемых каждым из его выходов Yi? так для DC 3-8:
Yo = 
; Y1 = 
; Y2 = 
; Y3 = 
; ... Y7 =a4a2a1,