Комбинационные логические устройства (далее - КЛУ) представляют собой устройства, которые для преобразования некого сигнала не используют память.
Из определения следует основное свойство КЛУ - выходные сигналы данного рода устройств полностью определяются входными сигналами.
Поэтому, при работе с КЛУ основополагающую роль играет знание принципа работы того или иного устройства.
Согласно принципам работы, выделяют следующие типы КЛУ:
- Мультиплексоры и демультиплексоры.
- Шифраторы и дешифраторы.
- Сумматоры.
О каждом из них следует сказать отдельно.
Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексоры - КЛУ у которых несколько входов (входных сигналов) и один выход (выходной сигнал).
Демультиплексоры - КЛУ у которых один вход (входной сигнал) и несколько выходов (выходные сигналы).
И мультиплексором, и демультиплексором необходимо управлять. Для этого предусмотрено устройство, называемое коммутатор.
Коммутатор - устройство, которое включает/выключает/переключает определенные входы с выходом или выходы с входом, посредством принятия какого-либо сигнала (механического, электрического, химического, звукового).
Таким образом, у мультиплексора бывают: адресные входы, информационные входы, информационные выходы.
Адресные входы – это входы, посредством которых управляют коммутатором.
Информационные входы – это входы, посредством которых сигналы поступают в мультиплексор.
Информационные выходы – это выходы, посредством которых мультиплексор испускает сигнал.
Принципиальная схема мультиплексора и демультиплексора показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема мультиплексора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом, работа мультиплексора или демультиплексора сводится к следующему алгоритму:
- Через вход А1 устанавливается необходимое состояние коммутатора.
- На вход Б1 или один из входов Б1, 2 подается сигнал (или ожидается подача сигнала).
- Сигнал через коммутатор проходит к выходу В1 или выходам В1, 2.
Также, необходимо отдельно упомянуть о демультиплексорах с несколькими выходами. Несмотря на наличие нескольких информационных выходов, рабочим остается лишь один из них. Реализация таких устройств возможна с помощью определенных коммутаторов. В таком случае коммутатор определяет рабочие входы и выходы.
Шифраторы и дешифраторы
Шифратор/дешифратор – это КЛУ, преобразующее один тип сигналов в другой.
На практике шифраторы наиболее часто используются в микроэлектронике и тогда такие устройства также попадают в категорию микросхем. Также как и в случае с мультиплексорами, в один момент времени на шифратор подается только один сигнал.
Рассмотрим на примере принцип работы простого шифратора, показанного на рисунке 2, с тремя выходами и восемью входами.
Рисунок 2. Принципиальная схема шифратора 8х3. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Работа данного шифратора реализуется за счет трех элементов ИЛИ. Как правило, входы шифратора ассоциируют с десятичными цифрами (в данном случае от 0 до 7), а выходы с двоичным кодом, обозначающим ту или иную цифру.
Положим, что на Х6 подан сигнал. Примем его за единицу (“1”). Тогда на Х0, Х1, Х2, Х3, Х4, Х5, Х7 будут нули (“0”).
В таком случае, на верхний элемент ИЛИ (сверху вниз) придут значения 0-1-0-0, на средний 0-1-0-0, на нижний 0-0-0-0. Следовательно, Y3=1, Y2=1, Y1=0.
В итоге получается двоичное число 110, соответствующее десятичному числу 6. Реализованным на практике шифратором такого рода может послужить микросхема К155ИВ1.
Принцип работы дешифратора аналогичен принципу работы шифратора. Существенное отличие заключается лишь в составе элементов. Так, для работы дешифратора 3x8 будет необходимо 3 элемента НЕ и восемь элементов И. Принципиальная схема дешифратора приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема дешифратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Положим, что на входы подаются сигналы: X1=1, X2=1, X3=0. Тогда на выходах и входах элементов будут значения, представленные на рисунке 4.
Рисунок 4. Сигналы на элементах дешифратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сумматоры
Сумматор – это КЛУ, выполняющее арифметическое сложение двух n-разрядных чисел, представленных в виде двоичного кода.
Полусумматор - это КЛУ, выполняющее арифметическое сложение двух чисел младшего разряда. Ключевое отличие от сумматора - отсутствие входа переноса разряда.
Так как данное КЛУ оперирует двоичным кодом, а не привычными для нас цифрами, то и работа сумматора будет определяться правилами логического сложения. К примеру, “1+1=10”.
Для понимания принципа работы сумматоров рассмотрим одноразрядный сумматор.
Одноразрядный сумматор - КЛУ, суммирующее три одноразрядных числа. Двух слагаемых ai и bi, а также перенос из более младшего разряда суммы Pi. Результат суммирования можно описать как:
ai + bi + Pi = Si + Pi+1
Тогда:
Si = ai • bi + ai • bi
Pi + 1 = ai • bi
Принципиальная схема одноразрядного сумматора показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Принципиальная схема одноразрядного сумматора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рассмотрим работу сумматора на примере. Положим, что на входы подаются сигналы – a = 0 и b = 1.
На верхний элемент ИЛИ-НЕ придёт “0”, так как a=0. На нижний элемент ИЛИ-НЕ придёт “1”, так как b=1. Тогда на верхний элемент И придут “1” и “1”. На средний элемент И придут “0” и “0”. На нижний элемент И придут “0” и “1”.
Следовательно, на элемент ИЛИ придут “1” и “0”, а на выход соответственно “1”. В это же время переноса разряда не состоится, так как P=0. В результате работы сумматора получим “1”. Визуально процесс работы сумматора представлен на рисунке 6.
Рисунок 6. Работа одноразрядного сумматора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В завершение темы следует сказать, что сумматоры бывают разных видов. Помимо двоичных существуют еще и двоично-десятичные, десятичные, амплитудные.
Также можно классифицировать сумматоры по числу входов и выходов. В таком случае выделяют четвертьсумматоры, полусумматоры, полные сумматоры.
Независимо от классификации принцип работы комбинационного сумматора не меняется. Разниться только количество входов/выходов/элементов.
Также, на практике встречается такой тип устройств как комбинационный вычитатель. Принцип его работы аналогичен принципу работы сумматора.
В случае же умножителей и делителей состав таких КЛУ качественно не отличается от сумматоров и вычитателей. Разница лишь в количестве элементов и методе подключения.
