Комбинационные цифровые устройства

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА «ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ» ЛЕКЦИЯ № 15 ТЕМА : КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА 1 КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА Цель: познакомить курсантов с устройством и принципами действия основных комбинационных цифровых устройств. Вопросы: 1.Классификация и назначение узлов ЭВМ. 2.Дешифраторы и шифраторы. 3.Преобразователи кодов. 4.Мультиплексоры и демультиплексоры. Литература: 1. Курс лекций по дисциплине «Информационноуправляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2015г, лекция № 15. 2 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ УЗЛОВ ЭВМ Узел ЭВМ представляет собой такую функциональную часть машины, в которой выполняется операция над одним числом (двоичным кодом). К узлам относятся регистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, преобразователи кодов и др. Структура узла, то есть количество и тип элементов, которые входят в состав узла, организация связей между ними, определяется перечнем операций, которые он должен выполнять. На структурные схемы узлов влияют: - выбранная система элементов; - тип системы элементов (импульсная, потенциальная, фазовая); -способ передачи информации от элемента к элементу (параллельная, последовательная). 3 КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ УЗЛОВ ЭВМ По способу преобразование информации и по возможности ее хранения в узле различают такие типы узлов: Узлы последовательного типа ( накапливающие узлы) К этим узлам относятся регистры, счетчики, сумматоры накапливающего типа. Основу всех этих узлов составляют запоминающие элементы, поэтому, преобразование в них информации предусматривает ее сохранение. Узлы комбинационного типа В узлах комбинационного типа преобразование информации не предусматривает ее сохранения. Такие узлы строятся только на основе логических и вспомогательных элементов. Результат преобразования формуется только при наличии входной информации. К узлам комбинационного типа относятся шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, преобразователи кодов, устройства сравнения, комбинационные сумматоры и т.д. 4 КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ УЗЛОВ ЭВМ Связь между узлами для передачи сигналов (данных, адресов) осуществляется по кодовым шинам (КШ), в частности, по шинам данных (ШД) и шинам адреса (ША). Последовательность превращения информации в любом узле определяется сигналами управления (УС), которые поступают в узел по специальным шинам управления (ШУ) из устройства управления ЭВМ. Совокупность шин называется магистралью. Основными параметрами узла являются : - перечень операций, которые выполняются узлом; -разрядность кода на входе и выходе - быстродействие узла. узла; 5 2. ДЕШИФРАТОРЫ И ШИФРАТОРЫ. Дешифратором называется комбинационная схема с несколькими входами и выходами, которые превращают код, который подается на входы, в сигнал на одном из выходов, номер которого совпадает со значением кода на входе. В общем случае дешифратор с n входами имеет 2n выходов, так как nразрядный код входного слова может принимать 2n разных значений, и каждому из этих значений отвечает сигнал активизации (логическая «1») на одном из выходов дешифратора. На выходах дешифратора с номерами 0,1, 2, .... 2n-1 вырабатываются значения булевых функций соответственно: F0 = x’1x’2...x’n-1 x’n; F1 = x1x’2... x’n-1 x’n; F2 = x’1x2... x’n-1 x’n; ................................ F2n - 1 = x1x2...xn-1 xn; . 6 ДЕШИФРАТОРЫ. Условное обозначение дешифратора 4х16 с инверсией Функциональная схема дешифратора на два входа и его обозначение 7 ДЕШИФРАТОРЫ. Практический пример дешифратора Дешифратор К155ИД1 (а) и его цоколевка (б) 8 ШИФРАТОРЫ Шифраторы выполняют обратную операцию дешифраторов: переводят сигнал, поданный только в один входной провод (активизированный вход) (например, в провод 9), в выходной параллельный двоичный код (в данном случае 1001), который появится на выходах шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру «старшего» входа, получившего активный сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4 и 9. Старший по номеру вход здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001. 9 ШИФРАТОРЫ Функциональная схема шифратора на восемь входов 10 ШИФРАТОРЫ Практический пример шифратора Шифратор КМ1555ИВ1(а) и его цоколевка (б) 11 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДОВ. Преобразователи кода предназначены для перевода чисел с одной формы представления в другую. Например, при введении информации в ЭВМ необходимо превратить десятичные числа в двоичные или двоичнодесятичные коды - в коды управления знакогенератором, светодиоными или жидкокристалическими индикаторными панелями, механизмом печати. Для построения преобразователя кодов требуется таблица соответствия, в которой записывается полный набор входных и соответствующий набор выходных слов. Если входные и выходные слова записаны двоичными символами, то синтез преобразователя кода сводится к нахождению для каждого разряда исходного слова булевой функции, которая устанавливает связь данного разряда с входными наборами двоичных переменных сменных. Нахождения такой связи и минимизация булевого выражения осуществляется с помощью карт Карно. 12 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДОВ. Рассмотрим практический пример преобразователя кодов, который служит для визуализация двоично-десятичных чисел на семисегментних панелях на основе жидкостных кристаллов или светодиодов, (широко используются в микроэлектронных часах, панелях приборов и т.п.) Внешний вид четырехразрядного семисегментного индикатора Десятичное число 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Двоичный код DCBA 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 Нумерация сегментов одного разряда индикатора Семисегментни й код abcdefg 1111110 0110000 1101101 1111001 0110011 1011011 1011111 1110000 1111111 1111011 Таблица соответствия между двоичнодесятичными числами и наборами сегментов 13 4. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ. Мультиплексор - комбинационная схема, которая осуществляет передачу сигналов с одной из входных линий в одну выходную (работа коммутатора). Выбор входной информационной линии проводится кодом, который поступает на управляющие входы мультиплексора. Мультиплексор с к управляющими входами х0, х1,..., хК-1 имеет 2К информационных входа D0,D1....D2K-1. Структурная схема мультиплексора 14 МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ Рассмотрим реализацию мультиплексора для к = 2. Уравнения для логической функции в этом случае будет выглядеть следующим образом: Y = R0D0 + R1D1 + R2D2 + R3D3 где R0 = х'1,х'0, R1 = х'1,х0, R2 = х1,х'0, R3 = х1,х0 . Структурная схема мультиплексора Мультиплексоры используются для преобразовании параллельного кода слова в последовательный, для коммутации информационных потоков. 15 ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ Демультиплексор - комбинационная схема, которая осуществляет передачу сигналов с одной входной линии в одну из выходных: линий. Выбор исходной информационной линии проводится кодом, который поступает на управляющие входы демультиплексора. Структурная схема демультиплексора Демультиплексор с к управляющими входами х0, х1,..., хК-1 имеет 2К информационных выходов D0, D1,..., D2K-1. Демультиплексор выполняет функцию обратную функции мультиплексора и используется для преобразования последовательного кода слова в параллельный. 16 ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ Рассмотрим реализацию демультиплексора при к = 2. Уравнении для логической функции для этого случая будет иметь следующий вид : D0 = R0Y; D1 = R1Y; D2 = R2Y; D3 = R3Y; где R0 = х'1,х'0, R1 = х'1,х0, R2 = х1,х'0, R3 = х1,х0, В зависимости от кода х1,х0, сигнал появляется на одном из выходов дешифратора Дш, срабатывает соответствующая схема совпадения, и входной сигнал Y передается на выбранный выход демультиплексора. Структурная схема демультиплексора 17 ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ Мультиплексоры и демультиплексоры могут включать в свой состав схемы выбора микросхемы (схемы селекции Е’), что позволяет наращивать ширину выборки до требуемых значений из имеемых микросхем. 18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Комбинационные схемы являются одним из важнейших компонентов построения цифровой техники. Рассмотренные в лекции шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, преобразователи кодов однозначно определяют комбинацию сигналов на выходе по приходящим входным сигналам. Подробное их исследование будет проведено в ходе практических занятий. 19