4141

Мультиплексоры и демультиплексоры

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передае...

Русский

2012-11-13

372.5 KB

496 чел.

Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексоры и демультиплексоры относятся к классу комбинационных устройств, которые предназначены для коммутации потоков данных в линиях связи по заданным адресам. Большая часть данных в цифровых системах передается непосредственно по проводам и проводникам печатных плат. Часто  возникает необходимость в передаче информационных двоичных сигналов (или аналоговых в аналого-цифровых системах) от источника сигналов к потребителям. В некоторых случаях нужно передавать данные на большие расстояния по телефонным линиям, коаксиальным и оптическим  кабелям. Если бы все данные передавались одновременно по параллельным линиям связи, общая длина таких кабелей была бы слишком велика и они были бы слишком дороги. Вместо этого данные передаются по одному проводу в последовательной форме и группируются в параллельные данные на приемном конце этой единственной линии связи. Устройства,  используемые для подключения одного из источников данных с заданным номером (адресом) к линии связи, называются мультиплексорами. Устройства,  используемые для подключения линии связи к одному из приемников информации с указанным адресом, называются демультиплексорами. Параллельные данные одного из цифровых устройств с помощью мультиплексора могут быть преобразованы в последовательные информационные сигналы, которые передаются по одному проводу. На выходах демультиплексора эти последовательные входные сигналы могут быть снова сгруппированы в параллельные данные.

1. Мультиплексоры

Теоретические  сведения

В цифровых устройствах часто возникает необходимость передать цифровую информацию от    m   различных устройств к   n приёмникам через канал общего пользования. Для этого на входе канала, устанавливают   устройство М (рис.1.1), называемое мультиплексором, которое согласно коду адреса Аm подключает к каналу один из m («1 из m») источников информации, а на выходе канала устройство DM (демультиплексор) обеспечивает передачу информации к приемнику, имеющему цифровой адрес Аn.

То есть мультиплексор – это комбинационное устройство, предназначенное для подключения одного из n входных сигналов к общему выходу в соответствии с кодом адреса. Применительно к  компьютерной схемотехнике: мультиплексор – это функциональный узел цифровой системы, предназначенный для коммутации (переключения) информации от одного из m адресуемых входов на общий выход. Номер конкретной входной линии, подключаемой к выходу, в каждый такт машинного времени определяется адресным кодом А0,…Аk-1. Связь между числом информационных m и адресных k входов определяется соотношением m2k. Таким образом, мультиплексор реализует управляемую передачу данных от нескольких входных линий в одну выходную.

Принцип работы мультиплексора (и демультиплексора) наглядно демонстрирует  рис. 1.1.

Рис. 1.1

Функция мультиплексоров в поле типа ЛЭ записывается буквами MUX (multiplexor). Условное графическое обозначение (УГО) мультиплексора показано на  рис.1.2.

Рис. 1.2

Мультиплексоры применяются для коммутации отдельных линий или групп линий (шин), преобразования параллельного кода в последовательный, реализации логических функций нескольких переменных, построения схем сравнения, генераторов кодов. Применительно к мультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.

Мультиплексоры включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логическими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них. Логика функционирования  мультиплексора для    m=4 описывается табл.1.1, где     x0,...,x3 – выходы независимых источников информации, а переменные А0, А1 являются адресными, т.е. представляют в двоичном коде номер информационного входа, подключаемого в данный момент к выходу Y. Тогда функционирование мультиплексора описывается  таблицей истинности табл. 1.1:

Информ.

входы

Адрес

А1  А0

Выход Y =

х3х2х1х0

0    0

0    1

1    0

1   1

х0

х1

х2

х3

Табл. 1.1

В  терминах  булевой алгебры  функция мультиплексора имеет вид:

.

Простейший мультиплексор, реализующий заданное табл.1.1 преобразование, может быть построен на логических элементах И, ИЛИ в сочетании с дешифратором адреса. В такой структуре сигнал на выходе мультиплексора Y устанавливается с задержкой адресных сигналов в логических ступенях дешифратора (рис.1.3,а).

Быстродействие мультиплексора можно увеличить, если совместить дешифратор адреса и информационные вентили (рис.1.3,б).

Стробирующий вход С (на рис.1.3,б) используется для исключения несанкционированного подключения к выходу случайных входов на время смены адресов. Короткий запирающий импульс (строб-импульс) обеспечивает отключение выхода от входов на время переадресации.

Рассмотрим некоторые схемотехнические применения мультиплексоров. Вполне очевидным является использование мультиплексора в качестве преобразователя параллельного m-разрядного двоичного кода в последовательный. Для этого достаточно на входы мультиплексора подать параллельный код и затем последовательно изменять код адреса в требуемой последовательности. При этом во избежание появления ложного сигнала на выходе мультиплексора строб-импульс на время переключения адреса должен отключать выход от входов.

  а).      б).

Рис. 1.3

Мультиплексоры могут быть использованы для построения логических функций нескольких переменных в виде дизъюнктивной нормальной формы. Пусть логическая функция определена пятью независимыми переменными. Если их подать на адресные входы, соответствующего мультиплексора на 25 = 32 информационных входа (мультиплексорное дерево), то для получения на выходе Q любой функции пяти переменных достаточно подать логические   единицы   на информационные входы, адрес которых совпадает с минтермами синтезируемой функции. На остальные входы необходимо подать логические нули, исключив тем самым соответствующие комбинации из выходной функции. Такой метод приемлем, если функция m переменных содержит близкое к 2m   количество минтермов, в противном случае схема получается избыточной.

Мультиплексор может быть использован более эффективно, если аргументы функций подавать не только на адресные, но и на информационные входы. Для этого аргументы синтезируемой функции f(х1…,хm) разделяются на информационные входы Di и адресные входы   (Аj) так, чтобы последними управляли переменные, наиболее часто входящие в минтермы функции.

В интегральном исполнении мультиплексоры выпускают на четыре, восемь или шестнадцать входов. Каскадирование мультиплексоров позволяет реализовать коммутацию произвольного числа входных линий на базе серийных микросхем мультиплексора меньшей разрядности. Пример построения схемы мультиплексоров на 16 входов на основе типовых 4-входовых мультиплексоров показан на рисунке 1. Такая схема называется мультиплексорным деревом.

Рис. 1.4

Алгоритм синтеза устройства, реализующего логическую функцию на основе мультиплексора, включает в себя следующие операции:

  •  представить функцию в виде СДНФ;
  •  для данной СДНФ заполнить карту Карно (Вейча);
  •  на карте Карно (Вейча) выделить области по количеству информационных входов мультиплексора. Количество строк m и столбцов n в таких областях должно удовлетворять условию: m,n=2k, где k=0,1,2,…Переменные, сохраняющие свое значение в пределах выделенных областей, являются адресными, а остальные – информационными;
  •  подать адресные переменные любым способом на адресные входы выбранного (или заданного) мультиплексора, определив таким образом однозначное соответствие адресных областей определенному информационному входу;
  •  для каждой области найти МДНФ/МКНФ относительно информационных переменных, для управления информационными входами;
  •  с помощью тождественных преобразований МДНФ/МКНФ привести к виду, удобному для совместной реализации;
  •  реализовать схемы по каждому информационному входу мультиплексора в выбранном элементном базисе.

Приведем пример построения мультиплексора, реализующего некоторую функцию:

Для данной функции построим карту Карно:

2. Пусть задан мультиплексор с 4 информационными входами (2 входа – адресные). На карте Карно выделим адресные области. Для выбранного варианта разбиения на адресные области адресными стали переменные X1, X3. Их можно двумя способами подать на адресные входы: A1=X1, A0=X3 либо A1=X3, A0=X1 (способ подачи не имеет значения). Тогда адресным областям  соответствуют информационные входы D0, D1, D2, D3  (показаны на карте Карно). Адресные области определяют функции управления соответствующим информационным входом мультиплексора.

  1.  Минимизируем функции управления:

,  D1=X0,  D2=X0,

Реализуем полученные функции  (рис. 1.5):

Рис. 1.5

Исследование мультиплексора

Цель работы – исследование логики функционирования, статических и динамических параметров комбинационных устройств на примере четырехвходового мультиплексора, построенного на элементах Шеффера.

Принципиальная схема четырехвходового мультиплексора приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.6

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую схему мультиплексора (рис. 1.7).  На схеме генераторы прямоугольных импульсов G1, G2, G3, G4 имитируют источники входных данных, а 2-разрядный двоичный счетчик на триггерах Тг1, Тг2 обеспечивает периодическую смену адресов мультиплексора.

Рис. 1.7

  1.  Установить параметры генераторов на информационных входах D0, D1, D2, D3 и параметры нагрузки (Rн,  Cн).
  2.   Исследовать переходные процессы в мультиплексоре. Определить по осциллограммам входных и выходных сигналов статические ,  и динамические параметры схемы , , , ,  а также .
  3.  С помощью логического анализатора исследовать логику работы мультиплексора.
  4.  Задокументировать для отчета снятые в экспериментах временные диаграммы и характеристики. Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  В схеме (рис. 1.7) использовать модели идеальных компонентов или серии ЛЭ, заданные преподавателем.
  2.  Подать сигналы от генераторов с частотами f0, f1, f2, f3, f4 – по заданию преподавателя, источник напряжения V1 = Uип .
  3.  При нормальном функционировании мультиплексора на его выходе должны сформироваться серии импульсов с частотами f1, f2, f3, f4 (вход осциллоскопа В).  Для исследования переходных процессов в мультиплексоре отключите генератор G0 от входа триггера Тг1 и подключите его ко входам R триггеров.. Определите частоту статические и динамические параметры сигнала на выходе мультиплексора.
  4.  Подключите генератор G0 ко входу триггера Тг1, а входы Logic Analyzer -  в точки схемы, как показано на рис. 1.7.

Контрольные вопросы

  1.  Что такое мультиплексор и для чего мультиплексоры используются?
  2.  Приведите уравнение, описывающее работу четырехвходового мультиплексора.
  3.  Объясните назначение адресных входов.
  4.  Объясните назначение информационных входов.
  5.  Для чего в мультиплексорах  используется стробирующий вход?
  6.  От чего зависит быстродействие мультиплексора?
  7.  Для чего применяют каскадирование мультиплексоров?

2. Демультиплексоры

Теоретические сведения

Демультиплексором называется функциональный узел компьютера, предназначенный для коммутации (переключения) сигнала единственного информационного входа D на один из n информационных выходов. Номер выхода, на который в каждый такт машинного времени подается значение входного сигнала, определяется адресным кодом A0,A1…,Am-1. Адресные входы m и информационные выходы n связаны соотношением n2m. В  качестве  демультиплексора  может быть использован дешифратор  DC.  При  этом  информационный сигнал  подается  на  вход  разрешения  Е (от  англ.  enable – разрешение).   Стробируемый  демультиплексор  с информационным входом D, адресными входами А1, А0 и стробирующим входом С показан на рисунке 2.1. Демультиплексор выполняет функцию, обратную функции мультиплексора. Применительно к мультиплексорам и демультиплексорам пользуются так же термином «селекторы» данных.

Рис. 2.1

Демультиплексоры используют для коммутации отдельных линий и многоразрядных шин, преобразования последовательного кода в параллельный. Как и мультиплексор, демультиплексор   включают в себя дешифратор адреса. Сигналы дешифратора управляют логическими вентилями, разрешая передачу информации только через один из них (рис.1.1)

Логика функционирования демультиллексора для случая n=4 иллюстрируется табл. 2.1, где y0,…,у3 – входы приемников информации.

Вход

Адрес А1   А0

Выход Y0Y1Y2Y3

D

0    0

0    1

1    0

1    1

0 0 0 D

0 0 D 0

0 D 0 0

D 0 0 0

Табл. 2.1

Рис. 2.2

Рабочее задание

  1.  Собрать исследуемую схему мультиплексора (рис. 2.4).  На схеме генератор прямоугольных импульсов G1 имитирует источник входных данных, а 2-разрядный двоичный счетчик на триггерах Тг1, Тг2 обеспечивает периодическую смену адресов мультиплексора. (рис. 2.4).

Рис. 2.3

Рис. 2.4

  1.  Установить параметры генераторов (информационный – G1, адресный – G0) и параметры нагрузки (Rн,  Cн).
  2.  Исследовать переходные процессы в демультиплексоре. Определить по осциллограммам входных и выходных сигналов статические ,  и динамические параметры схемы , , , ,  а также .
  3.  С помощью логического анализатора исследовать логику работы демультиплексора.
  4.  Задокументировать для отчета по лабораторной работе снятые в экспериментах временные диаграммы и характеристики. Сформулировать в отчете по выполненной работе выводы по результатам исследований и подготовить ответы на контрольные вопросы.

Методические указания

  1.  В схеме (рис. 2.4) использовать модели идеальных компонентов или серии ЛЭ, заданные преподавателем.
  2.  Подать сигналы от генераторов с частотами fD, fA – по заданию преподавателя.
  3.  При нормальном функционировании демультиплексора на его выходах должны сформироваться пачки импульсов с частотой  fA и частотой в пачке fD.  Для исследования переходных процессов в мультиплексоре отключите генератор G0 от входа триггера Тг1 и подключите его ко входам R триггеров.. Определите статические ,  и динамические , , , ,  .параметры сигнала на выходе демультиплексора.
  4.  Подключите генератор G0 ко входу триггера Тг1, а входы Logic Analyzer -  в точки схемы, как показано на рис. 2.

Контрольные вопросы

  1.  Что такое демультиплексор и для чего демультиплексоры используются?
  2.  Приведите уравнения, описывающие работу демультиплексора на четыре выхода.
  3.  Объясните назначение адресных входов.
  4.  Для чего в демультиплексорах  используется стробирующий вход?
  5.  От чего зависит быстродействие демультиплексора?
  6.  Для чего применяют каскадирование демультиплексоров?

Литература

  1.  Элементы цифровой схемотехники: Учеб. пособие/ В.П.Сигорский,  В.И. Зубчук, А.Н. Шкуро.  –Киев: УМК ВО, 1990.
  2.  Бабіч Н.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка. Київ 200
  3.  Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. – К.: “Техніка”, 1990.  
  4.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82263. Язык социально-гуманитарных наук. Языковая картина мира и «языковые игры» 34.44 KB
  проблемы природы языка принципов и законов его функционирования начинают изучаться лингвистами логиками психологами и философами. Таким образом для языкознания важными вопросами становятся вопросы семантики а также проблемы взаимосвязи языка и мышления языка и предметного мира. Так швейцарский лингвист Фердинанд де Соссюр 1857–1913 указывает на то что предметом изучения лингвистики становится имманентная реальность языка. Также проблемы языка в первую очередь выдвигаются в логике.
82264. Интерпритация как придание смысла, значения высказываниям, текстам, явлениям, событиям 40.1 KB
  Это внешняя сторона интерпретации. Выделяя к качестве предмета изучения исторического познания текст мы не должны сводить процедуру интерпретации к набору грамматических языковых игр Л. Объективный план интерпретации как операции мышления представлен с одной стороны предметом исследования а с другой операциональным или формально логическим каркасом своего рода алгоритмом системой стандартных шагов правит принципов и приемов субъекта познания в ходе познавательной деятельности. Общепризнанным каноном процесса интерпретации в...
82265. Вера и знание, достоверность и сомнение. Диалектика веры и сомнения в процессе познания 32.72 KB
  В социальногуманитарных науках знание всегда сочетается с верой и сомнением так как вера ориентирована на преувеличение роли абсолютного момента в знании а сомнение – роли относительного – в нем. Вера присутствует в социальногуманитарных науках прежде всего в силу незавершенности познания социальных явлений как допущение возможности соответствия социальной реальности и его отражения в знании. Она также может присутствовать в социальногуманитарных науках: как вера ученогогуманитария в Бога ученый привносит в науку свою веру как его...
82266. Конструктивная роль веры как условия «бытия среди людей» (Л.Витгенштейн) Вера и верования 31.72 KB
  Витгенштейн Вера и верования. Вера возникает как необходимое следствие бытия среди людей утверждает Витгенштейн имеет социальнокоммуникативную природу. Вера – субъективная уверенность. Вера и знание имеют различные основания противоположно направленные.
82267. Вера и понимание в контексте коммуникаций. Вера и истина. Типы обоснования веры и знания. Соотношение веры и истины 36.66 KB
  Типы обоснования веры и знания. Одной из основных предпосылок философскометодологического анализа социальногуманитарного знания является рассмотрение научного познания в контексте культуры его связь с историческими особенностями и ценностными установками общества. Тема веры достоверности сомнения оказывается одной из фундаментальных в самых разных областях и на разных этапах научного познания. Соотношение различных духовноценностных установок веры и научного знания поразному влияло на развитие науки.
82268. Натуралистическая исследовательская программа 38.77 KB
  Сегодня вопрос об исследовательской программе или близком к ней понятии парадигмы в социальных науках сталкивается с двумя трудностями: 1 избрания масштаба исследования; 2 многообразия исследовательских программ господствующего сегодня в социальногуманитарных науках. Какие исследовательские программы парадигмы можно выделять 1 Классическая философия были ориентирована на природу и изучающие ее науки на следующую отсюда натуралистическую парадигму. Последователи натуралистической исследовательской программы полагают: либо предмет наук...
82269. Антинатуралистическая исследовательская программа и ее общенаучное значение 36.58 KB
  Природа остается в качестве предпосылки деятельности человека но культур центризмом не схватывается оставляя место натурализму Другой причиной жизненности натуралистической исследовательской программы является вызванное объективными социальными изменениями крушение классических рационалистических установок. Она по существу указала на границы натуралистической программы. Натуралистическая и антинатуралистическая программы направлены на изучение одного и того же объекта но в соответствии со своей методологией исследовательской программой...
82270. Применение натуралистической и антинатуралистической исследовательских программ ва социально –гуманитарных науках 33.52 KB
  В них присутствуют: натуралистическая парадигма общества основные варианты: механицизм физикализм биологизм географический детерминизм демографический детерминизм – общество понимается как жестко-детерминированная система обусловленная влиянием определенных природных факторов климата полезных ископаемых территории и т. оно рассматривается с редукционистских позиций; антинатуралистическая парадигма общества основные варианты: социологизм экономизм психологизм антипсихологизм – общество понимается как...
82271. Проблема разделения социальных и гуманитарных наук пол предмету, по методу, по предмету и методу одновременно, по исследовательским программам 34.01 KB
  В настоящее время считается что естественные науки и социально-гуманитарные науки имеют как общие так и различные характеристики. Естественные и социально-гуманитарные науки обладают всеми признаками науки как особого феномена познание нового наличие эмпирического и теоретического уровней оформленность в понятиях и т. Вместе с тем социально-гуманитарные науки отличаются от естественно-математических и технических наук по следующим основаниям: по объекту исследования – естественные науки изучают природную реальность т. то что существует...