Однорозрядний комбінаційний суматор

Трубка лазера содержит гелий при парциальном давлении и неон при давлении Электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их в возбужденное состояние 1. Затем атомы гелия (при столкновениях) передают энергию атомам неона, а сами при этом возвращаются в нормальное состояние без излучения. Происходит накопление атомов неона на метастабильном уровне 2. Передача энергии облегчена тем, что энергия уровня 1-гелий близка к энергии уровня 2-неон. Лазерное излучение соответствует переходу атомов неона с уровня 2 на уровень 4 (как только достигнута инверсная населенность уровня 2.). Это излучение инфракрасное с. Затем происходят каскадные переходы с уровня 4 на уровень 3 с характерной неоновой, а затем с уровня 3 на основной без излучения с передачей при столкновениях избытка энергии другим атомам.

Свойства лазерного излучения:

1. Временная и пространственная когерентность. Время когерентности составляет 10 ^-3 с, что соответствует длине когерентности 10 ⁵ с.

2. Строгая монохроматичность м.

3. Большая плотность потока энергии. Например, если рубиновый стержень получил от лампы и высветился за , то поток излучения . Фокусируя это излучение на площади 1 мм², получим плотность потока энергии

4. Очень малое угловое расхождение в пучке. Например, при специальной фокусировке луч лазера, направленный с Земли, дал бы на поверхности Луны световое пятно диаметром 3 км. С помощью линз можно получить плотность потока энергии при диаметре пятна .

КПД лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров КПД составляет 0,1 – 1%.

Основною операцією при виконанні арифметичних дій у сучасних цифрових системах є додавання. Тому основним блоком операційних пристроїв звичайно є суматор, що використовується також для віднімання, множення, ділення, перетворення чисел у додатковий код, код “з надлишком 3” і в інших операціях.

Підсумовування багаторозрядних чисел здійснюється шляхом їх порозрядного додавання з переносом між розрядами. Тому основним вузлом багаторозрядних суматорів є комбінаційний однорозрядний суматор, що виконує арифметичне додавання однорозрядних двійкових чисел a_i, b_i і переносу c_i, утворюючи на виходах значення суми s_i і переносу у старший розряд c_i+1. Таблиця істиності однорозрядного суматора (табл.11.1) має такий вигляд

Таблиця 11.1

ai	bi	ci	si	ci+1

Вихідні функції після мінімізації мають вигляд

s_i = a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i = (a_i b_i) c_i, (11.1)

c_i+1 = a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i = a_ib_i a_ic_i b_ic_i. (11.2)

Використовуючи різні способи мінімізації логічних функцій, можна отримати структури суматорів, що відрізняються за кількістю елементів, потужністю споживання, швидкодією. Так, перетворивши вирази (11.1), (11.2) до вигляду, зручного для реалізації за допомогою елементів І-НІ, отримауємо

s_i = a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i a_i b_i c_i ,

c_i+1 = a_i b_i a_ic_i b_ic_i.

=1

&

a_i

=1

a_i s_i

b_i

		&

&

s_i c_i

				&

&

&

c_i+1

&

b_i

&

б

&

&

a_i

		&
				&

&

&

b_i

&

&

&

&

s_i

c_i+1

c_i

&

c_i c_i+1

a в

Мал.11.1. Варіанти логічної схеми однорозрядного суматора.

Відповідна схема (мал.11.1,а) містить три вхідні інвертори і дев’ять елементів І-НІ, має потужність споживання Р_c = 12Р_е, затримку сигналу на виході суми t_s= 3t_з і переносу t_c = 2t_з.

Інший варіант суматора можна отримати, реалізуючи функцію s_i за допомогою елементів Виключаюче АБО, а функцію c_i+1 за допомогою елементів І-НІ. Відповідне перетворення виразу (11.2) має вигляд

c_i+1 = a_ib_i a_ic_i b_ic_i = a_ib_i a_ic_i (b_i b_i) b_ic_i (a_i a_i) = a_ib_i a_ib_ic_i a_ib_ic_i

a_i b_ic_i a_ib_ic_i = a_ib_i (a_ib_i a_ib_i)c_i = a_ib_i (a_i b_i)c_i = a_ib_i (a_i b_i)c_i .

Схема, реалізуюча цей вираз, показана на мал.11.1,б. Елементи 1 та 2 (так само, як і елементи 3 та 4) утворюють схему, що визначає суму двох двійкових доданків, а також заперечення одиниці переносу. Така схема називається напівсуматором. При реалізації функції Виключаюче АБО за допомогою елементів І-НІ після відповідного перетворення виразу для s_i отримуємо схему суматора (мал.11.1,в), що містить меншу кількість елементів, ніж схема на мал.11.1,а. Особливість останньої схеми полягає у тому, що у кожному напівсуматорі застосовується спільний елемент для отримання значення суми та одиниці переносу. Для цієї схеми Р_c = 9Р_е, затримка сигналу на виході суми t_s= 6t_з і переносу t_c = 5t_з.

Програмовані логічні матриці (ПЛМ)

Під ПЛМ розуміють універсальний функціональний вузел, який після настроювання (програмування) може реалізувати довільну систему логічних функцій з обмеженою кількістю змінних. Типова структура ПЛМ (мал.11.2) містить три каскади логічних елементів, між якими розташовані два комутаційні поля, де здійснюється необхідне з’єднання виводів елементів (програмування ПЛМ) для реалізації поданого набору функцій. Перший каскад повторювачів-інверторів видає вхідні змінні у прямій та інверсній формі. У другому каскаді розташовуються елементи І, входи яких з’єднуються з відповідними шинами змінних для реалізації імплікант, що входять у ДНФ поданих функцій. Кількість використаних елементів І дорівнює сумарній кількості різних імплікант у ДНФ усіх вихідних функцій. Третій каскад складається з елементів АБО, входи яких з’єднуються з виходами елементів І попереднього каскаду для отримання на виході поданих функцій. Кількість елементів АБО визначає кількість логічних функцій, що одночасно реалізуються на виходах ПЛМ. Каскад елементів І разом з комутаційним полем утворює програмовану матрицю кон’юнкцій М₁, каскад елементів АБО разом з комутаційним полем – матрицю диз’юнкцій М₂.

Таким чином, ПЛМ виконує набір логічних функцій, поданих у диз’юнктивній нормальній формі. Для зменшення кількості використаних елементів і спрощення їх комутації вихідні функції подаються у МДНФ, отриманій за допомогою методів сумісної мінімізації.

х₀

x₁

x_m-1

F₀

F₁

F_{n -1}

Мал.11.2 Загальна структура ПЛМ.

Різні варіанти ПЛМ випускаються у вигляді окремих мікросхем чи входять до складу мікропроцесорів та інших типів ВІС. У ПЛМ, що серійно випускаються, кількість вхідних змінних m = 8 … 22, кількість вихідних функцій n = 8 … 16, кількість імплікант, що можна одночасно реалізувати, - 50 … 100. Для ПЛМ у складі сучасних мікропроцесорів ці значення у 5 … 10 разів більше. Елементи І, АБО у складі ПЛМ мають 8 … 10 і більше входів.

Програмування, тобто комутація виводів елементів у ПЛМ для реалізації поданих функцій, виконується різними способами:

- розробкою відповідної топології металевих з’єднань;

- руйнуванням металевих з’єднань (“перепалюванням” перемичок) між певними входами і виходами елементів;

- зміною стану (проводячий або непроводячий) транзисторів, через які з’єднані елементи різних каскадів ПЛМ.

При першому способі з’єднання елементів ПЛМ, забезпечуючі отримання на виходах поданого набору функцій, створюються у процесі виготовлення мікросхеми за допомогою спеціально розробленого фотошаблону. Такий спосіб програмування виробником широко застосовується при створенні ПЛМ, що входять до складу серійних ВІС, наприклад мікропроцесорів, контролерів периферійних пристроїв.

Другий спосіб програмування ПЛМ полягає у використанні плавких перемичок для отримання необхідної конфігурації з’єднань елементів. Ці перемички, що звичайно виготовляються з ніхрому, вмикаються у з’єднання між елементами і руйнуються (перегорають) при подаванні на них імпульсу напруги досить великої амплітуди (12 … 20 В) і певної тривалості. Процес руйнування перемичок здійснюється за допомогою спеціального пристрою – програматора, до якого підключається ПЛМ. У режимі програмування на логічних входах встановлюються комбінації адресових змінних, згідно з якими імпульс надходить на певну перемичку, що при цьому перегорає. Таким чином, послідовно руйнуються усі непотрібні з’єднання і залишаються тільки необхідні для реалізації поданих функцій. Такий спосіб програмування споживачем широко застосовується для створення спеціалазованих комбінаційних схем.

Третій спосіб програмування також здійснюється споживачем, але замість плавких перемичок у з’єднання вмикаються МДН-транзистори. У закритому стані вони від’єднують відповідні точки схеми, у відкритому – з’єднують. При цьому використовуються спеціальні МДН-структури, у яких проводячий канал індуцирується під дією заряду, що накопичується на межі розділу двох діелектриків під затвором або на ізольованому (“плаваючому”) затворі при подаванні імпульсу напруги.

U_дж х₁ U_дж

х₁ х₂ х₁ х₂

х₁ х₂

х₁ х₂

х₂

х₁х₂

а б в

U_дж U_дж U_дж

х₁ х₂

х₁

х₁

х₁ х₂

х₂

х₂

х₁х₂ = х₁ х₁

х₁х₂ = х₁ х₁

Дата добавления: 2014-01-13