Сумматоры. Микросхемы сумматоров (английское Adder), как следует из их названия, предназначены для суммирования двух входных двоичных кодов

Микросхемы сумматоров (английское Adder), как следует из их названия, предназначены для суммирования двух входных двоичных кодов, то есть выходной код будет равен арифметической сумме двух входных кодов. Например, если один входной код - 7 (0111), а второй - 5 (0101), то суммарный код на выходе будет 12 (1100). Сумма двух двоичных чисел с числом разрядов N может иметь число разрядов (N + 1). Например, при суммировании чисел 13 (1101) и 6 (0110) получается число 19 (10011). Поэтому количество выходов сумматора на единицу больше количества разрядов входных кодов. Этот дополнительный (старший) разряд называется выходом переноса.

На схемах сумматоры обозначаются буквами SM. В отечественных сериях код, обозначающий микросхему сумматора, - ИМ.

Сумматоры бывают одноразрядные (для суммирования двух одноразрядных чисел), 2-х разрядные (суммируют 2-х разрядные числа) и 4-х разрядные (суммируют 4-х разрядные числа). Чаще всего применяют именно 4-разрядные сумматоры. На рис. 7 показаны для примера 2-разрядный и 4-разрядный сумматоры. Микросхема ИМ6 отличается от ИМ3 только повышенным быстродействием и номерами используемых выводов микросхемы, функция же выполняется та же самая.

Рис. 7 Примеры микросхем сумматоров

Помимо выходных разрядов суммы и выхода переноса, сумматоры имеют вход расширения (другое название - вход переноса) С для объединения нескольких сумматоров с целью увеличения разрядности. Если на этот вход приходит единица, то выходная сумма увеличивается на единицу, если же приходит нуль, то выходная сумма не увеличивается. Если используется одна микросхема сумматора, то на ее вход расширения С необходимо подать нуль.

Для примера в табл. 3 приведена полная таблица истинности 2-разрядного сумматора ИМ2. Как видно из таблицы, выходной 3-разрядный код (Р, S1, S0) равен сумме входных 2-разрядных кодов (А1, А0) и (В1, В0), а также сигнала С. Нулевые разряды - младшие, первые разряды - старшие. Полная таблица истинности 4-разрядного сумматора будет чрезмерно большой, поэтому она не приводится. Но суть работы остается точно такой же, как и в случае 2-разрядного сумматора.

Сумматоры могут использоваться также для суммирования чисел в отрицательной логике (когда логической единице соответствует электрический нуль, и наоборот, логическому нулю соответствует электрическая единица). Но в этом случае входной сигнал переноса С также становится инверсным, поэтому при использовании одной микросхемы сумматора на вход С надо подать электрическую единицу (высокий уровень напряжения). Инверсным становится и выходной сигнал переноса Р, низкий уровень напряжения на нем (электрический нуль) соответствует наличию переноса. То есть получается, что сумматор абсолютно одинаково работает как с положительной, так и с отрицательной логикой.

Таблица 3 - Таблица истинности микросхемы 2-разрядного сумматора ИМ2
Входы	Выходы
	C=0	C=1
A1	A0	B1	B0	P	S1	S0	P	S1	S0

Рассмотрим пример. Пусть нам надо сложить два числа 5 и 7 в отрицательной логике. Числу 5 в положительной логике соответствует двоичный код 0101, а в отрицательной - код 1010. Числу 7 в положительной логике соответствует двоичный код 0111, а в отрицательной - код 1000. При подаче на вход сумматора кодов 1010 (десятичное число 10 в положительной логике) и 1000 (десятичное число 8 в положительной логике) получаем сумму 10 + 8 = 18, то есть код 10010 в положительной логике. С учетом входного сигнала переноса С=1 (отсутствие входного переноса в отрицательной логике) выходной код сумматора получится на единицу больше: 18 + 1 = 19, то есть 10011. При отрицательной логике это будет соответствовать числу 01100, то есть 12 при отсутствии выходного переноса. В результате получили 5+7=12.

Сумматор может вычислять не только сумму, но и разность входных кодов, то есть работать вычитателем. Для этого вычитаемое число надо просто поразрядно проинвертировать, а на вход переноса С подать единичный сигнал (рис. 15).

Рис. 15 4-х разрядный вычитатель на сумматоре ИМ6 и инверторах ЛН1

Например, пусть нам надо вычислить разность между числом 11 (1011) и числом 5 (0101). Инвертируем поразрядно число 5 и получаем 1010, то есть десятичное 10. Сумматор при суммировании 11 и 10 даст 21, то есть двоичное число 10101. Если сигнал С равен 1, то результат будет 10110. Отбрасываем старший разряд (выходной сигнал Р) и получаем разность 0110, то есть 6.

Еще пример. Пусть надо вычислить разность между числом 12 (1100) и числом 9 (1001). Инвертируем поразрядно 9, получаем 0110, то есть десятичное 6. Находим сумму 12 и 6, получаем 18, а с учетом С = 1 получаем 19, то есть двоичное 10011. В четырех младших разрядах имеем 0011, то есть десятичное 3.

Каскадировать сумматоры для увеличения разрядности очень просто. Надо сигнал с выхода переноса сумматора, обрабатывающего младшие разряды, подать на вход переноса сумматора, обрабатывающего старшие разряды (рис. 16). При объединении трех 4-разрядных сумматоров получается 12-разрядный сумматор, имеющий дополнительный 13-й разряд (выход переноса Р).

Рис. 16 Каскадирование сумматоров ИМ6 для увеличения разрядности

Неопределенные состояния на выходах сумматора могут возникать при любом изменении любого из входных кодов (рис. 17). Выходной код суммы может принимать в течение короткого времени значения, никак не связанные с входными кодами, а на выходе переноса могут появляться короткие паразитные импульсы. Это связано прежде всего с неодновременным изменением разрядов входных кодов. Чтобы избежать влияния этих неопределенных состояний на дальнейшую схему, необходимо предусматривать синхронизацию или стробирование выходных сигналов. Но для этого надо располагать информацией о моментах изменения входных кодов, которая имеется далеко не всегда.

Рис. 17. Неопределенные состояния на выходах сумматора при изменении входных кодов

Задержки сумматора ИМ6 от входов до выходов суммы примерно вдвое превышает задержку логического элемента, а от входов до выхода переноса - примерно в полтора раза. Задержки сумматора ИМ3 больше задержек ИМ6 почти вдвое. Поэтому в схемах, где важно быстродействие, лучше использовать ИМ6. Особенно это существенно при каскадировании для увеличения разрядности, так как там задержки отдельных микросхем суммируются. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

  A   B   p₀

  S     p₁

SM

    S_i     p_i+1

  a_i   b_i   p_i

Двоичные сумматоры

Суммирование многоразрядных двоичных чисел А=a_na_n-1…a₀ и B=b_nb_n-1…b₀ производится путем их поразрядного сложения с переносом между разрядами. Поэтому основным узлом многоразрядных сумматоров является комбинационный одноразрядный сумматор, который выполняет арифметическое сложение трех одноразрядных чисел (цифр): цифры данного разряда первого слагаемого (a_i), цифры данного разряда второго слагаемого (b_i) и цифры (1 или 0) переноса из соседнего младшего разряда (p_i). В результате сложения для каждого разряда получаются две цифры – сумма для этого разряда (S_i) и перенос в следующий старший разряд (p_i+1).

Условное графическое изображение одноразрядного сумматора и его таблица истинности (функционирования) приведены на рис. 1.

ai	bi	pi	Si	рi+1
а) б) 0

Для синтеза схемы одноразрядного сумматора запишем выражения для S_i и p_i+1 (выходов сумматора):

(1)

(2)

Схема одноразрядного сумматора, построенная в соответствии с выражениями (1) и (2) приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема одноразрядного сумматора

a_i   b_i   p_i

М2

М2

&

&

S_i   P_i+1 p_i+1

Многораз­рядный параллельный сумматор может быть составлен из одноразрядных сум­маторов, число которых равно числу разрядов слагаемых, путем соединения выхода, на котором формируется сигнал переноса данного разряда, с входом для сигнала переноса соседнего старшего разряда. Такой способ организации переноса называется последовательным. Пример построения 3-разрядного параллельного сумматора демонстрирует рис. 3. В сумматорах этого типа перенос распространяется последовательно от разряда к разряду по мере образования суммы в каждом разряде. При наиболее неблагоприятных условиях переноса, например, при сложении чисел 11…11 и 00…01 будет иметь место «пробег» единицы переноса через весь сумматор от самого младшего к самому старшему разряду. Поэтому в наихудшем случае время распространения переноса

Т_{зд.р.пер.}=n×t_{зд.р.пер.},

где t_{зд.р.пер.} – время задержки распространения переноса в одном разряде;

n – число разрядов сумматора. Данный тип сумматора наиболее прост с точки зрения схемы цепей распространения переноса, но имеет сравнительно низкое быстродействие.

  p₀   A   B

  S   p₁

SM (0)

S₀

  “0”   a₀   b₀

  p₀   A   B

  S   p₁

SM (1)

S₁

а₁   b₁

p₀   A   B

  S     p₁

SM (2)

S₂

а₂   b₂

p

2³

2²

2¹

2⁰

Рис. 3. Функциональная схема 3-разрядного параллельного сумматора с последовательным переносом

n – число разрядов сумматора. Данный тип сумматора наиболее прост с точки зрения схемы цепей распространения переноса, но имеет сравнительно низкое быстродействие.

Более высоким быстродействием обладают сумматоры с параллельным переносом, в которых сигналы переноса формируются во всех разрядах одновременно. Этой цели служат специальные схемы ускоренного переноса.

Сумматоры классифицируют по различным признакам.

В зависимости от системы счисления различают:

• двоичные;
• двоично-десятичные (в общем случае двоично-кодированные);
• десятичные;
• прочие (например, амплитудные).

По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел:

• одноразрядные,
• многоразрядные.

По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров:

• четвертьсумматоры (элементы “сумма по модулю 2”; элементы “исключающее ИЛИ”), характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
• полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд);
• полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд).

По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:

• последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом на одном и том же оборудовании;
• параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование.

Параллельный сумматор в простейшем случае представляет собой n одноразрядных сумматоров, последовательно (от младших разрядов к старшим) соединённых цепями переноса. Однако такая схема сумматора характеризуется сравнительно невысоким быстродействием, так как формирование сигналов суммы и переноса в каждом i-ом разряде производится лишь после того, как поступит сигнал переноса с (i-1)-го разряда. Таким образом, быстродействие сумматора определяется временем распространения сигнала по цепи переноса. Уменьшение этого времени — основная задача при построении параллельных сумматоров.

Для уменьшения времени распространения сигнала переноса применяют: конструктивные решения, когда используют в цепи переноса наиболее быстродействующие элементы; тщательно выполняют монтаж без длинных проводников и паразитных ёмкостных составляющих нагрузки и (наиболее часто) структурные методы ускорения прохождения сигнала переноса.

По способу организации межразрядных переносов параллельные сумматоры, реализующие структурные методы, делят на сумматоры:

• с последовательным переносом;
• с параллельным переносом;
• с групповой структурой;
• со специальной организацией цепей переноса.

Три первых структуры будут подробно рассмотрены в последующих статьях. Среди сумматоров со специальной организацией цепей переноса можно указать:

• сумматоры со сквозным переносом, в которых между входом и выходом переноса одноразрядного сумматора оказывается наименьшее число логических уровней [1];
• сумматоры с двухпроводной передачей сигналов переноса [1, 2];
• сумматоры с условным переносом (вариант сумматора с групповой структурой, позволяющий уменьшить время суммирования в 2 раза при увеличении оборудования в 1,5 раза) [3];
• асинхронные сумматоры, вырабатывающие признак завершения операции суммирования, при этом среднее время суммирования уменьшается, поскольку оно существенно меньше максимального.

Сумматоры, которые имеют постоянное время, отводимое для суммирования, независимое от значений слагаемых, называют синхронными.

По способу выполнения операции сложения и возможности сохранения результата сложения можно выделить три основных вида сумматоров:

• комбинационный, выполняющий микрооперацию “S = A плюс B”, в котором результат выдаётся по мере его образования (это комбинационная схема в общепринятом смысле слова);
• сумматор с сохранением результата “S = A плюс B”;
• накапливающий, выполняющий микрооперацию “S = S плюс B”.

Последние две структуры строятся либо на счётных триггерах (сейчас практически не используются), либо по структуре “комбинационный сумматор – регистр хранения” (сейчас наиболее употребляемая схема).

Важнейшими параметрами сумматоров являются:

• разрядность;
• статические параметры: Uвх, Uвх, Iвх и так далее, то есть обычные параметры интегральных схем;
• динамические параметры. Сумматоры характеризуются четырьмя задержками распространения:
• от подачи входного переноса до установления всех выходов суммы при постоянном уровне на всех входах слагаемых;
• от одновременной подачи всех слагаемых до установления всех выходов суммы при постоянном уровне на входе переноса;
• от подачи входного переноса до установления выходного переноса при постоянном уровне на входах слагаемых;
• от подачи всех слагаемых до установления выходного переноса при постоянном уровне на входах слагаемых.

Четвертьсумматор

Простейшим двоичным суммирующим элементом является четвертьсумматор. Происхождение названия этого элемента следует из того, что он имеет в два раза меньше выходов и в два раза меньше строк в таблице истинности по сравнению с полным двоичным одноразрядным сумматором. Наиболее известны для данной схемы названия: элемент “сумма по модулю 2” и элемент “исключающее ИЛИ”. Схема (рис. 1) имеет два входа а и b для двух слагаемых и один выход S для суммы. Работу её отражает таблица истинности 1 (табл. 1), а соответствующее уравнение имеет вид

(1)

  Рис. 1

Таблица 1

a	b	S

Данный элемент выпускается в виде интегральных схем (ИС) типа ЛП5 (серии 133, 155, 530, 531, 533, 555, 1531, 1533); ЛП12 (555); ЛП107 (100, 500, 1500); ЛП2 (561, 564); ЛП14 (1561) и т. п.

Реализуем четвертьсумматор в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и с использованием только одного инвертора, для чего преобразуем уравнение (1):

(2)

(3)

(4)

Схемы, полученные по уравнениям (2)–(4), приведены на рис. 2.

Рис. 2

Полусумматор

Полусумматор (рис. 3) имеет два входа a и b для двух слагаемых и два выхода: S — сумма, P — перенос. Обозначением полусумматора служат буквы HS (half sum — полусумма). Работу его отражает таблица истинности 2 (табл. 2), а соответствующие уравнения имеют вид:

(5)

  Рис. 3

Таблица 2

a	b	P	S

Из уравнений (5) следует, что для реализации полусумматора требуется один элемент “исключающее ИЛИ” и один двухвходовый вентиль И (рис. 3б).

Полный одноразрядный двоичный сумматор

Он (рис. 4) имеет три входа: a, b — для двух слагаемых и p — для переноса из предыдущего (более младшего) разряда и два выхода: S — сумма, P — перенос в следующий (более старший) разряд. Обозначением полного двоичного сумматора служат буквы SM. Работу его отражает таблица истинности 3 (табл. 3).

  Рис. 4

Таблица 3

№ наб.	a	b	p	P	S

Отметим два момента. Первый: в табл. 2 и 3 выходные сигналы P и S не случайно расположены именно в такой последовательности. Это подчеркивает, что PS рассматривается как двухразрядное двоичное число, например, 1 + 1 = 2₁₀ = 10₂, то есть P = 1, а S = 0 или 1 + 1 + 1 = 3₁₀ = 11₂, то есть P = 1, а S = 1. Второй: выходные сигналы P и S полного двоичного сумматора относятся к классу самодвойственных функций алгебры логики. Самодвойственными называют функции, инвертирующие своё значение при инвертировании всех переменных, от которых они зависят. Обратите внимание, что P и S для четвертьсумматора и полусумматора не являются самодвойственными функциями! Преимущества, вытекающие из этого свойства полного двоичного сумматора, будут рассмотрены при анализе возможностей ИС типа 155ИМ1.

Уравнения, описывающие работу полного двоичного сумматора, представленные в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ), имеют вид:

(6)

Уравнение для переноса может быть минимизировано:

P = ab + ap + bp. (7)

При практическом проектированиии сумматора уравнения (6) и (7) могут быть преобразованы к виду, удобному для реализации на заданных логических элементах с некоторыми ограничениями (по числу логических входов и др.) и удовлетворяющему предъявляемым к сумматору требованиям по быстродействию.

Например, преобразуем уравнения (6) следующим образом:

(8)

Из выражений (8) следует, что полный двоичный сумматор может быть реализован на двух полусумматорах и одном двухвходовом элементе ИЛИ. Соответствующая схема приведена на рис. 5.

Рис. 5

Из выражения (8) для S также следует:

S = a Å b Å p. (9)

Примечание. Так как операция Е в выражении (9) коммутативна (переменные можно менять местами), то следует, что три входа полного двоичного сумматора абсолютно равноправны и на любой из них можно подавать любую входную переменную. Это полезно помнить, разводя печатные платы, на которых установлены ИС сумматоров

Дата добавления: 2014-01-20