Мультиплексирование многоразрядной шины

Арифметико-логическое устройство

Основные элементы ЭВМ

В состав любой ЭВМ входит арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно выполняет некоторый набор арифметических и логических операций над входными словами (операндами) фиксированной разрядности, выдавая результат в виде выходного слова той же разрядности. Вид выполняемой в АЛУ операции задается устройству внешним кодом операции. При арифметических операциях АЛУ учитывает перенос из младших разрядов и генерирует перенос в старшие разряды результата. Логические операции выполняются параллельно и независимо над соответствующими битами операндов.

Кроме переноса в старшие разряды, который представляет собой признак переполнения разрядной сетки АЛУ, в устройстве могут формироваться и другие признаки результата, такие как равенство результата нулю, его положительность, четность и др.

Принцип действия комбинационного АЛУ удобно пояснить с помощью функциональной схемы (рис.1.1). Здесь изображено двухразрядное АЛУ, обеспечивающее выполнение четырех операций: поразрядных логических «И», «ИЛИ», «исключающего ИЛИ» и арифметического сложения. Схема построена на основе набора комбинационных устройств, выполняющих нужные операции, и выходных мультиплексоров. Мультиплексоры передают на выходы АЛУ выходные сигналы тех комбинационных устройств, которые реализуют операцию, заданную кодом операции.

Схемой АЛУ предусмотрено формирование следующих признаков результата:

F2 – переполнение разрядной сетки (перенос в старшие разряды);

P – положительный результат («плюс»);

Z – нулевой результат («ноль»).

Признаки Z и Р формируются всегда, а признак F2 – только при выполнении операции арифметического сложения.

Реальные АЛУ имеют, как правило, значительно большее число выполняемых операций, а их структура синтезируется по таблицам истинности.

Шиной принято называть множество идущих параллельно проводников, имеющих одинаковое функциональное назначение. В цифровой технике многоразрядные шины используются для передачи параллельных двоичных кодов с одного устройства на другое.

Очень часто требуется подключать многоразрядную шину к выходу одного из многих цифровых устройств – источников параллельного двоичного кода, то есть осуществлять мультиплексирование этой шины. Номер активного источника, передающего на шину свой код, задается при этом с помощью двоичного адреса.

Очевидно, что можно решить эту задачу, установив мультиплексоры с нужным числом входов в каждом из разрядов шины. Именно так и сделано при составлении функциональной схемы АЛУ. Однако в общем случае, такое решение оказывается неэкономичным. Повышенные аппаратные затраты связаны здесь с многократным дублированием одинаковых и включенных параллельно по входам дешифраторов, входящих в состав мультиплексоров.

На практике задача мультиплексирования многоразрядной шины решается с помощью особых вариантов цифровых устройств, имеющих выходы с тремя состояниями или открытым коллектором (не путать с общим коллектором!). На схемах такие выходы обозначают так, как показано на рис.1.2.

Принципиальная схема, обеспечивающая мультиплексирование многоразрядной шины, приведена на рис.1.3. Эта схема содержит ряд цифровых устройств АВС0…АВСN, выдающих информацию на шину D3…D0, а также единственный дешифратор, преобразующий поступающий извне адрес активного устройства в набор сигналов выбора устройств (микросхем, кристаллов) .

В каждый момент времени здесь активно лишь одно устройство, которое переводится в активное состояние (выбирается) ложным значением сигнала выбора. Именно оно определяет код, выставленный на шине. Иногда говорят, что активное устройство «захватывает шину». Остальные же устройства пассивны, то есть фактически отключены от шины. Этот режим обеспечивается истинными значениями логических сигналов на их входах выбора.

Современные микросхемы, предназначенные для работы в схеме (рис.1.3), обычно имеют выходы с тремя состояниями. Такие микросхемы удобно рассматривать с помощью модели (рис.1.4), использующей электромагнитное реле.

Рис.1.2. Обозначение на функциональных схемах выходов с тремя состояниями и открытым коллектором

Рис.1.3. Принципиальная схема мультиплексирования многоразрядной шины

Рис.1.4. Модель цифрового устройства, имеющего выходы с тремя состояниями

Основой модели здесь является цифровой блок АВС, выполняющий требуемые функции цифровой обработки. Однако выходы этого блока подсоединены к выводам микросхемы не непосредственно, а через размыкающие контакты реле К.

Если микросхема выбрана (сигнал выбора = 0), контакты реле замкнуты, и выходы с тремя состояниями являются обычными стандартными выходами логических элементов, входящих в цифровой блок. В этом состоянии микросхема передает свой код на шину.

Если же микросхема не выбрана ( = 1), контакты реле разомкнуты, то есть выходы цифрового блока просто отключены от выводов микросхемы, а, следовательно, и от выходной шины. Это третье состояние выходов (в дополнение к двум обычным: «логический ноль» и «логическая единица») часто называют высокоимпедансным.

В реальных устройствах функции реле К и его контактов конечно же выполняют полупроводниковые структуры.

Выходы с открытым коллектором типичны для микросхем, разработанных относительно давно. Тем не менее, такие микросхемы производятся и широко используются.

Выходной каскад с открытым коллектором отличается от стандартного выходного каскада ТТЛ логического элемента отсутствием верхнего выходного транзистора и относящихся к нему элементов (рис.1.5).

Рисунок показывает, что слова «открытый коллектор» означают просто то, что коллектор выходного транзистора VT4 никуда не подключен внутри микросхемы. Для нормальной работы выход с открытым коллектором должен быть соединен с «плюсом» источника питания через резистор нагрузки R_Н соответствующего номинала.

Рис.1.5. Построение выходного каскада логического элемента с открытым коллектором

Цифровые устройства, имеющие многоразрядный выход с открытым коллектором, строятся с использованием элементов Шеффера по схеме (рис.1.6).

Рис.1.6.Построение многоразрядного цифрового устройства, имеющего выходы с открытым коллектором

Устройства, имеющие выходы с открытым коллектором, подключают к многоразрядной шине точно также как и устройства, имеющие выходы с тремя состояниями. Однако сами проводники шины должны быть обязательно подключены к «плюсу» источника питания через нагрузочные резисторы. В этом случае оказывается, что выходные транзисторы всех пассивных устройств (для них сигнал выбора = 1) закрыты независимо от выходных сигналов их цифровых блоков, то есть эти устройства отключаются от шины. Напротив, единственное активное устройство (для него = 0) передает на шину данных выходные сигналы своего цифрового блока, инвертированные в элементах Шеффера.

Элементы, имеющие выходы с тремя состояниями или открытым коллектором, не только вводят в состав сложных цифровых устройств, но и выпускают в виде отдельных многоразрядных микросхем. В частности, выпускаются многоразрядные микросхемы повторителей или инверторов, имеющие выходы с тремя состояниями и повышенную нагрузочную способность. Такие микросхемы называют шинными формирователями. Они используются в тех случаях, когда нужно связать с многоразрядной шиной цифровые устройства, не имеющие выходов с тремя состояниями, либо имеющие маломощные выходы.

Дата добавления: 2014-01-04