Суматори, дешифратори, мультиплексори

Загальна характеристика суматорів

Суматором називається функціональний вузол комп’ютера, призначений для додавання двох n-розрядних слів (чисел). Опера­ція віднімання заміняється додаванням слів в оберненому або допо­вняльному коді. Операції множення та ділення зводяться до реалі­зації багаторазового додавання та зсування. Тому суматор є важли­вою частиною арифметико-логічного пристрою. Функція суматора позначається буквами SM або?.
Суматор складається з окремих схем, які називаються одно­розрядними суматорами; вони виконують усі дії з додавання зна­чень однойменних розрядів двох чисел (операндів). Суматори кла­сифікуються за такими ознаками:
1)способом додавання – паралельні, послідовні та пара­лельно-послідовні;
2)числом входів – напівсуматори, однорозрядні та багаторозрядні суматори;
3)організацією зберігання результату додавання – комбінаційні, накопичувальні, комбіновані

4)організацією перенесення між розрядами – з послідовним, наскрізним, паралельним або комбінованим перенесеннями (з груповою структурою);
5)системою числення – позиційні (двійкові, двійково-десят­кові, трійкові) та непозиційні, наприклад, у системі залишкових кла­сів;
6)розрядністю (довжиною) операндів – 8-, 16-, 32-, 64-роз­рядні;
7)способом представлення від’ємних чисел – в оберненому або доповняльномукодах, а також в їхніх модифікаціях; часом додавання – синхронні, асинхронні.

У паралельних n-розрядних суматорах значення всіх розря­дів операндів поступають одночасно на відповідні входи однорозрядних підсумовуючих схем. У послідовних суматорах значення розрядів операндів та перенесення, що запам’ятовувалися в минуло­му такті, поступають послідовно в напрямку від молодших розря­дів до старших на входи одного однорозрядного суматора. В пара­лельно-послідовних суматорах числа розбиваються на частини, наприклад, байти, розряди байтів поступають на входи восьмирозрядного суматора паралельно (одночасно), а самі байти – послі­довно, в напрям­ку від молодших до старших байтів з урахуванням запам’ятованого перенесення.
У комбінаційних суматорах результат операції додавання запам’ятовується в регістрі результату. В накопичувальних суматорах процес додавання поєднується із зберіганням результату. Це пояснюється використанням Т-тригерів як однорозрядних схем додавання.
Організація перенесення практично визначає час виконання операції додавання. Послідовні перенесення схемно створюються просто, але є повільнодіючими. Паралельні перенесення схемно ор­ганізуються значно складніше, але дають високу швидкодію.

Розрядність суматорів знаходиться в широких границях: 4–16 – для мікро- та міні-комп’ютерів та 32–64 і більше – для універ­сальних машин.
Суматори з постійним інтервалом часу для додавання називаються синхронними. Суматори, в яких інтервал часу для додавання визначається моментом фактичного закінчення операції, називаються асинхронними. В асинхронних суматорах є спеціальні схеми, які визначають фактичний момент закінчення додавання і повідомляють про це в пристрій керування. На практиці переважно використовуються синхронні суматори.

Суматори характеризуються такими параметрами: швидкодією – часом виконання операції додавання ta, який відраховується від початку подачі операндів до одержання результату; часто швидкодія характеризується кількістю додавання в секунду Fa=1/ta, тут маються на увазі операції типу регістр–регістр (тоб­то числа зберігаються в регістрах АЛП); апаратурними витратами: вартість однорозрядної схеми додавання визначається загальним числом логічних входів використа­них елементів; вартість багаторозрядного суматора визначається загальною кількістю використаних мікросхем;споживаною потужністю суматора.

Дешифратори.

Дешифратором називається функціональний вузол комп’ютера, призначений для перетворення кожної комбінації вхідного двійкового коду в керуючий сигнал лише на одному із своїх виходів. У загальному випадку дешифратор має n однофазних входів (іноді 2n парафазних) і m=2 виходів, де n – розрядність (довжина) коду, який дешифрується. Дешифратор з максимально можливим числом виходів m=2n називається повним. Функціонування повного дешифратора описується системою логічних виразів вигляду:

………………………
 Fm-1 = Xn Xn-1 … X2 X1,

де X1,..., Xn – вхідні двійкові змінні; F0, F1,..., Fm-1 – вихідні логічні функ­ції, що являють собою мінтерми (конституєнти 1) n змінних.
Індекс функції Fi визначає номер обраного виходу і відповідає десятковому еквіваленту вхідного коду. Вихід, на якому з’являється керуючий сигнал, називається активним. Якщо значення сигналу на активному виході відображається лог.1, то на решті пасивних виходів встановлюється лог.0. Двійковий код, який вміщує завжди тільки одну одиницю, а інші – нулі, називається унітарним. Тому дешифратор є перетворювачем вхідного позиційного коду в унітарний вихідний код.

У дешифраторах в інтегральному виконанні стан активного виходу часто відображається значенням лог.0, а на інших пасивних виходах установлюється лог.1. Функціонування повного дешифратора з інверсними виходами представляється  системою виду:

де L0, L1,..., Lm-1 – вихідні логічні функції, що є макстермами (конституєнти 0) n змінних.
Індекс функції Li визначає номер вибраного виходу і відповідає десятковому еквіваленту вхідного коду. Між двома видами вихідних функцій існує простийзв’язок:
Дешифратори класифікують за такими ознаками: способом структурної організації – одноступеневі (лінійні) і багатоступеневі, в тому числі пірамідальні та прямокутні (матричні); форматом вхідного коду – двійкові, двійково-десяткові; розрядністю коду,  який дешифрується – 2, 3,..., n; формою подачі вхідного коду – з однофазними і парафазними входами; кількістю виходів – повні й неповні дешифратори; видом вхідних стробуючих сигналів – в прямому або інверс­­ному значеннях; типом використовуваних логічних елементів – І, НЕ, ЧИ, НЕ І, НЕ ЧИ і т.д. До основних характеристик дешифратора відносять: число ступенів (каскадів) дешифрації, кількість використаних логічних елементів або мікросхем, загальне число входів логічних елементів, час дешифрації і споживану потужність. Умовні графічні позначення дешифраторів на електричних схемах показані на рис.7.

а)                           б)
Рис. 7. Умовні графічні позначення дешифратора:

а – на функціональних схемах, б – на принципіальних схемах.
Логічна функція дешифратора позначається буквами DC (de-coder). Мітки лівого додаткового поля в умовному позначенні відображають десяткові ваги вхідних змінних, а мітки правого додаткового поля відповідають десятковим еквівалентам вхідних комбінацій двійкових змінних. У схему дешифраторів вбудовуються один або два стробуючих (дозволяючих) входи, наприклад, W (рис.6.1, б). За допомогою сигналу на вході W визначається момент спрацювання дешифратора; крім того, вхід W використовується для нарощування розрядності вхідного коду. На практиці повний дешифратор на n входів і m виходів для стислості називають дешифратором "з n в m" або "n ® m". Наприклад, дешифратор "з 3 у 8" –активізується одна з восьми вихідних ліній.
В комп’ютерах дешифратори використовують для виконання таких операцій:
Дешифрації коду операції, записаного в регістр команд процесора, що забезпечує вибір потрібної мікропрограми;
перетворення коду адреси операнда в команді в керуючі сигнали вибору заданої комірки пам’яті в процесі записування або читання інформації;
забезпечення візуалізації на зовнішніх пристроях; реалізації логічних операцій та побудови мультиплексорів і демультиплексорів.

Використання дешифраторів для дешифрації коду операції і адреси операнда, розташованих в регістрі команд процесора, показано на рис.6.2. Дешифрація коду операції в пристрої керування (ПК) визначає тип машинної команди. Дешифрація адреси операнда в оперативній пам’яті (ОП) забезпечує доступ до вказаної комірки пам’яті для записування або зчитування даних.

Рис. 8. Ілюстрація використання дешифраторів

Мультиплексори

Мультипле́ксори відносяться до пристроїв комутування цифрової інформації. Вони здійснюють комутацію одного з декількох інформаційних входів x_i до одного виходу y. Мультиплексори мають декілька інформаційних входів, адресні входи, вхід дозволу мультиплексування (стробуючий вхід) та один вихід.

Кожному з інформаційних входів мультиплексора відповідає номер, який називається адресою, двійкове число якого подається до адресних входів.

Число інформаційних входів n_інф і число адресних входів n_адр зв'язані співвідношенням: n_інф=2ⁿ_адр.

Адресний дешифратор D1, перетворює двійковий код у десятковий для керування роботою мультиплексора. В залежності від комбінації стану адресних входів а₁ та а₂ на одному з чотирьох виходів дешифратора з'являється одиничний потенціал, який дає дозвіл на спрацьовування відповідної схеми І (D2…D5). Наприклад, при адресному числі 01, коли а₁= 1 та а₂= 0, на виході 1 дешифратора D1 установлюється рівень логічної одиниці, а на всіх останніх — нульовий. Тому логічний елемент D3 має дозвіл на спрацьовування.

Якщо при цьому на інформаційному вході x₁ діє логічна одиниця, то на виході D3 установлюється 1, а при x₁=0 на виході логічного елемента D3 буде теж нульовий потенціал. При цьому, незалежно від стану інформаційних входів x₀, x₂, x₃, на виході логічного елемента АБО D6 інформація повторює стан x₁. Якщо активізований вхід дозволу E=1, то на виході мультиплексора y з'являється 1 або 0 в залежності від значення x₁.

Адресні входи		Керуючий вхід E	Вихід y
а1	а2
X 0 1 0 1	X 0 0 1 1	0 1 1 1 1	0 x0 x1 x2 x3

Таблиця 2.- Таблиця істиності Функціонування мультиплексора

 

Рис.9 Схема 2-в-1 мультиплексора.

При нульовому керуючому сигналі E=0 зв'язок між інформаційними входами x_i та виходом y відсутній. Тому незалежно (позначка «X») від стану адресних входів а₁ та а₂ вихід y нульовий. При E=1 на вихід передається логічний рівень того з інформаційних входів x_i номер якого i заданий на адресних входах.

Мультиплексори мають різне число входів, починаючи з 2. Деякі мультиплексори мають комплементарний вихід (прямий y та інверсний. При комутації багаторозрядних слів використовують декілька мультиплексорів, виходи яких з'єднуються за схемою АБО. Для цієї мети випускаються декілька однотипних мультиплексорів в одному корпусі.

 

 

Рис.10.Мультиплексор 4-1; а — схема; б — умовне позначення.