Универсальным логическим модулем (УЛМ) называют такой логический элемент, который в зависимости от его настройки может реализовать любую необходимую логическую функцию входных сигналов. К УЛМ близки так называемые многофункциональные логические элементы (МФЛЭ), позволяющие в зависимости от настройки реализовать одну из нескольких возможных логических функций.
Настройку УЛМ и МФЛЭ можно осуществлять одним из двух возможных способов:
= подачей соответствующих комбинаций управляющих сигналов на специальные настроечные входы (в качестве последних иногда используют обычные входы);
= программированием внутренних соединений модуля, что может выполнятся различными способами (например, прожиганием ненужных внутренних перемычек с помощью внешних электрических воздействий, осуществляемых в процессе записи программы).
При реализации УЛМ и МФЛЭ в виде интегральных микросхем учитывают, что число логических элементов, формируемых в микросхеме, практически не сказываются на стоимости этой микросхемы. Поэтому внутренняя схема УЛМ может состоять из большего числа схемных элементов, ограничено только число внешних выводов микросхемы.
Первостепенное значение приобретает сопряжение микросхем между собой и внешними устройствами. Поэтому микросхема, состоящая из минимального числа схемных элементов, может оказаться менее экономичной, чем микросхема, обладающая избыточностью, но зато более удобная для внешних сопряжений.
Универсальность модуля, выполненного в виде микросхемы, приводит к его избыточности при конкретных применениях, но именно эта избыточность позволяет специализировать модуль для различных конкретных применений. Рассмотрим некоторые из освоенных нашей промышленностью УЛМ.
Программируемые логические матрицы
Программируемая логическая матрица (ПЛМ) состоит из двух матриц: матрицы И и матрицы ИЛИ (Рисунок 2.10). Матрица И содержит прямые и инверсные шины входных переменных х 1, х 2, х 3,..., х 14 и вертикальные шины, на каждой из которых может быть осуществлена логическая операция И над входными переменными. Матрица ИЛИ позволяет объединять путем использования логической операции ИЛИ логические произведения входных переменных и подавать их на выходы у 1, у 2,..., у 8. Сигналы на выходах определяются как логические суммы логических произведений входных сигналов:
Каждая вертикальная и каждая горизонтальная шины в матрицах связаны между собой специальными перемычками - диодами.
Настройка (программирование) ПЛМ заключается в том, что в матрицах И и ИЛИ разрушают все перемычки-диоды (“прожигают”), кроме необходимых по заданной программе.
Значение входного сигнала (прямой или инверсный) в данной конъюнкции определяется тем, где стоит перемычка-диод: в прямой или инверсной шине. На ПЛМ может быть синтезирована произвольная логическая функция, заданная СДНФ (таблицей соответствия) или в ДНФ. Программирование ПЛМ в зависимости от ее типа может производится либо на заводе-изготовителе ПЛМ, либо у потребителя. Имеются также ПЛМ, допускающие повторное программирование. Кроме ПЛМ, состоящих из двух матриц (И и ИЛИ), получивших наибольшее распространение, выпускается также ПЛМ с меньшими логическими возможностями, состоящие только из одной матрицы И. Выпускается также ПЛМ, состоящие из двух матриц (И и ИЛИ) и дополнительного запоминающего регистра на выходе ПЛМ, что позволяет организовать обратные связи в ПЛМ (подавать выходы ПЛМ на ее входы) без использования дополнительных устройств.
Пусть требуется запрограммировать ПЛМ для синтеза функции F и Q, заданных в СДНФ (или таблицей соответствия):
Рассмотрим первый член СДНФ функции F - 
. В нем значения входных переменных A,B,C,D равны 0001. Это означает, что в ПЛМ, в матрице И, необходимо первую вертикальную шину u1 соединить перемычками-диодами с прямой шиной D и инверсными шинами A,B и C. Аналогично формируются и остальные элементарные конъюнкции (члены СДНФ) для функции F и Q.
На матрице ИЛИ нужные для выхода каждой функции вертикальные шины объединяются перемычками-диодами и образуют дизъюнкции
F = u 1v u 2v u 3v u 4v u 5;
Q = u 2v u 5v u 6v u 7.
Синтезированная схема ПЛМ показана на рисунке 2.10.
Для удобства используют упрощенное начертание схем ПЛМ в виде таблиц, где перемычки-диоды для прямых шин заменены на “1”, а для инверсных шин - на “0”.
Упрощенная схема ПЛМ для данной задачи показана на рисунке 2.11
Пусть требуется синтезировать ПЛМ для функций, заданных в ДНФ:
Поступая указанным выше образом, получим ПЛМ, изображенную на рисунке 2.12. Схемы ПЛМ на рисунках 2.11 и 2.12 логически эквиваленты, но вторая требует меньше объема матрицы, поскольку она построена для минимизированных функций F и Q. Синтезируем еще схему ПЛМ по логическим выражениям
Данные выражения отражают функционирование ДУ с памятью.
Вначале преобразуем эти выражения в ДНФ:
Теперь по этим выражениям синтезируем схему ПЛМ (Рисунок 2.13). В схеме имеется память - обратные связи (выходы поданы на входы).
Если имеющиеся ПЛМ не обеспечивают требуемого числа выходов, то можно включить входы нескольких ПЛМ параллельно, и тогда число выходов растет пропорционально числу ПЛМ, а число входов не изменится. Для увеличения числа внутренних схем И (числа вертикальных шин матрицы И) необходимо включить входы и выходы нескольких ПЛМ параллельно. При этом число внутренних схем И возрастает пропорционально числу ПЛМ, а число входов и выходов не изменится.
Коммутаторы-мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексор представляет собой программируемый коммутатор каналов, имеющий один выход и несколько входов, а также входы адресования, задающий номер входа, подключаемый к выходу мультиплексора.
Имеются мультиплексоры на разное число каналов - на 4,8,16 (в серии ИМС155).
Мультиплексор - это фактически однонаправленный переключатель каналов от нескольких входов к одному выходу. Однако он позволяет также реализовать любую логическую функцию. Мультиплексор на 4 канала позволяет реализовать любую логическую функцию двух переменных (4=22), мультиплексор на 8 каналов - трех переменных (8=23), мультиплексор на 16 каналов - четырех переменных (16=24).
Мультиплексор реализует логическую функцию по ее таблице соответствия (истинности). Если с помощью адресных входов задать первоначальный адрес канала, равный нулю, и затем наращивать его каждый раз на единицу до полного перебора всех возможных состояний входов, то это равноценно просмотру выхода таблицы соответствия (истинности). Поэтому синтез схем на мультиплексорах необходимо вести по таблицам соответствия.
На входы мультиплексора, соответствующие единичным строкам таблицы соответствия (рабочим состояниям, членам СДНФ) данной синтезированной функции, необходимо подать сигнал ”1”, а на входы, соответствующие нулевым строкам таблицы (запрещенным состояниям), - сигнал “0”.
При опросе мультиплексора с помощью адресных входов на выходе сигнал “1” появится лишь на рабочих состояниях (наборах) синтезируемой функции.
Произведем для примера синтез схемы на мультиплексорах для функций F и Q, заданных таблицей истинности (Таблица 2.3). Каждая функция синтезируется на отдельном мультиплексоре. Пронумеруем входы каналов мультиплексора в соответствии с ВС таблицы истинности и, используя адресные входы А,В,С,D для подключения входных переменных, подадим сигнал “1” для функции F на входы 1,9,10,11,14 и для функции Q - на входы 8,9,12,14, а на остальные входы подадим “0”. Получаем две схемы: одну для выхода F, вторую для выхода Q (Рисунок 2.14).
Таблица 2.3
Демультиплексор представляет собой программный коммутатор (однонаправленный переключатель) каналов, имеющий один вход и несколько выходов, а также входы адресования, задающие номера выхода, подключаемый по входу демультиплексора. Работа демультиплексора аналогична работе мультиплексора, только в отличие от мультиплексора, который показывает, при каких состояниях входных переменных функция равна 1 (0), демультиплексор задает значение функции, равное 1 (0) при определенных состояниях входных переменных.
Заметим, что промышленностью в сериях ИМС выпускаются и другие УЛМ, но мы их здесь не рассматриваем.
2014-02-13
4051
