ТИПОВІ ВУЗЛИ ЦИФРОВОЇ СХЕМОТЕХНІКИ 1. ДЕШИФРАТОРИ І ШИФРАТОРИ 1.1. Дешифратори До типових вузлів належать логічні схеми, які найчастіше використовуються в цифрових ЕОМ. Серед них існують як комбінаційні так і послідовнісні схеми з пам’яттю. Дешифратор (декодер) – це типова логічна комбінаційна схема з n інформаційними входами і 2n виходами. Тобто це схема призначена для реалізації конституент одиниці. Розрізняють повні і неповні дешифратори. Повні дешифратори реалізують конституент, де n – це число інформаційних входів. Неповні дешифратори реалізують менше ніж конституент. Функціонування повного дешифратора описується системою логічних виразів вигляду: ; ; ... , де – вхідні двійкові змінні; , , ..., – вихідні логічні функції, що являють собою мінтерми. Якщо дешифратор неповний, то число виходів менше ніж . Таблиця істинності функцій повного дешифратора, для , має вигляд: Індекс функції визначає номер обраного виходу і відповідає десятковому еквіваленту вхідного коду. Вихід, на якому з’являється керуючий сигнал, називають активним. Якщо значення сигналу на активному виході відображається логічною 1 (H), то на решті пасивних виходів встановлюється логічний 0 (L). Двійковий код, який завжди містить тільки одну одиницю, решта – нулі, називається унітарним. Тому дешифратори є перетворювачами вхідного позиційного коду в унітарний вихідний. Зауважимо, що крім позначень H і L для логічних входів і виходів можуть вживатись позначення X (байдужий – 0 чи 1) і Z , що відповідає буферу виходу зі Z станом. У дешифраторах в інтегральному виконанні стан активного виходу часто відображається значення логічний 0 (L), а на інших пасивних виходах установлюється логічна 1 (H). Функціонування повного дешифратора з інверсними виходами представляється логічними формулами вигляду: ; ; ... , де , , ..., – вихідні логічні функції, що являють собою макстерми. Розглянемо деякі методи побудови дешифраторів з використанням пакету MAX+plus II та мови програмування апаратури AHDL. 1.2. Побудова дешифратора з використанням пакету MAX+PLUS II і мови опису апаратури AHDL Приклад 1. Побудувати повний дешифратор при користуючись пакетом MAX+plus II та дослідити його роботу. На рис. 1 наведено схему повного дешифратора, його символ та результати моделювання Рис. 1 Побудова повного дешифратора при n=3 із використанням логічного оператора IF THEN SUBDESIGN dc3_8_IF ( i[2..0] : INPUT ; Z[7..0] : OUTPUT;) BEGIN IF i==0 THEN Z[]=1; ELSIF i==1 THEN Z[]=2; ELSIF i==2 THEN Z[]=4; ELSIF i==3 THEN Z[]=8; ELSIF i==4 THEN Z[]=16; ELSIF i==5 THEN Z[]=32; ELSIF i==6 THEN Z[]=64; ELSIF i==7 THEN Z[]=128; END IF; END; Результати моделювання Приклад 2.1. Користуючись пакетом MAX+plus II і мовою опису апаратури AHDL побудувати неповний дешифратор на три входи (), у якого задаються шість виходів , а два – не задаються. На рис. 2 наведено схему такого дешифратора dc3_8_67 та результати його моделювання Рис. 2 Як бачимо, одержані результати моделювання є правильними: передбачувані вихідні сигнали є унітарними, а заборонені () – нульовими. Зауважимо, що під час побудови неповних дешифраторів можливе здійснення мінімізації функції виходів за рахунок наборів, на яких функції невизначені. Наприклад, для неповного дешифратора dc3_5_np, наведеного нижче, функції виходів можна спростити із урахуванням заборонених наборів 6 та 7. Мінімізація вказаних наборів здійснюється за допомогою карти Карно (К_К) проілюстрована на рис. 3 Рис.3 Виконав[ім’я автора приховано] ; ; ; ; ; . Нижче наведено реалізацію неповного дешифратора при з використанням пакету MAX+plus. На рис. 4 наведено схему та результати моделювання такого дешифратора. Рис. 4 Звернемо увагу на те, що для такого дешифратора набори з номерами 6 та 7 вважаються забороненими. Якщо вказані набори подаватимуться на входи дешифратора, то на його виходах можуть виникнути помилкові сигнали. Наприклад, набір викличе одиничні значення функцій і , а набір – одиничні значення функцій і . Розглянемо варіанти реалізації поставленої задачі, які не сприяють виникненню помилкових вихідних сигналів. Реалізація неповного дешифратор з використанням оператора IF THEN із додаванням чисел SUBDESIGN dc3_8_67_IF ( i[2..0] : INPUT ; Z[5..0] : OUTPUT;) BEGIN IF i==0 THEN Z[]=1; ELSIF i==1 THEN Z[]=2; ELSIF i==2 THEN Z[]=4; ELSIF i==3 THEN Z[]=8; ELSIF i==4 THEN Z[]=16; ELSIF i==5 THEN Z[]=32; ELSIF i==6 THEN Z[]=4 + 16; ELSIF i==7 THEN Z[]=8 + 32; END IF; END; Реалізація неповного дешифратор з використанням оператора IF THEN і операції кон’юнкції SUBDESIGN dc3_8_67_IF_k ( i[2..0] : INPUT ; Z[5..0] : OUTPUT;) BEGIN IF i==0 THEN Z[]=1; ELSIF i==1 THEN Z[]=2; ELSIF i==2 THEN Z[]=4; ELSIF i==3 THEN Z[]=8; ELSIF i==4 THEN Z[]=16; ELSIF i==5 THEN Z[]=32; ELSIF i==6 THEN Z[]=4 & 16; ELSIF i==7 THEN Z[]=8 & 32; END IF; END; Результати моделювання Одержаний вигляд результату можна одержати, якщо ввести в схему (рис.5) корегуючий елемент (kor_element), який можна отримати наступним чином. Розглядаються набори, на яких функції виходів невизначені і виконується склеювання, якщо це можливо. У нашому випадку це набори 110 і 111, які можна склеїти за змінною . В результаті склеювання отримуємо імпліканту , яка є основою для побудови корегуючого елемента. А саме, корегуючи виходи за допомогою логічного елемента І-НЕ вигляду (див рис. 5), отримаємо уже правильні вихідні сигнали, що і підтверджує результат моделювання. Рис. 5 1.3. Побудова дешифраторів з використанням мови опису апаратури AHDL Приклад 3. Побудувати повний дешифратор при з використанням мови опису апаратури AHDL та дослідити його роботу. Побудову шифраторів з використанням мови опису апаратури AHDL можна виконати декількома способами. 10. Реалізація повного дешифратора при з використанням оператора CASE мови AHDL (текстовий файл dc3_8_t). На рис. 6 наведено результати моделювання побудованого дешифратора. SUBDESIGN dc3_8_t ( code[2..0] : INPUT ; Out[7..0] : OUTPUT; ) BEGIN CASE code[] IS WHEN 0 => Out[]=B"00000001"; WHEN 1 => Out[]=B"00000010"; WHEN 2 => Out[]=B"00000100"; WHEN 3 => Out[]=B"00001000"; WHEN 4 => Out[]=B"00010000"; WHEN 5 => Out[]=B"00100000"; WHEN 6 => Out[]=B"01000000"; WHEN 7 => Out[]=B"10000000"; END CASE; END; Рис. 6 20. Реалізація повного дешифратора при з використанням таблиці істинності TABLE мови AHDL (текстовий файл dc3_8_tr_tb)). На рис. 7 наведено результати моделювання побудованого дешифратора. SUBDESIGN dc3_8_tr_tb ( i[2..0] : INPUT ; Y[7..0] : OUTPUT; ) BEGIN TABLE i[]=>Y[]; 0 => 1; 1 => 2; 2 => 4; 3 => 8; 4 => 16; 5 => 32; 6 => 64; 7 => 128; END TABLE; END; Рис. 7 Приклад 4. Побудувати неповний дешифратор при користуючись мовою опису апаратури AHDL. 10. Реалізація неповного дешифратора при з використанням таблиці істинності TABLE мови AHDL (текстовий файл dc3_5_tr_tb) . На рис. 8 наведено результати моделювання побудованого дешифратора. SUBDESIGN dc3_5_tr_tb ( k[2..0] : INPUT ; Z[7..0] : OUTPUT; ) BEGIN TABLE k[]=>Z[]; 0 => B"xx000001"; 1 => B"xx000010"; 2 => B"xx000100"; 3 => B"xx001000"; 4 => B"xx010000"; 5 => B"xx100000"; END TABLE; END; Рис.8. 20. Реалізація неповного дешифратора при з використанням оператора DEFAULTS мови AHDL (текстовий файл dc3_5_np_t). Результати моделювання наведено на рис. 9. SUBDESIGN dc3_5_np_t ( in[2..0] : INPUT; z[7..0] : OUTPUT; ) BEGIN DEFAULTS Z[] = GND; END DEFAULTS; TABLE in[] => z[]; 0 => 1; 1 => 2; 2 => 4; 3 => 8; 4 => 16; 5 => 32; END TABLE; END; Рис. 9 Зауважимо, що у випадку використання змінної х як імені вхідної групи, компілятор видає повідомлення про помилку вигяду. Це зв’язано з тим, що змінна х є зарезервованим ідентифікатором. Нижче наведено програму, яка реалізовує неповний дешифратор 4_5 та результати його моделювання (рис. 10). SUBDESIGN dc4_5_tr_tb ( k[3..0] : INPUT ; Z[15..0] : OUTPUT; ) BEGIN TABLE k[]=>Z[]; 0 => B"xxxxxxxxxx000001"; 1 => B"xxxxxxxxxx000010"; 2 => B"xxxxxxxxxx000100"; 3 => B"xxxxxxxxxx001000"; 4 => B"xxxxxxxxxx010000"; 5 => B"xxxxxxxxxx100000"; END TABLE; END; Рис. 10