Характеристики комбинационных схем
Лабораторная работа № 2
ПОСТРОЕНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ
НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
Цель работы. Изучение методов построения комбинационных схем на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Комбинационные схемы
В ЦВМ информация кодируется в двоичном коде и представляется в виде множества двоичных сигналов. Каждому из этих сигналов соответствует двоичная переменная, принимающая лишь два значения 0 и 1. Отсюда следует, что любую схему в ЦВМ можно представить как функциональный преобразователь, в котором появление на входах какой-либо комбинации из нулей и единиц вызывает появление на выходах определенной комбинации из нулей и единиц. При этом выделяются два основных класса схем - комбинационные схемы (КС) и конечные автоматы (КА).
В КС значения выходных сигналов в момент времени t однозначно определяются значениями входных сигналов в тот же момент времени. В КА выходные сигналы зависят также и от состояния автомата, которое, в свою очередь, зависит от входных сигналов, поступивших в предыдущие моменты времени.
Технические вопросы построения КС решаются с помощью аппарата алгебры логики. в котором основным понятием является понятие переключательной (или булевой) функции. Если значения ПФ отождествить с выходными сигналами схемы, а значения ее аргументов – с входными сигналами, то функция будет описывать процесс преобразования электронной схемой входных сигналов в выходные. На этом основано приложение алгебры логики к построению КС.
Общий вид КС представлен на рис. 1:
Рис.1. Комбинационная схема
Схема имеет n входов и m выходов и реализуют m ПФ от n аргументов:
;
;
. . . .
.
Характеристики комбинационных схем
В КС значения входных сигналов определяются путем последовательного преобразования входных сигналов в промежуточные и промежуточных - в выходные, т.е. путем многоуровневого преобразования. При определении уровней КС используется правило: каждых элемент i-го уровня (i > 1) должен иметь хотя бы один вход, подключенный к выходу элемента (i – 1)-го уровня. Нулевой уровень составляют входы КС, на элементы первого уровня поступают только входные сигналы. Обратная связь, т.е. подключение выхода элемента какого-либо уровня ко входу элемента того же или младшего уровня, не допускается. Таким образом, число уровней r в КС равно максимальному числу элементов, проходя через которые сигнал от входа КС достигает до ее выхода. Если на любом элементе сигнал задерживается на время , то значение задержки будет определять быстродействие КС.
Сложность КС характеризуется суммарным числом S входов логических элементов.
Важными характеристиками системы элементов, используемых при построении КС, являются коэффициент объединения J и коэффициент разветвления F.
Коэффициент объединения J задает максимальное число входов элемента/ Это число входов и называется коэффициентом объединения J. Если требуемое число входов элементов больше значения J, то производится так называемое разделение входов с помощью дополнительных элементов. Покажем процедуру разделения входов на примерах.
Пусть необходимо реализовать в булевом базисе функцию от четырёх аргументов при J = 2. Используя скобочную форму записи, получим: . Схема показана на рис. 2:
Рис.2. Схема, реализующая функцию
Рассмотрим функцию в базисе И-НЕ при J = 2. Преобразуем функцию следующим образом: . Схема показана на рис. 3:
Рис.3. Схема, реализующая функцию
Разделение входов всегда сопровождается уменьшением быстродействия т.к. увеличивается суммарная задержка сигналов.
Коэффициент разветвления F задает максимальное число входов элементов, которые можно соединить с выходом данного элемента не вызывая искажений сигналов 0 и 1, превышающих заданные приделы. Если в КС оказался перегруженным какой-либо элемент, то принимаются меры к его разгрузке. Разгрузка может выполнять дублированием выходного сигнала или дублированием элемента.
Пусть F = 4 и к выходу некоторого элемента необходимо подключить 6 входов других элементов. Тогда для дублирования сигнала можно использовать два инвертора (рис. 4):
Рис. 4. Дублирование выходного сигнала
Недостатком этого метода является увеличение задержки сигнала в схеме. От этого недостатка свободен способ разгрузки за счет дублирования элемента (рис. 5):
Рис. 5. Дублирование элемента
Порядок выполнения работы
Содержанием работы является: аналитическая запись заданной ПФ 3-х аргументов в булевом базисе, преобразование полученного выражения в базис И-НЕ и ИЛИ-НЕ, построение схем с использованием программы«ЕВЕМА-2» на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ и контроль правильности их работы.
Работу рекомендуется выполнять в следующей последовательности:
- аналитическая запись заданной ПФ 3-х аргументов в булевом базисе;
- преобразовать заданную ПФ 3-х аргументов в базис И-НЕ и ИЛИ-НЕ;
- набрать на компьютере КС в базисе И, ИЛИ,НЕ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ;
- проверить правильность работы схемы, задавая на ее входах всевозможные наборы значений переменных.