Цифровая электроника

Синтез комбинационного цифрового устройства

Синтез КЦУ предусматривает построение структурной схемы устройства, т.е. определение состава необходимых логических элементов и соединений между ними, при которых обеспечивается преобразование входных цифровых сигналов в выходные в соответствии с заданными условиями работы устройства. В процессе синтеза обычно подразумевается необходимость минимизации аппаратных затрат на реализацию устройства. Рассмотрим синтез КЦУ с одним выходом. Последовательность синтеза целесообразно разбить на ряд этапов:

1. запись условий функционирования КЦУ в виде таблиц истинности, логической функции, последовательности десятичных чисел или кубического комплекса;
2. запись и минимизация СДНФ или СКНФ;
3. запись минимизированной структурной формулы и ее преобразование с помощью законов и тождеств алгебры логики в заданном базисе, обычно И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ;
4. оставление структурной схемы КЦУ, т.е. изображение нужных логических элементов и связей между ними.

Проиллюстрируем пример синтеза КЦУ на элементах И-НЕ для реализации логической функции, заданной в виде десятичных цифр

Структурная формула в СДНФ имеет вид

После выполнения процесса минимизации методами, рассмотренными в теме 1, получим МДНФ

Для перехода к заданному базису И-НЕ поставим два знака инверсии над правой частью формулы и применим к ней правило де Моргана. В результате получим структурную формулу в следующем виде:

>Структурная схема синтезированного на основе заданных условий КЦУ и соответствующего полученной формуле приведена на рис. 4.5. Элемент DD1.1 инвертирует сигнал с линии А, элемент DD1.3 – с линии C. Поскольку , то входы этих элементов можно объединить. Для реализации заданной функции оказалось достаточным использование одной микросхемы К155ЛА3 или ее аналогов, содержащей в себе четыре двухвходовых элемента И-НЕ.

Рис. 4.5. Пример синтеза произвольного КЦУ.

На практике широко применяются КЦУ, имеющие несколько выходов. При проектировании таких устройств можно воспользоваться рассмотренным ранее аппаратом синтеза, если представить устройство в виде совокупности соответствующего числа КЦУ с общими входами. При построении сложных цифровых устройств широко применяются не только отдельные логические элементы, реализующие элементарные булевы функции, но и их комбинации в виде типовых структур, выполненных как единое целое в виде интегральных микросхем. На входы таких структур могут подаваться информационные логические сигналы и сигналы управления. Последние могут определять порядок передачи информационных входных сигналов на выход, задавать состояние трехуровневых выходов элементов или играть роль сигналов синхронизации. Перейдем к рассмотрению типовых комбинационных устройств и начнем с сумматоров.