Мультиплексор

В электронике мультиплексор мультиплексор (или ; иногда пишется как мультиплексор ), также известный как селектор данных , представляет собой устройство, которое выбирает между несколькими аналоговыми или цифровыми входными сигналами и пересылает выбранный вход в одну выходную линию. ^[1] Выбор осуществляется с помощью отдельного набора цифровых входов, известных как линии выбора. Мультиплексор $2^{n}$ входы имеет $n$ выберите строки, которые используются для выбора, какую входную строку отправить на выход. ^[2]

Мультиплексор позволяет нескольким входным сигналам совместно использовать одно устройство или ресурс, например, один аналого-цифровой преобразователь или одну среду передачи данных , вместо того, чтобы иметь одно устройство на каждый входной сигнал. Мультиплексоры также можно использовать для реализации логических функций нескольких переменных.

И наоборот, демультиплексор (или демультиплексор ) — это устройство, принимающее один вход и выбирающее сигналы выхода совместимого мультиплексора , который подключен к одному входу, и общей линии выбора. Мультиплексор часто используется с дополнительным демультиплексором на приемной стороне. ^[1]

Электронный мультиплексор можно рассматривать как переключатель с несколькими входами и одним выходом , а демультиплексор — как переключатель с одним входом и несколькими выходами . ^[3] Схематическим обозначением мультиплексора является равнобедренная трапеция с более длинной параллельной стороной, содержащей входные контакты, и короткой параллельной стороной, содержащей выходной контакт. ^[4] На схеме справа показан мультиплексор 2-к-1 слева и эквивалентный переключатель справа. $sel$ провод соединяет нужный вход с выходом.

Приложения

Мультиплексоры являются частью компьютерных систем для отбора данных из определенного источника, будь то микросхема памяти или периферийное оборудование. Компьютер использует мультиплексоры для управления шинами данных и адресами, что позволяет процессору выбирать данные из нескольких источников данных.

В цифровой связи мультиплексоры допускают несколько соединений по одному каналу путем подключения единственного выхода мультиплексора к единственному входу демультиплексора (мультиплексирование с временным разделением). Изображение справа демонстрирует это преимущество. В этом случае стоимость реализации отдельных каналов для каждого источника данных превышает стоимость и неудобство обеспечения функций мультиплексирования/демультиплексирования.

На приемном конце канала передачи данных обычно требуется дополнительный демультиплексор, чтобы разбить одиночный поток данных обратно на исходные потоки. В некоторых случаях дальняя система может иметь более широкие функциональные возможности, чем простой демультиплексор; и хотя демультиплексирование все еще происходит технически, оно никогда не может быть реализовано дискретно. Это может быть тот случай, когда, например, мультиплексор обслуживает несколько пользователей IP- сети; а затем подается непосредственно в маршрутизатор , который немедленно считывает содержимое всей ссылки в свой маршрутизации процессор ; а затем выполняет демультиплексирование в памяти, откуда оно будет преобразовано непосредственно в разделы IP.

Часто мультиплексор и демультиплексор объединяют в одно оборудование, которое называют просто мультиплексором . Оба элемента схемы необходимы на обоих концах линии передачи, поскольку большинство систем связи передают данные в обоих направлениях .

В аналоговых схемах мультиплексор — это особый тип аналогового переключателя, который подключает один сигнал, выбранный из нескольких входов, к одному выходу.

Цифровые мультиплексоры

В конструкции цифровых схем провода селектора имеют цифровое значение. В случае мультиплексора 2-к-1 логическое значение 0 будет соединять $I_{0}$ к выходу, в то время как логическое значение 1 будет подключено $I_{1}$ к выходу. В более крупных мультиплексорах количество селекторных контактов равно $\left\lceil \log _{2}(n)\right\rceil$ где $n$ это количество входов.

Например, для входов от 9 до 16 потребуется не менее 4 штифтов селектора, а для входов от 17 до 32 потребуется не менее 5 штырей селектора. Двоичное значение, выраженное на этих контактах выбора, определяет выбранный входной контакт.

Мультиплексор 2-к-1 имеет логическое уравнение , где $A$ и $B$ это два входа, $S_{0}$ является входом селектора, и $Z$ это вывод:

Z=(A\wedge \neg S_{0})\vee (B\wedge S_{0})

или

Z=(A.{\overline {S_{0}}})+(B.S_{0})

Это можно выразить в виде таблицы истинности :

$S_{0}$	$A$	$B$	$Z$
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	1

Или, в более простых обозначениях:

$S_{0}$	$Z$
0	А
1	Б

Эти таблицы показывают, что когда $S_{0}=0$ затем $Z=A$ но когда $S_{0}=1$ затем $Z=B$ . Для простой реализации этого мультиплексора 2-к-1 потребуются 2 вентиля И, вентиль ИЛИ и вентиль НЕ. Хотя это математически правильно, прямая физическая реализация будет подвержена состояниям гонки , для подавления которых потребуются дополнительные вентили. ^[5]

Мультиплексоры большего размера также распространены и, как указано выше, требуют $\left\lceil \log _{2}(n)\right\rceil$ селекторные штифты для $n$ входы. Другие распространенные размеры: 4 к 1, 8 к 1 и 16 к 1. Поскольку цифровая логика использует двоичные значения, используются степени 2 (4, 8, 16) для максимального управления количеством входов для заданного количества входов селектора.

4-к-1 мультиплексор
8-к-1 мультиплексор
16 к 1 мультиплексор

Булево уравнение для мультиплексора 4 к 1:

Z=(A\wedge \neg {S_{1}}\wedge \neg S_{0})\vee (B\wedge \neg S_{1}\wedge S_{0})\vee (C\wedge S_{1}\wedge \neg S_{0})\vee (D\wedge S_{1}\wedge S_{0})

или

Z=(A.{\overline {S_{1}}}.{\overline {S_{0}}})+(B.{\overline {S_{1}}}.S_{0})+(C.S_{1}.{\overline {S_{0}}})+(D.S_{1}.S_{0})

Это можно выразить в виде таблицы истинности :

$S_{1}$	$S_{0}$	$Z$
0	0	А
0	1	Б
1	0	С
1	1	Д

Следующий мультиплексор 4-к-1 построен из буферов с 3 состояниями и вентилей И (вентили И действуют как декодер):

Индексы на $I_{n}$ входы указывают десятичное значение двоичных управляющих входов, через которые этот вход пропускается.

Объединение мультиплексоров в цепочку

Мультиплексоры большего размера можно построить, используя мультиплексоры меньшего размера, соединяя их вместе. Например, мультиплексор 8-к-1 может быть составлен из двух мультиплексоров 4-к-1 и одного мультиплексора 2-в-1. Два выхода мультиплексора 4-к-1 подаются на 2-к-1, причем селекторные контакты на 4-к-1 включены параллельно, в результате чего общее количество селекторных входов равно 3, что эквивалентно 8-к. -1.

Список микросхем, обеспечивающих мультиплексирование

Для номеров деталей серии 7400 в следующей таблице «x» — это семейство логических устройств.

ИК №.	Функция	Состояние выхода
74x157	Квадратный мультиплексор 2:1.	Вывод такой же, как и заданный ввод
74x158	Квадратный мультиплексор 2:1.	Выход — инвертированный вход
74x153	Двойной мультиплексор 4:1.	Вывод такой же, как ввод
74x352	Двойной мультиплексор 4:1.	Выход — инвертированный вход
74х151А	8:1 мультиплексор.	Доступны оба результата (т.е. взаимодополняющие результаты)
74x151	8:1 мультиплексор.	Выход — инвертированный вход
74х150	16:1 мультиплексор.	Выход — инвертированный вход

Цифровые демультиплексоры

Демультиплексоры принимают один вход данных и несколько входов выбора и имеют несколько выходов. Они перенаправляют ввод данных на один из выходов в зависимости от значений входов выбора. Демультиплексоры иногда удобны для разработки логики общего назначения, поскольку, если входные данные демультиплексора всегда истинны, демультиплексор действует как двоичный декодер . Это означает, что любая функция битов выбора может быть построена путем логического ИЛИ правильного набора выходных данных.

Если X — вход, S — селектор, а A и B — выходы:

$A=(X\wedge \neg S)$ $B=(X\wedge S)$

Список микросхем, обеспечивающих демультиплексирование

Для номеров деталей серии 7400 в следующей таблице «x» — это семейство логических устройств.

ИК № (7400)	ИК № (4000)	Функция	Состояние выхода
74x139		Двойной демультиплексор 1:4.	Выход — инвертированный вход
74x156		Двойной демультиплексор 1:4.	Выход — открытый коллектор.
74x138		1:8 демультиплексор.	Выход — инвертированный вход
74x238		1:8 демультиплексор.
74x154		1:16 демультиплекс.	Выход — инвертированный вход
74x159	CD4514/15	1:16 демультиплекс.	Выход — открытый коллектор и такой же, как вход.

Двунаправленные мультиплексоры

Двунаправленные мультиплексоры построены с использованием аналоговых переключателей или вентилей передачи, управляемых выводами выбора. Это позволяет менять роли ввода и вывода, так что двунаправленный мультиплексор может функционировать как демультиплексор, так и мультиплексор. ^[6]

Мультиплексоры как PLD

Мультиплексоры также могут использоваться как программируемые логические устройства для реализации логических функций. Любая булева функция из n переменных и одного результата может быть реализована с помощью мультиплексора с n входами селектора. Переменные подключаются к входам селектора, а результат функции 0 или 1 для каждой возможной комбинации входов селектора подключается к соответствующему входу данных. Если одна из переменных (например, D мультиплексора с n ) также доступна в инвертированном виде, достаточно -1 входами селектора; входы данных подключены к 0, 1, D или ~ D в соответствии с желаемым выходом для каждой комбинации входов селектора. ^[7]

Нетрадиционное использование мультиплексоров для арифметики

Мультиплексоры нашли применение в нетрадиционных стохастических вычислениях (SC), особенно для облегчения арифметического сложения. В этой парадигме данные представлены как вероятностный битовый поток, где количество битов «1» означает величину значения. Таким образом, функцию мультиплексора 2-к-1 можно представить как функцию вероятности, обозначаемую как:

$y=P(a)\times P(1-s)+P(b)\times P(s)$

, где a и b — входной битовый поток, а s — вход выбора. Использование select input = 0,5 дает:

$y={\frac {P(a)+P(b)}{2}}$

Хотя этот подход не дает точного добавления, а скорее масштабируется, он считается приемлемым в большинстве исследований SC. Мультиплексоры широко используются для таких задач, как сложение средних значений, объединение средних значений и медианная фильтрация в цепях SC. Более того, более сложные применения мультиплексоров включают работу в качестве генератора полиномиальной функции Бернштейна, ^[8] способный создавать произвольные математические функции в области SC. Недавние исследования также показали, что комбинации мультиплексоров могут облегчить крупномасштабные операции умножения-накопления . ^[9] демонстрация возможности ускорения сверточной нейронной сети на программируемых вентильных матрицах .

См. также

Мультиплексор доступа к цифровой абонентской линии (DSLAM)
Обратный мультиплексор
Мультиплексирование
Приоритетный кодер
Правило 184 : клеточный автомат , в котором каждая ячейка действует как мультиплексор значений из двух соседних ячеек.
Статистический мультиплексор
Тернарный условный оператор

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Дин, Тамара (2010). Network+ Руководство по сетям . Дельмар. стр. 82–85. ISBN 978-1423902454 .
^ Дебашис, Де (2010). Базовая электроника . Дорлинг Киндерсли. п. 557. ИСБН 9788131710685 .
^ Липтак, Бела (2002). Справочник приборостроителя: Технологическое программное обеспечение и цифровые сети . ЦРК Пресс. п. 343. ИСБН 9781439863442 .
^ Харрис, Дэвид (2007). Цифровой дизайн и компьютерная архитектура . Пенроуз. п. 79. ИСБН 9780080547060 .
^ Кроу, Джон; Хейс-Гилл, Барри (1998). «Опасность мультиплексора» . Введение в цифровую электронику . Эльзевир. стр. 111–3. ISBN 9780080534992 .
^ «Являются ли коммутаторы и мультиплексоры двунаправленными? | Видео | TI.com» . Техасские инструменты . Проверено 03 августа 2023 г.
^ Ланкастер, Дональд Э. (1974). Поваренная книга ТТЛ . Х.В. Сэмс. стр. 140–3. ISBN 9780672210358 .
^ Наджафи, М. Хасан; Ли, Пэн; Лилья, Дэвид Дж.; Цянь, Вэйкан; Базарган, Киа; Ридель, Марк (29 июня 2017 г.). «Реконфигурируемая архитектура с последовательными логическими стохастическими вычислениями» . Журнал ACM о новых технологиях в вычислительных системах . 13 (4): 57:1–57:28. дои : 10.1145/3060537 . ISSN 1550-4832 .
^ Ли, Ян Ян; Халим, Зайни Абдул; Вахаб, Мохд Надир Аб; Альмохамад, Тарик Аднан (04 марта 2024 г.). «Архитектура сверточной нейронной сети стохастических вычислений, заново изобретенная для высокоэффективной рабочей нагрузки искусственного интеллекта на программируемой пользователем вентильной матрице» . Исследовать . 7 . дои : 10.34133/research.0307 . ISSN 2639-5274 . ПМЦ 10911856 . ПМИД 38439995 .

Дальнейшее чтение

Мано, М. Моррис; Кайм, Чарльз Р. (2008). Основы логики и компьютерного дизайна (4-е изд.). Прентис Холл . ISBN 978-0-13-198926-9 . .

Внешние ссылки

Словарное определение мультиплексора в Викисловаре

[Network+_Guide_to_Networks-1] Jump up to: ^а ^б Дин, Тамара (2010). Network+ Руководство по сетям . Дельмар. стр. 82–85. ISBN 978-1423902454 .

[2] Дебашис, Де (2010). Базовая электроника . Дорлинг Киндерсли. п. 557. ИСБН 9788131710685 .

[3] Липтак, Бела (2002). Справочник приборостроителя: Технологическое программное обеспечение и цифровые сети . ЦРК Пресс. п. 343. ИСБН 9781439863442 .

[4] Харрис, Дэвид (2007). Цифровой дизайн и компьютерная архитектура . Пенроуз. п. 79. ИСБН 9780080547060 .

[5] Кроу, Джон; Хейс-Гилл, Барри (1998). «Опасность мультиплексора» . Введение в цифровую электронику . Эльзевир. стр. 111–3. ISBN 9780080534992 .

[6] «Являются ли коммутаторы и мультиплексоры двунаправленными? | Видео | TI.com» . Техасские инструменты . Проверено 03 августа 2023 г.

[7] Ланкастер, Дональд Э. (1974). Поваренная книга ТТЛ . Х.В. Сэмс. стр. 140–3. ISBN 9780672210358 .

[8] Наджафи, М. Хасан; Ли, Пэн; Лилья, Дэвид Дж.; Цянь, Вэйкан; Базарган, Киа; Ридель, Марк (29 июня 2017 г.). «Реконфигурируемая архитектура с последовательными логическими стохастическими вычислениями» . Журнал ACM о новых технологиях в вычислительных системах . 13 (4): 57:1–57:28. дои : 10.1145/3060537 . ISSN 1550-4832 .

[9] Ли, Ян Ян; Халим, Зайни Абдул; Вахаб, Мохд Надир Аб; Альмохамад, Тарик Аднан (04 марта 2024 г.). «Архитектура сверточной нейронной сети стохастических вычислений, заново изобретенная для высокоэффективной рабочей нагрузки искусственного интеллекта на программируемой пользователем вентильной матрице» . Исследовать . 7 . дои : 10.34133/research.0307 . ISSN 2639-5274 . ПМЦ 10911856 . ПМИД 38439995 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]