Мультиплексор

Эта статья о переключении электроники. Для телекоммуникаций см. мультиплексирование .

Схема мультиплексора 2-в-1. Его можно приравнять к управляемому переключателю.

Схема демультиплексора 1-2. Как и мультиплексор, его можно приравнять к управляемому переключателю.

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. 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.

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.

Электронный мультиплексор можно рассматривать как переключатель с несколькими входами и одним выходом , а демультиплексор — как переключатель с одним входом и несколькими выходами . Схематическим обозначением мультиплексора является равнобедренная трапеция с более длинной параллельной стороной, содержащей входные контакты, и короткой параллельной стороной, содержащей выходной контакт. 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.

Основная функция мультиплексора: объединение нескольких входов в один поток данных. На принимающей стороне демультиплексор разделяет один поток данных на исходные несколько сигналов.

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 осуществляют передачу 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 селекторных контактах, 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

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

Мультиплексор 2 к 1

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.

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):

Схема мультиплексора 4:1 с 3 входами И и другими вентилями.

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

Signetics S54S157 четырехканальный мультиплексор 2:1

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

См. Также: Обратный мультиплексор

Демультиплексоры принимают один вход данных и несколько входов выбора, а также 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:

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

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

Пример: однобитовый демультиплексор строк от 1 до 4.

обеспечивающих

Демультиплексор Fairchild 74F138 1:8

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
74х156		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.

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.

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, способный создавать произвольные математические функции в области SC. Недавние исследования также показали, что комбинации мультиплексоров могут облегчить крупномасштабные операции умножения-накопления . демонстрация возможности ускорения сверточной нейронной сети на программируемых вентильных матрицах .

См. также

• Мультиплексор доступа к цифровой абонентской линии (DSLAM)
• Обратный мультиплексор
• Мультиплексирование
  • Мультиплексирование с кодовым разделением
  • Мультиплексирование с частотным разделением
  • Мультиплексирование с временным разделением
  • Мультиплексирование с разделением по длине волны
  • Статистическое мультиплексирование
  • Чарлиплексинг
• Приоритетный кодер
• Правило 184 : клеточный автомат , в котором каждая ячейка действует как мультиплексор значений из двух соседних ячеек.
• Статистический мультиплексор
• Тернарный условный оператор

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