Мультиплексор

Устройство, которое выбирает между несколькими аналоговыми или цифровыми входными сигналами.

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 (или мультиплексор ; 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 входов имеет строки выбора, которые используются для выбора входной строки для отправки на выход. ^[2] ${\displaystyle 2^{n}}$ ${\displaystyle n}$

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] Схематическое обозначение мультиплексора представляет собой равнобедренную трапецию 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. Провод соединяет нужный вход с выходом. ${\displaystyle sel}$

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 процессор маршрутизации ; 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 подключаться к выходу, а логическое значение 1 — к выходу. В более крупных мультиплексорах количество контактов селектора равно числу входов. ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle I_{1}}$ ${\displaystyle \left\lceil \log _{2}(n)\right\rceil }$ ${\displaystyle n}$

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 и — два входа, — вход селектора, а — выход: ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle S_{0}}$ ${\displaystyle Z}$

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

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

Мультиплексор 2 к 1

Это можно выразить в виде таблицы истинности :

Или, в более простых обозначениях:

Эти таблицы показывают, что когда тогда , но когда тогда . 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] ${\displaystyle S_{0}=0}$ ${\displaystyle Z=A}$ ${\displaystyle S_{0}=1}$ ${\displaystyle Z=B}$

Также распространены мультиплексоры большего размера, и, как указано выше, для входов требуются селекторные контакты . 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. ${\displaystyle \left\lceil \log _{2}(n)\right\rceil }$ ${\displaystyle n}$

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

Булево уравнение для мультиплексора 4 к 1:

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

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

Это можно выразить в виде таблицы истинности :

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

Схема мультиплексора 4:1 с использованием 3 входов И и других вентилей.

Нижние индексы на входах указывают десятичное значение двоичных управляющих входов, через которые этот вход пропускается. ${\displaystyle I_{n}}$

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, при этом 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.

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:

$${\displaystyle A=(X\wedge \neg S)}$$

$${\displaystyle B=(X\wedge S)}$$

Пример: однобитовый демультиплексор строк от 1 до 4.

Список микросхем, обеспечивающих демультиплексирование

Демультиплексор Fairchild 74F138 1:8

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

Двунаправленные мультиплексоры

Двунаправленные мультиплексоры построены с использованием аналоговых переключателей или вентилей передачи , управляемых выводами выбора. Это позволяет менять роли входа и выхода, так что двунаправленный мультиплексор может работать 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 ) также доступна в инвертированном виде, достаточно мультиплексора с n -1 входами селектора; входы данных подключены к 0, 1, D или ~ D в соответствии с желаемым выходом для каждой комбинации входов селектора. ^[7]

Смотрите 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

Рекомендации

1. 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» . Инструменты Техаса . Проверено 03 августа 2023 г.
7. Ланкастер, Дональд Э. (1974). Поваренная книга ТТЛ . Х.В. Сэмс. стр. 140–3. ISBN 9780672210358.

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