Мультиплексирование многоразрядной шины

В цифровой и особенно в микропроцессорной технике часто встает задача переключения (мультиплексирования) многоразрядной шины. При этом требуется подключать многоразрядную шину к входу одного из многих цифровых устройств — источников параллельного двоичного кода. Номер активного источника передающего на шину свою информацию задается при этом с помощью двоичного кода — адреса. Очевидно, что эту задачу можно решить, установив мультиплексоры в каждом из разрядов выходной шины. Так мы и поступили, рассматривая АЛУ. Однако, в общем случае при большой разрядности шины и многих источниках информации такое решение оказывается неэкономичным. Повышенные аппаратурные затраты связаны здесь с многократным дублированием одинаковых и параллельно включенных по входам дешифраторов входящих в состав мультиплексоров.

На практике задача решается с помощью особых модификаций цифровых устройств, имеющих выходы с тремя состояниями или открытым коллектором (Прим. ред.: не путать с общим коллектором!). На схемах такие выходы отмечают следующим образом:

Принципиальная схема, обеспечивающая мультиплексирование многоразрядной шины имеет вид:

Схема содержит ряд цифровых устройств ABC1…ABCN выдающих информацию на шину D3…D0, а также единственный дешифратор, преобразующий поступающий извне адрес активного устройства в набор сигналов выбора микросхем (кристаллов) (Прим. ред.: CS — Chip Select).

В каждый момент времени здесь активно лишь одно устройство, которое переводится в активное состояние (выбирается) сигналом Иногда говорят, что активное устройство “захватывает” шину. Остальные же устройства пассивны, то есть фактически отключены от выходов шины. Этот режим обеспечивается сигналами на их входах выбора. Современные микросхемы, предназначенные для работы в рассмотренной схеме, обычно имеют выходы с тремя состояниями. Эти микросхемы удобно рассматривать с помощью следующей модели использующей электромагнитное реле:

Основой устройства здесь является цифровой блок ABC выполняющий требуемые функции цифровой обработки, однако выходы этого блока выведены на выводы микросхемы не непосредственно, а через размыкающиеся контакты реле K.

Если микросхема выбрана, контакты замкнуты и выходы с тремя состояниями являются обычными стандартными выходами логических элементов входящих в цифровой блок. В этом состоянии микросхема передает свой выходной код на шину.

Если же микросхема не выбрана контакты реле разомкнуты, то есть выходы цифрового блока просто отключены от выводов микросхемы и следовательно от выходной шины.

Это третье состояние в дополнение к двум обычным (логический ноль и логическая единица) часто называют высокоимпедансным (Прим. ред.: импеданс — полное входное сопротивление Z в теоретических основах электротехники). В реальных условиях функции реле K и его контактов, конечно, выполняют полупроводниковые структуры.

Вход выбора кристалла может обозначаться также как:

Некоторые микросхемы могут иметь несколько входов выбора.

Выводы с открытым коллектором характерны для микросхем разработанных относительно давно. Тем не менее, такие микросхемы выпускаются и широко используются. Выходной каскад с открытым коллектором отличается от стандартного двухтактового выходного каскада ТТЛ элементов, отсутствием верхнего выходного транзистора и относящегося к нему элементов. Принципиальная схема выходного каскада в таком случае принимает вид:

По схеме видно, что слова “открытый коллектор” означают просто, что коллектор выходного транзистора никуда не подключен внутри микросхемы. Для нормальной работы выход с открытым коллектором должен быть соединен вне микросхемы с плюсом источника питания через резистор нагрузки R_н.

Цифровые устройства с открытым коллектором строятся с использованием элементов Шеффера по следующей схеме:

Такие цифровые устройства подключаются к многоразрядной шине точно так же, как и устройства с тремя состояниями выхода. Сами проводники шины должны быть подключены к плюсу источника питания через нагрузочные резисторы.

В этом случае оказывается, что выходные транзисторы всех пассивных устройств (для них) закрыты независимо от выходных сигналов их цифровых блоков, то есть эти устройства отключаются от шины. Напротив, единственное активное устройство (для него) передает на шину выходные сигналы своего цифрового блока, инвертированные в элементах Шеффера.

Элементы с тремя состояниями выхода и открытым коллектором не только вводят в состав сложных цифровых устройств, но и выпускают в виде отдельных многоразрядных микросхем. В частности выпускаются многоразрядные микросхемы повторителей и инверторов с тремя состояниями выхода и повышенной выходной мощностью. Такие микросхемы называют шинными формирователями. Они используются в тех случаях, когда нужно связать с многоразрядной шиной цифровые устройства, не имеющие выхода с тремя состояниями либо имеющие маломощные выходы. На функциональных схемах однонаправленный шинный формирователь изображают следующим образом: