мультиплексор преобразователь параллельного кода в последовательный

Преобразователь кодов

Преобразователи кодов служат для перевода одной формы числа в другую. Их входные и выходные переменные однозначно связаны между собой. Эту связь можно задать таблицами переключений или логическими функциями.

Шифратор преобразует одиночный сигнал в n-разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел двоичную систему счисления. Предположим, на пульте десять клавишей с гравировкой от 0 до 9. При нажатии любой из них на вход шифратора подаётся единичный сигнал (ХО-Х9). На выходе шифратора должен появиться двоичный код (Y1, Y2. ) этого десятичного числа. Как видно из таблиц переключений, в этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами.

На выходе Y1 единица появляется при нажатии любой нечетной клавиши X1, ХЗ, Х5. Х7. Х9, т. е. Y1=Х1\/ХЗ\/Х5\/Х7\/Х9. Для остальных выходов логические выражения имеют вид: Y2=Х2\/ХЗ\/Х6\/Х7; Y4==Х4\/Х5\/Х6\/Х7; Y8=Х8\/Х9. Следовательно, для шифратора понадобятся четыре элемента ИЛИ: пятивходовый, два четырехвходовых и двухвходовый рисунок 1.

Рисунок 1

Примечание редакции: логический элемент Y2 неправильно показан. У него нет соединения с Х2, но есть соединение с Х4.

Дешифратор преобразует код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов. Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в системах цифровой индикации, для построения распределителей импульсов по различным цепям и т. д. Условное обозначение дешифратора на микросхеме К155ИД1 с десятью выходами для дешифрования одного разряда двоично-десятичного кода 8421 и часть его принципиальной схемы приведены на рисунке 2. Любому входному двоичному коду соответствует низкий уровень только на одном выходе, а на всех остальных сохраняется высокий уровень. Дешифраторы входят во все серии микросхем ТТЛ и КМДП. Например, дешифратор К155ИД4 (два дешифратора в корпусе) преобразует двоичный код в код «1 из 4», К155ИД1 и К176ИД1 в код «1 из 10», К155ИДЗ—В код «1 из 16». Цоколёвка этих микросхем приведена на рисунке 2 и 3.

Рисунок 2

Дешифратор на микросхеме К155ИД1 предназначен для работы с декадными газоразрядными индикаторами. Его выходы подключают непосредственно к катодам (имеющим форму десятичных цифр) газоразрядного индикатора анод которого через резистор подключен к источнику питания напряжением 200—250 В. Выходные сигналы этой микросхемы отличаются от ТТЛ уровней и поэтому для подключения к ней других микросхем приходится применять дополнительные устройства согласования.

Рисунок 3

Дешифратор на микросхеме К155ИДЗ имеет четыре входа для приема чисел в коде 8421 и 16 выходов. Два входа стробирования (для передачи сигнала на А1 и А2 необходимо подать низкие уровни) позволяют объединить микросхемы для получения дешифраторов на 32 выхода рисунок 4, 64 выхода (потребуется четыре микросхемы) и т. д.

Рисунок 4

Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора. Числа на табло и пультах индицируются, как правило, в десятичном коде. Для этого можно использовать дешифратор на микросхеме К155ИД1 совместно с газоразрядным индикатором, Однако применение таких индикаторов в радиолюбительской практике нежелательно из-за сравнительно высокого напряжения источника питания (200 В). Сейчас широкое распространение получили так называемые семи сегментные светодиодные и жидкокристаллические индикаторы, которые работают при тех же напряжениях, что и микросхемы. В них индикация осуществляется семью элементами, как показано на рисунке 5. Подавая управляющее напряжение на отдельные элементы индикатора и вызывая его свечение (светодиодные индикаторы) или изменяя его окраску (жидкокристаллические индикаторы), можно получить изображение десятичных цифр 0, 1. 9. О конкретных типах семисегментных индикаторов я расскажу дальше. Преобразование двоично-десятичного кода в код семисегментного индиктора показано в таблице. Цоколёвка некоторых микросхем – преобразователей кода 8421 в семисегментный показана на рисунок.

Рисунок 5

Источник

Преобразование параллельного кода в последовательный

Последовательный регистр.

последовательный регистр строится на D – триггерах путем соединения выхода каждого триггера со входом «D» следующего. Для записи и считывания одновременно на входы синхронизации всех триггеров подаются тактовые импульсы «ТИ» рис 1.14.10

Первым тактовым импульсом первая единица старшего разряда числа 101 записывается в первый триггер. Вторым тактовым импульсом в первый триггер записывается значение следующего разряда (в нашем примере 0), а во второй триггер записывается единица, которая была перед приходом второго тактового импульса на выходе первого триггера.

3. Параллельно – последовательный регистр.

В параллельно – последовательном регистре запись информации происходит в параллельном коде, а считывание в последовательном. На рис 1.14.11 показан пример построения такого регистра на JK – триггерах.

В приведенной схеме JK – триггеры дважды превращены в D – триггеры. Одно превращение осуществлено для организации записи с использованием вспомогательных инверсных входов S и R и, добавлением двух элементов И –НЕ. Этот способ построения триггера показан на рис 1.14.5. Запись числа в регистр в параллельном коде происходит при подаче числа на входы х1, х2, х3 и сигнала «1» на вход «зап». Для считывания информации из регистр в последовательном коде JK – триггеры второй раз превращены в D – триггеры у которых выходы каждого триггера соединены со входом D следующего, как это делается в последовательном регистре. Во втором случае JK – триггеры превращены в D – триггеры способом показанном на рис 1.14.8, но вместо дополнительного инвертора используется инверсный выход предыдущего триггера. Исключение составляет первый триггер, у которого входы J и K объединены и соединены с основным входом этого же триггера. Благодаря такой схеме после подачи импульсов считывания первый триггер оказывается в состоянии «0».

Последовательно – параллельный регистр.

Для построения последовательно – параллельного регистра достаточно в последовательном регистре организовать параллельное считывание используя дополнительные элементы И – НЕ, как это показано на рис 1.14.12.

Рис. 1.14.12

При подаче сигнала «1» на вход «счит» значение разрядов числа с инверсных выходов триггеров поступают на выходы У1, У2, У3 через элементы И – НЕ.

9.Преобразователи параллельного кода в последовательный. Примеры построения преобразователей на регистрах и на мультиплексорах. Привести принципиальные схемы для преобразования 4-разрядного кода, временные диаграммы и краткое описание работы. Преобразователи последовательного кода в параллельный. Привести принципиальные схемы, временные диаграммы и описание работы преобразователей.

Рисунок 13.1 – Преобразование параллельного кода в последовательный

D1 – вход последовательных данных,

D0…D3 – вход параллельного кода,

L – загрузка параллельного кода,

C – синхроимпульс для сдвига информации в регистре,

V – схема деления частоты и синхроимпульса,

1 – синхроимпульс параллельный данным от источника данных.

Преобразователь параллельного кода в последовательный с использованием мультиплексора

Рисунок 13.2 – Преобразователь параллельного кода в последовательный с использованием мультиплексора

На вход мультиплексора данные необходимо подавать на протяжении четырех периодов следующих синхроимпульсов, за это время на выходе мультиплексора поочереди появятся последовательности данных. После завершения считывания можно подать другую информацию. Параллельный код преобразуют в последовательный, чтобы уменьшить количество линий передачи информации от одного сигнала к другому.

Преобразование последовательного кода в параллельный

Рисунок 13.3 – Преобразование последовательного кода в параллельный

СИ1 формируется через каждые четыре импульса СИ. За четыре такта вся информационная последовательность кода вводится в регистр, как только она будет введена (сразу после окончания четвертого синхроимпульса) можно осуществить запись во второй регистр на выходе которого и будет сформирован параллельный код. Длина регистра определяется длиной кода.

Так как данные сдвигаются во времени (каждый триггер сдвигает данные на один такт), то такой регистр еще называется сдвиговым.

Реверсивный сдвиговый регистр позволяет сдвигать информацию вправо или влево, в зависимости от значения управляющих сигналов на дополнительном входе.

Рис. 12.5 – Схема реверсивного сдвигового регистра

Если , то S1 – в верхнем положении.

Если , то S1 – в нижнем положении.

Рис. 12.6 – Схема ключа и его реализация на логических элементах

Рис. 12.7 – Принципиальная схема реверсивного сдвигового регистра

Для того чтобы построить универсальный регистр целесообразно использовать RS и D триггеры. Входы R и S используют для записи параллельного кода. Вход D – для построения сдвигового регистра.

Рис.12.8 – Принципиальная схема универсального регистра

Рис. 12.9 – Условное обозначение универсального регистра

На рисунке 12.9 приняты следующие обозначения: C – вход синхронизации, D0, D1, D2 и D3 – входы параллельного кода, V – направление сдвига, L – разрешение записи параллельного кода, DI – вход последовательного кода, DO – выход последовательного кода; Q0, Q1, Q2 и Q3 – выходы параллельного кода.

10.Мультиплексоры цифровых сигналов. Аналитическое описание, пример построения принципиальной схемы мультиплексора 8×1. Способы переключения аналоговых и цифровых сигналов от разных источников на общую нагрузку. Примеры построения цифрового мультиплексора и аналогового коммутатора. В чем состоит различие между мультиплексорами и коммутаторами.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

От последовательного кода к параллельному за пять шагов c Intel® Advisor XE

Если вы давно разрабатываете многопоточные приложения, наверняка вы сталкивались с распараллеливанием уже существующего последовательного кода. Или наоборот, вы новичок в параллельном программировании, а перед вами встали задачи оптимизации проекта и улучшения масштабируемости, которые тоже могут быть решены путём распараллеливания отдельных участков программы.

Новый инструмент Intel Advisor XE поможет вам распараллелить приложение, потратив на это минимум сил и времени.

Advisor XE вышел в свет в сентябре этого года в составе пакета для разработчиков Intel Parallel Studio XE 2013. Дословный перевод названия – «советчик» — довольно ёмко описывает его предназначение. Инструмент помогает программисту проанализировать возможности распараллеливания кода: найти наиболее подходящие для этого участки и оценить предполагаемый полезный эффект – а стоит ли вообще за это браться? Кроме того, Advisor XE подскажет, где могут возникнуть ошибки, такие как гонки данных. И всё этого без реальной модификации программы! Но обо всём по порядку.

Advisor XE выпускается для Windows* и Linux* и работает с языками C++, C# и Fortran. В этом посте я буду пользоваться версией под Windows* — в ней есть удобная интеграция в Microsoft Visual Studio* (для желающих есть и собственный интерфейс без интеграции). В качестве примера я взял программу Tachyon, входящую в набор примеров Advisor XE. Она осуществляет 2D рендеринг и трассировку лучей, выдавая такую картинку:

В Visual Studio Advisor XE добавляет свою панель инструментов, предоставляющую быстрый доступ к его функциям. Итак, открываем свой проект, строим его в режиме «Release» и открываем “Advisor XE Workflow”:

Advisor XE Workflow проводит разработчика через пять этапов оценки приложения, после которых он сможет принять осмысленное решение, стоит ли распараллеливать этот код и в каком месте это лучше сделать.

Этап 1. Профилировка (Survey Target)

Первое, что делает Advisor XE – запускает ваше приложение и профилирует его, т.е. оценивает производительность и ищет «горячие точки» — функции, циклы и отдельные инструкции, потребляющие большую часть ресурсов процессора. Это нужно для того, чтобы сконцентрировать усилия на самых критичных для производительности участках, поскольку их распараллеливание принесёт наибольший эффект. Для начала профилировки нажимаем кнопку «Collect Survey Data» в окне Advisor XE Workflow:

Advisor XE запускает приложение, дожидается окончания работы и «финализирует» собранные данные. После этого пользователю предоставляется список функций и мест в коде в иерархическом виде, для каждого из которых отображается время CPU в секундах и процентах. Отдельно показано собственное время функции и время, включающее вложенные функции:

Те места, где «горячей точкой» является цикл, помечены специальным значком. Это удобно, т.к. циклы часто становятся объектом распараллеливания, если они, например, обрабатывают большие объёмы независимых данных.

Данные профилировки дают программисту первую оценку распределения нагрузки внутри приложения. Это позволяет сделать осмысленное, основанное на цифрах предположение о том, какие участки кода будет полезно распараллелить.

В нашем примере мы остановим выбор на самой верхней по стеку вызовов функции, содержащей цикл – parallel_thread. На неё (включая вложенные функции) приходится 80,9% затраченного процессорного времени. Кстати, двойной клик на «горячую» функцию переведёт вас к просмотру исходников, где тоже будет информация об использовании CPU, но уже для конкретных строк кода.

Этап 2. Аннотации (Annotate Sources)

Когда первое предположение о будущем внедрении многопоточности сделано, нужно сообщить об этом «советчику». Для этого используются так называемые аннотации – специальные макросы (или вызовы функций, в зависимости от языка), понятные Advisor-у, но не влияющие на функционирование вашей программы.

В Visual Studio аннотации добавляются с помощью контекстного меню – просто выделяете понравившийся блок кода и запускаете Annotation Wizard:

Аннотации Advisor XE бывают нескольких типов. Для моделирования распараллеливания цикла нам пригодятся два основных – “Annotate Site” и “Annotate Task”.

“Annotate Site” используется для отметки границ параллельного региона в коде. Для С++ она представлена макросами ANNOTATE_SITE_BEGIN и ANNOTATE_SITE_END. В нашем примере мы будем распараллеливать цикл for, разбивая пространство итераций на более мелкие порции, с тем, чтобы каждая такая порция могла исполняться параллельно с другими.

“Annotate Task” используется для разметки границ одной задачи, с помощью макросов ANNOTATE_TASK_BEGIN и ANNOTATE_TASK_END. Задачей считается блок кода, который может быть исполнен многократно разными потоками. Задачи исполняются параллельно с другими задачами и остальным кодом в параллельном регионе.

Итак, приступаем к разметке. Весь цикл for заключим в параллельный регион. А тело цикла обозначим как задачу, т.к. оно будет исполняться параллельно (в модели) над разными итерациями:

Чтобы С++ программа скомпилировалась с аннотациями, нужно подключить заголовочный файл advisor-annotate.h.

Этап 3. Проверка эффективности (Check Suitability)

На третьем шаге Advisor XE делает повторную профилировку. Отличие от первой профилировки состоит в том, что теперь собирается не информация о «горячих функциях», а моделируется параллельное исполнение приложения и оценивается его потенциальная скорость работы.

Исполняется программа точно так же, как и без аннотаций – в однопоточном режиме. Скорость работы и корректность результатов не страдают. Однако аннотации дают возможность инструменту смоделировать многопоточное исполнение аннотированного кода и выдать оценку эффективности в цифрах на суд программиста:

Справедливости ради нужно сказать, что результаты далеко не всегда будут такими радужными. Может оказаться, что прогнозируемый положительный эффект от распараллеливания совсем не так высок, или вовсе нулевой. Но этот результат тоже будет полезным, т.к. вы убедитесь в неэффективности выбранного подхода, и будете искать другие пути. В этом и состоит предназначение Advisor XE – дать возможность попробовать множество подходов к распараллеливанию, потратив минимум сил и времени, и выбрать лучший.

Может случиться и так, что все испробованные подходы не дают приемлемого результата. Это может натолкнуть вас на мысль об изменении структуры кода таким образом, чтобы он легче распараллеливался. Пространных консультаций на этот счёт Advisor XE конечно не даст, но стоит обратить внимание на список подсказок – возможно, какая-то информация натолкнёт вас на правильные мысли.

Этап 4. Проверка корректности (Check Correctness)

Превращение однопоточной программы в многопоточную может привести к новым багам – таким как гонки данных. Чтобы облегчить верификацию и отладку в «живой» программе, Advisor XE позволяет провести оценку корректности смоделированного программистом решения. Для этого нужно перекомпилировать программу в режиме “Debug” и запустить проверку корректности Advisor XE – “Check Correctness”.

Проверка корректности замедлит выполнение программы, поскольку исполняемый файл подвергается бинарной инструментации, которая помогает Advisor XE отслеживать работу программы на предмет ошибок. Поэтому имеет смысл снизить нагрузку на приложение, если возможно – уменьшить размер входных данных, снизить частоту обновления фреймов и т.п.

В результате проверки появляется Correctness Report – отчёт об ошибках. Он включает в себя список ошибок, их тип, параллельный регион, в котором они проявляются. Кликнув два раза на ошибку можно перейти к просмотру исходников, где появляется дополнительная информация, например, стеки вызовов:

В нашем примере обнаружилась гонка данных – в функции video::next_frame() инкрементируется глобальная переменная g_updates. Пока на исполнение программы она не влияет, ведь в реальности код всё ещё однопоточный. Однако очевидно, что проблему надо будет устранять, и это скажется на производительности – могут появиться объекты синхронизации, сдерживающие масштабируемость, или наоборот, локализация переменных принесёт положительный эффект.

Чтобы это проверить, в Advisor XE есть ещё один тип аннотаций – “Lock Annotations”. Они используются для моделирования критических секций. В нашем примере g_updates модифицируется в функции video::next_frame(), вызов которого происходит в нашем распараллеливаемом цикле. Поэтому мы можем здесь же защитить её аннотациями синхронизации:

После проделанных изменений пересобираем программу и проверяем снова. Проверять можно и на предмет корректности – решена ли проблема, и на предмет производительности – каков будет эффект от распараллеливания с учётом наличия критической секции. В нашем примере введение критической секции на производительности почти не сказалось.

Этап 5. Реализация распараллеливания (Add Parallel Framework)

Последний этап распараллеливания кода – собственно распараллеливание, т.е. выбор потокового API, непосредственное кодирование и отладку. Этот шаг лишь условно включён в “workflow” Advisor XE, чтоб не забыть, так сказать. «Советчик» предназначен лишь для моделирования и предоставления разработчику аналитический информации, на основе которой тот будет чётче представлять себе, куда двигаться дальше – что и как стоит модифицировать, какого эффекта ждать и какие проблемы могут возникнуть. Дальше действовать придётся самому.

Но не надо унывать – в пакете Intel Parallel Studio XE есть ещё много инструментов, которые помогут на других этапах. Реализовать параллельный цикл по модели в приведённом примере можно с помощью множества высокоуровневых «параллельных фреймворков», которые позволяют абстрагироваться от самостоятельного создания потоков и распределения нагрузки между ними. Например, преобразовать последовательный цикл в параллельный можно с помощью Intel Cilk Plus. При этом потребуется использовать компилятор Intel. А в качестве примитива синхронизации можно взять tbb::spin_mutex из библиотеки Intel TBB. Код цикла (уже параллельного) при этом будет выглядеть так:

Выводы

Advisor XE будет полезен там, где уже есть работающий код, который нужно частично распараллелить. Например, есть старое научное приложение на Фортране, которое нужно оптимизировать для нового сервера или кластера. Основной плюс инструмента – возможность быстро смоделировать многопоточное исполнение. Проведя несколько экспериментов, можно определить участки кода, на которых стоит сконцентрировать усилия, и понять, чего от этого ждать – насколько распараллеливание может быть полезно, какой масштабируемости можно добиться. Проделать то же самое «по-настоящему», создавая потоки и перекраивая код, отнимет куда больше усилий.

Источник

Мультиплексоры и демультиплексоры: схемы, принцип работы

Что такое мультиплексор?

Мультиплексором — называют комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX (от англ. multiplexor), а также через MS (от англ. multiplex or selector).

Функционирование двухвходового мультиплексора

Рассмотрим функционирование двухвходового мультиплексора (2 →1), который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов Х₁Х₂ и выхода Y приведено в таблице (рис. 3.41).

Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

На рис. 3.42 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение.

Основой данной схемы являются две схемы совпадения на элементах И, которые при логическом уровне «1» на одном из своих входов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.

Если необходимо расширить число входов, то используют каскадное включение мультиплексоров. В качестве примера рассмотрим мультиплексор с четырьмя входами (4 → 1), построенный на основе мультиплексоров (2 → 1).

Схема и таблица состояний такого мультиплексора приведены на рис.3.43.

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др.

Мультиплексор как устройство сдвига

Рассмотрим пример использования мультиплексоров для реализации так называемого комбинационного устройства сдвига, обеспечивающего сдвиг двоичного, числа по разрядам. Принцип функционирования данного устройства понятен из схемы устройства и таблицы состояний его входов и выходов (рис. 3.44).

В обозначении мультиплексоров используют две русские буквы КП, например, промышленностью выпускаются такие мультиплексоры, как К155КП1, К531КШ8, К561КПЗ, К555КП17 и др.

Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа, поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Функционирование демультиплексора с двумя выходами

Рассмотрим функционирование демультиплексора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов и выходов приведено в таблице (рис. 3.45).

Из этой таблицы следует: Y₁=X·А Y₂ = X·А т. е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 3.46.

Для наращивания числа выходов демультиплексора используют каскадное включение демультиплексоров. В качестве примера (рис. 3.47) рассмотрим построение демультиплексоров с 16 выходами (1 → 16) на основе демультиплексоров с 4 выходами (1 → 4).

При наличии на адресных шинах А₀ и А₁ нулей информационный вход X подключен к верхнему выходу DМХ₀ и в зависимости от состояния адресных шин А₂ и А₃ он может быть подключен к одному из выходов DMX₁. Так, при А₂ = А₃ = 0 вход X подключен к Y₀. При А₀ = 1 и А₁ = 0 вход X подключен к DMX₂, в зависимости от состояния А₂ и А₃ вход соединяется с одним из выходов Y₄ − Y₇ и т.д.

Функции демультиплексоров

Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора.

Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы — ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИДЗ, К531ИД7 и др.

При использовании КМОП-технологии можно построить двунаправленные ключи, которые обладают возможностью пропускать ток в обоих направлениях и передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря этому можно строить мультиплексоры-демультиплек-соры, которые могут использоваться либо как мультиплексоры, либо как демультиплексоры.

Мультиплексоры-демультиплексоры обозначаются через MX. Среди выпускаемых мультиплексоров-демультиплексоров можно выделить такие, как К564КП1, К590КП1. Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий К176, К561, К591, К1564.

Источник