Введение

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

В электронике мультиплексор (или мукс; иногда пишется как мультиплексор), также известный как селектор данных, – это устройство, которое выбирает один из нескольких аналоговых или цифровых входных сигналов и направляет выбранный сигнал на единственный выход. Выбор определяется отдельным набором цифровых входов, называемых линиями выбора. Мультиплексор с *n* входами имеет *log2(n)* линий выбора, используемых для определения, какой входной сигнал подать на выход. Мультиплексор позволяет нескольким входным сигналам совместно использовать одно устройство или ресурс, например, один аналого-цифровой преобразователь или один канал связи, вместо того чтобы выделять отдельное устройство на каждый входной сигнал. Мультиплексоры также могут использоваться для реализации логических функций от нескольких переменных. Обратно, демультиплексор (или демукс) – это устройство, принимающее один входной сигнал и направляющее его на один из выходов, соответствующий выбранному в совместимом мультиплексоре, подключенном к этому входу, используя общую линию выбора. Мультиплексор часто используется в паре с соответствующим демультиплексором на принимающей стороне. Условное графическое обозначение мультиплексора – равнобедренная трапеция, у которой более длинная параллельная сторона содержит входные выводы, а более короткая – выходной вывод. На схеме справа показан мультиплексор 2 к 1 слева и эквивалентный переключатель справа. Провод соединяет выбранный вход с выходом.

Приложения

Мультиплексоры являются частью компьютерных систем для выбора данных из определенного источника, будь то микросхема памяти или аппаратное периферийное устройство. Компьютер использует мультиплексоры для управления шинами данных и адресов, позволяя процессору выбирать данные из нескольких источников.

В цифровой связи мультиплексоры обеспечивают несколько соединений по одному каналу, подключая единственный выход мультиплексора к единственному входу демультиплексора (временное мультиплексирование). Изображение справа демонстрирует это преимущество. В этом случае стоимость реализации отдельных каналов для каждого источника данных выше, чем стоимость и сложность обеспечения функций мультиплексирования/демультиплексирования. На принимающей стороне канала передачи данных обычно требуется дополнительный демультиплексор для разделения единого потока данных обратно на исходные потоки. В некоторых случаях система на другом конце может обладать функциональностью, выходящей за рамки простого демультиплексора; и хотя демультиплексирование технически все еще происходит, оно может быть никогда не реализовано аппаратно. Это может быть, например, когда мультиплексор обслуживает несколько пользователей IP-сети и затем напрямую подключается к маршрутизатору, который немедленно считывает содержимое всего канала в свой процессор маршрутизации, а затем выполняет демультиплексирование в памяти, откуда данные будут непосредственно преобразованы в IP-пакеты. Часто мультиплексор и демультиплексор объединяются в одно устройство, которое просто называют мультиплексором. Оба этих элемента схемы необходимы на обоих концах линии передачи, поскольку большинство систем связи осуществляют передачу в обоих направлениях. В аналоговой схемотехнике мультиплексор представляет собой специальный тип аналогового переключателя, который соединяет один сигнал, выбранный из нескольких входов, с одним выходом.

Мультиплексоры с цепью

Большие мультиплексоры можно построить, используя меньшие мультиплексоры, соединяя их последовательно. Например, мультиплексор 8 к 1 можно создать из двух мультиплексоров 4 к 1 и одного мультиплексора 2 к 1. Выходы двух мультиплексоров 4 к 1 подаются на вход мультиплексора 2 к 1, при этом отводы выбора на мультиплексорах 4 к 1 подключаются параллельно, что обеспечивает общее количество входов выбора равное 3, эквивалентное мультиплексору 8 к 1.

Список ИС, обеспечивающих мультиплексирование

Для номеров деталей серий 7400 в следующей таблице "x" обозначает логическое семейство. Номер ИС Функция Состояние выхода 74x157 Четырехканальный мультиплексор 2:1. Выход соответствует входному сигналу. 74x158 Четырехканальный мультиплексор 2:1. Выход является инверсией входного сигнала. 74x153 Двухканальный мультиплексор 4:1. Выход соответствует входному сигналу. 74x352 Двухканальный мультиплексор 4:1. Выход является инверсией входного сигнала. 74x151A Восьмиканальный мультиплексор 8:1. Доступны оба выхода (т.е. комплементарные выходы). 74x151 Восьмиканальный мультиплексор 8:1. Выход является инверсией входного сигнала. 74x150 Шестнадцатиканальный мультиплексор 16:1. Выход является инверсией входного сигнала.

Список ИС, обеспечивающих демультиплексирование

Для номеров деталей серий 7400 в следующей таблице "x" обозначает логическое семейство. Номер ИС (7400) Номер ИС (4000) Функция Состояние выхода 74x139 Двойной 1:4 демультиплексор. Выход является инверсией входа 74x156 Двойной 1:4 демультиплексор. Выход – открытый коллектор 74x138 1:8 демультиплексор. Выход является инверсией входа 74x238 1:8 демультиплексор. 74x154 1:16 демультиплексор. Выход является инверсией входа 74x159 CD4514/15 1:16 демультиплексор. Выход – открытый коллектор и совпадает со входом.

Двунаправленные мультиплексоры

Двунаправленные мультиплексоры строятся на основе аналоговых переключателей или передающих вентилей, управляемых управляющими входами. Это позволяет менять местами роли входа и выхода, благодаря чему двунаправленный мультиплексор может функционировать и как демультиплексор, и как мультиплексор.

Мультиплексоры в качестве ПЛД

Мультиплексоры также могут использоваться как программируемые логические устройства для реализации булевых функций. Любую булеву функцию от n переменных и одного результата можно реализовать с помощью мультиплексора с n входными сигналами выбора. Переменные подключаются к входным сигналам выбора, а результат функции – 0 или 1 – для каждой возможной комбинации входных сигналов выбора подключается к соответствующему входу данных. Если одна из переменных (например, D) также доступна в инвертированном виде, достаточно мультиплексора с n-1 входными сигналами выбора; входы данных подключаются к 0, 1, D или ~D в зависимости от желаемого выходного значения для каждой комбинации входных сигналов выбора.

Необычное использование мультиплексеров для арифметических целей

Мультиплексоры нашли применение в нетрадиционных стохастических вычислениях (СК), в частности, для упрощения арифметического сложения. В этой парадигме данные представляются в виде битового потока вероятностей, где количество битов '1' определяет величину значения. Таким образом, функция 2-к-1 мультиплексора может быть представлена как функция вероятности, обозначаемая следующим образом: , где a и b – входные битовые потоки, а s – управляющий вход. Использование управляющего входа, равного 0.5, приводит к: Хотя данный подход не обеспечивает точное сложение, а скорее масштабированное сложение, он считается приемлемым в большинстве исследований в области СК. Мультиплексоры широко используются для таких задач, как суммирование средних значений, усреднение и медианная фильтрация в стохастических схемах. Кроме того, более сложные применения мультиплексоров включают в себя использование в качестве генератора полиномов Бернштейна, способного создавать произвольные математические функции в области СК. Недавние исследования также показали, что комбинации мультиплексоров могут упростить выполнение операции умножения с накоплением в большом масштабе, демонстрируя возможность ускорения сверточных нейронных сетей на программируемых вентильных матрицах.