編碼器設(shè)計(jì)與應(yīng)用的優(yōu)化

曹穎超，王根義

（1.西安科技大學(xué) 計(jì) 算機(jī)學(xué)院，陜西 西 安 7 10054;2.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜 西 西 安 7 10100）

在現(xiàn)代智能化設(shè)備中，編碼器應(yīng)用范圍越來(lái)越大，但由于社會(huì)中一般的應(yīng)用型人才對(duì)編碼器知識(shí)的缺乏和和對(duì)編碼器掌握不牢靠，限制了編碼器的應(yīng)用范圍。故寫(xiě)此文讓基層一般的應(yīng)用型人才深入掌握編碼器知識(shí)，提高編碼器的應(yīng)用范圍。

1 編碼器的概念

一般來(lái)說(shuō)，用文字、符號(hào)或者數(shù)字表示特定對(duì)象的過(guò)程都可以叫做編碼。日常生活中就經(jīng)常遇到編碼的問(wèn)題。例如，孩子出生時(shí)家長(zhǎng)給取名字，在計(jì)算機(jī)中把一個(gè)字符用一個(gè)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，給一個(gè)地域起一個(gè)名稱,在計(jì)算機(jī)中把一個(gè)英文字母、數(shù)字等字符用一個(gè)7位的二進(jìn)制代碼即ASCII來(lái)表示，把一個(gè)十進(jìn)制數(shù)用BCD來(lái)表示等等，都是編碼。由于十進(jìn)制數(shù)用電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，所以在數(shù)字電路中不用它們編碼，而是用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)叫做二進(jìn)制代碼。編碼器就是實(shí)現(xiàn)編碼操作的電路。用n位二進(jìn)制代碼可以對(duì)2n個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，把可以表示n位二進(jìn)制代碼的編碼電路叫做n位二進(jìn)制編碼器。

2 編碼器的設(shè)計(jì)

以一個(gè)2位的二進(jìn)制編碼器的設(shè)計(jì)為例。

1)編碼真值表

一個(gè)2位編碼器，可以對(duì)22＝4個(gè)輸入變量I3、I2、I1和I0進(jìn)行編碼。輸出函數(shù)為2位2進(jìn)制數(shù)Y1Y0，這個(gè)編碼器的真值表如表1所示。

表1 2位編碼器編碼器真值表Tab1.The truth table of 2 bit encoder

2)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖

根據(jù)2位的二進(jìn)制編碼器的真值表，可以畫(huà)出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖，如表2所示，其中“×”表示此處的約束行不存在。

表2 輸出函數(shù)Y1的卡諾圖Tab.2 The karnaugh map of output function Y1

3)輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表3所示。

根據(jù)2位的二進(jìn)制編碼器的真值表，可以畫(huà)出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖，如表3所示，其中“×”表示此處的約束行不存在。

表3 輸出函數(shù)Y0的卡諾圖Tab.3 The karnaugh map of output function Y0

3 編碼器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖和輸出函數(shù)Y0的卡諾圖，分別化間得出Y1和Y0的最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式如下：

根據(jù)Y1和Y0的最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式，就可以用非門(mén)、與門(mén)和或門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)2位的二進(jìn)制編碼器，畫(huà)出如圖1所示的邏輯圖。

當(dāng)然，實(shí)際用的編碼器還要解決區(qū)分I0～I(xiàn)3均為0、I0為1，I1～I(xiàn)3均為 0、I0～I(xiàn)3中不可能出現(xiàn)兩個(gè) 1 的情況與 I0～I(xiàn)中至少有兩個(gè)1這四種種情況。第一種情況，如果I0～I(xiàn)3均為0，即沒(méi)有任何輸入信號(hào)，這種情況是很容易區(qū)別的 ,只要再添加一個(gè)附加的輸出變量F，即用Y1的非、Y0的非和I0的非作為一個(gè)與門(mén)的輸出邏輯變量F的輸入變量，那么這個(gè)邏輯變量F只有在I0～I(xiàn)3均為0時(shí)方為1，其余任何情況均為0；第二種情況，如果I0為1，I,1～I(xiàn)3均為0，這種情況屬于一種正常普通情況，在這里不需要討論；第三種情況，I0～I(xiàn)3中不可能出現(xiàn)兩個(gè)1，即I0～I(xiàn)3這些輸入變量互相排斥，這種情況邏輯設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單，只要將使邏輯函數(shù)值為1的邏輯變量進(jìn)行邏輯或即可；第四種情況，如果I0～I(xiàn)中至少有兩個(gè)1，這種情況又可以分為兩種情況，一種情況是輸入變量出現(xiàn)異常錯(cuò)誤情況，可以再添加一個(gè)輸出邏輯變量予以提示用戶，另一種情況是輸入變量有這種狀態(tài)，但要求編碼器按照它們的輕重緩急進(jìn)行排隊(duì)編碼，這在中斷系統(tǒng)中是常見(jiàn)現(xiàn)象，這就要求編碼器設(shè)計(jì)者按照輸入邏輯變量的編碼優(yōu)先級(jí)進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)另外一種編碼器，如我們熟悉的8259A芯片。文中如圖1所設(shè)計(jì)的編碼器就是針對(duì)I0～I(xiàn)中有可能出現(xiàn)兩個(gè)以上的1的異常錯(cuò)誤情況設(shè)計(jì)的編碼器，但沒(méi)有畫(huà)出區(qū)別I0～I(xiàn)3均為0情況的輸出邏輯變量及提示出現(xiàn)異常錯(cuò)誤情況的輸出邏輯變量的邏輯電路圖。

在智能化設(shè)備制造中，根據(jù)具體情況，如果要求使用的編碼器位數(shù)比較少，就可以直接用邏輯門(mén)來(lái)構(gòu)成，這樣往往使用靈活，成本低廉，而且各個(gè)方面的性能容易滿足。另外一種情況，就是經(jīng)常要用到的編碼器，把它設(shè)計(jì)好好后制作在一個(gè)芯片上，所得到的便是集成編碼器，使用非常方便。而且，也可以用位數(shù)較少的編碼器級(jí)聯(lián)成滿足需求的位數(shù)較多的編碼器。

圖1 4線－2線編碼器Fig.1 4-2line encoder

4 2位2進(jìn)優(yōu)先編碼器

1)優(yōu)先編碼的概念

前面講的編碼器，輸入信號(hào)都是互相排斥的，也就是說(shuō)在任何時(shí)刻,只能對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼,不允許有兩個(gè)和兩個(gè)以上輸入信號(hào)同時(shí)存在的情況出現(xiàn),但在優(yōu)先編碼器中則不同，允許幾個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入，但是電路只對(duì)其中優(yōu)先級(jí)別最高的進(jìn)行編碼，不理睬級(jí)別低的信號(hào)，或者說(shuō)級(jí)別低的信號(hào)不起作用，這樣的電路叫做優(yōu)先編碼器。也就是說(shuō)，在優(yōu)先編碼器中是優(yōu)先級(jí)別高的信號(hào)排斥級(jí)別低的，即具有單方面排斥的特性。至于優(yōu)先級(jí)別的高低，則完全是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)各個(gè)輸入信號(hào)輕重緩急情況決定的。例如，微機(jī)中的I/O接口芯片8259A就用到優(yōu)先編碼器，各個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)別還可以由程序員編程規(guī)定。

下面以一個(gè)2位的二進(jìn)制優(yōu)先編碼器的設(shè)計(jì)為例。

2)優(yōu)先編碼真值表

如果我們規(guī)定，下列輸入信號(hào)I3、I2、I1和I0的編碼優(yōu)先級(jí)別是I3>I2>I1>I0，則優(yōu)先編碼器的真值表如表4所示。

3)輸出函數(shù)Y1的卡諾圖

根據(jù)2位的二進(jìn)制優(yōu)先編碼器的真值表，可以畫(huà)出輸出函數(shù)Y1的卡諾圖，如表5所示。

化簡(jiǎn)卡諾圖得，Y1=I3+I2

4)輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表6所示。

根據(jù)2位的二進(jìn)制優(yōu)先編碼器的真值表，可以畫(huà)出輸出函數(shù)Y0的卡諾圖如表6所示。

化簡(jiǎn)卡諾圖得，Y0=I3+I1

5)優(yōu)先編碼器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)優(yōu)先編碼器的輸出函數(shù)Y1的卡諾圖和輸出函數(shù)Y0的卡諾圖，分別化間得出Y1和Y0的最簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式如下：

用與門(mén)很容易實(shí)現(xiàn)，畫(huà)出如圖2所示的邏輯圖。

表4 優(yōu)先編碼器真值表Tab.4 The truth table of priority encoder

表5 輸出函數(shù)Y1的卡諾圖Tab.5.The karnaugh map of output function Y1

表6 輸出函數(shù)Y0的卡諾圖Tab.6 The karnaugh map of output function Y0

圖2 2位優(yōu)先編碼器的邏輯圖Fig.2 The logical diagram of two-bit priority encoder

5 實(shí)驗(yàn)

對(duì)直接用邏輯門(mén)設(shè)計(jì)制造的編碼器和優(yōu)先編碼器，與用集成電路芯片設(shè)計(jì)制造的編碼器和優(yōu)先編碼器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在二進(jìn)制數(shù)位相同的條件下，前者比后者成本降低30%，且速度提高1倍，但后者在應(yīng)用較多，更換較多的場(chǎng)合卻比較方便。

6 結(jié)論

現(xiàn)在，社會(huì)中的智能化設(shè)備對(duì)編碼器的需求量越來(lái)越多，大部分編碼器的應(yīng)用者往往因一個(gè)簡(jiǎn)單的編碼器而不得不暫時(shí)中止手頭工作。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)，就是提示相關(guān)工作人員在一定的條件下可以用幾個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)來(lái)構(gòu)成需要的編碼器，已解決實(shí)際問(wèn)題。

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