一文解析多路選擇器的工作原理及電路實(shí)現(xiàn)

什么是多路選擇器

多路選擇器是數(shù)據(jù)選擇器的別稱。在多路數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，能夠根據(jù)需要將其中任意一路選出來(lái)的電路，叫做數(shù)據(jù)選擇器，也稱多路選擇器或多路開(kāi)關(guān)。

FPGA中多路選擇器結(jié)構(gòu)

典型的FPGA器件主要包含3類基本資源：可編程邏輯塊（configurablelogicblock，CLB）、布線資源和可編程輸入/輸出模塊?？删幊踢壿媺K四周被預(yù)制的布線資源通道包圍，可編程輸入/輸出模塊分布在FPGA四周，除了上述3種資源以外，通常在FPGA中還包含塊RAM、乘法器等可選資源。

在FPGA各種資源中，可編程邏輯塊是實(shí)現(xiàn)用戶功能的基本單元，每個(gè)可編程邏輯塊包含1個(gè)互連開(kāi)關(guān)矩陣和4個(gè)SLICEs，其中每個(gè)SLICE包括2個(gè)查找表（Look-Up-Table，LUT）、2個(gè)觸發(fā)器和一些多路選擇器?；ミB開(kāi)關(guān)矩陣主要由不同長(zhǎng)度導(dǎo)線和多個(gè)布線開(kāi)關(guān)組成，典型的布線開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)：每個(gè)布線開(kāi)關(guān)由多路選擇器、緩沖器和一些可編程的SRAM單元構(gòu)成。其中多路選擇器是連接各布線軌道和可編程邏輯塊的橋梁，其結(jié)構(gòu)對(duì)FPGA的性能和功耗都有較大的影響。根據(jù)多路選擇器所驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度不同，F(xiàn)PGA中多路選擇器的規(guī)模從4選1到30選1不等。圖2所示為16選1的多路選擇器晶體管級(jí)電路結(jié)構(gòu)。

多路選擇器的左邊是 16 條輸入線，用于連接布線軌道或可編程邏輯塊等資源，S1~S6 代表 6 個(gè)可編程SRAM 單元，通過(guò)配置 SRAM 單元的內(nèi)容可以從 16條輸入線中選出 1 條作為有效輸入端，例如，當(dāng) S1~S6存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)值為“000100”時(shí)，輸入線 I3被選擇中，信號(hào)所經(jīng)過(guò)的有效路徑如圖 2 中虛線所示。多路選擇器的主體部分是傳輸晶體管，由于 NMOS 晶體管載流子的遷移效率高，電路速度快，因此，多路選擇器中的傳輸晶體管均采用 NMOS 晶體管實(shí)現(xiàn)。

多路選擇器工作原理

常用的多路選擇器有4選1、8選1、16選1等多種類型。下面以4選1數(shù)據(jù)選擇器為例介紹數(shù)據(jù)選擇器的工作原理。根據(jù)前面介紹的數(shù)據(jù)選擇器的功能，可以列出4選1數(shù)據(jù)選擇器的邏輯功能表，如表5-7-1所示。其中D0～D3為數(shù)據(jù)輸入端，A0、A1為數(shù)據(jù)選擇端。

由邏輯功能表可以寫(xiě)出輸出與輸入之間的表達(dá)式為

由邏輯表達(dá)式畫(huà)出4選1數(shù)據(jù)選擇器邏輯電路2所示。

74LS153是一種集成的雙4選1數(shù)據(jù)選擇器邏輯器件。圖3所示為74LS153的邏輯電路圖和框圖。

由圖3（a）可知，74LS153的邏輯電路中包含兩個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器，它們的數(shù)據(jù)輸入端分別為D10、D11、D12、D13和D20、D21、D22、D23，數(shù)據(jù)輸出端分別為Y1和Y2。它們有公共的地址選擇輸入端A0、A1。除此之外，還各自有有一個(gè)使能控制端。由圖3（a）可以寫(xiě)出輸入與輸出之間的邏輯函數(shù)式為

由式（2）可以看出，只有當(dāng)使能控制端時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器才能正常工作，否則數(shù)據(jù)輸出端鎖定在低電平。故使能控制端為低電平有效。

74LS153的邏輯功能表如表2所示。

表2 74LS153的邏輯功能表

多路選擇器的應(yīng)用

（1）多路選擇器的擴(kuò)展應(yīng)用

可以用多片少數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)多數(shù)據(jù)輸入的多路選擇器。

例1：用74LS153設(shè)計(jì)一個(gè)8選1的數(shù)據(jù)選擇器。

解：74LS153是一個(gè)雙4選1多路選擇器。有兩個(gè)公用的地址選擇輸入端，8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端。8選1數(shù)據(jù)選擇器需要3個(gè)地址輸入端（23=8），因此需要用使能控制端來(lái)補(bǔ)充地址輸入端的不足。用雙4選1數(shù)據(jù)選擇器芯片74LS153設(shè)計(jì)的8選1數(shù)據(jù)選擇器的電路如圖4所示。

當(dāng)A2=0時(shí)，上邊的4選1數(shù)據(jù)選擇器工作，根據(jù)地址輸入端A0、A1的狀態(tài)，輸出端Y1選擇輸出D0～D3，此時(shí)Y2=0，故Y=Y1；當(dāng)A2=1時(shí)，下邊的4選1數(shù)據(jù)選擇器工作，根據(jù)地址輸入端A0、A1的狀態(tài)，輸出端Y2選擇輸出D4～D7，此時(shí)Y1=0，故Y=Y2。邏輯函數(shù)式為

也可以添加使能控制端對(duì)所接成的8選1數(shù)據(jù)選擇器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。添加使能控制端的8選1數(shù)據(jù)選擇器的電路如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)=0時(shí)，8選1數(shù)據(jù)選擇器正常工作；當(dāng)=1時(shí)，8選1數(shù)據(jù)選擇器的輸出被鎖定在低電平。

（2）用多路選擇器設(shè)計(jì)組合邏輯電路

由表2可知，具有兩位地址輸入A0、A1的4選1數(shù)據(jù)選擇器，當(dāng)使能控制端=0時(shí)，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系式為

若將A0、A1作為兩個(gè)輸入變量，同時(shí)令D0～D3為第三個(gè)變量的適當(dāng)狀態(tài)（包括原變量、反變量、0和1），就可以用4選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)任何形式的三變量組合邏輯函數(shù)。

同理，用由n位地址輸入端的多路選擇器可以實(shí)現(xiàn)任何形式的變量數(shù)不大于n+1的組合邏輯函數(shù)。

例2：用4選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)以下組合邏輯函數(shù)：

解：將式（4）化成與式（5）相對(duì)應(yīng)的形式：

將式（6）與式（4）比較可知，只要令數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端為

則多路選擇器的輸出就是所要表達(dá)的組合邏輯函數(shù)。

多路選擇器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)一個(gè)二位4路選擇器，由于選擇器使用條件觸發(fā)的方法對(duì)應(yīng)真值表進(jìn)行匹配輸出與輸入，因此可以聯(lián)想到在C程序設(shè)計(jì)中的條件語(yǔ)句“If”和“Case”兩種，那么這兩種設(shè)計(jì)從硬件的角度出發(fā)有什么不同呢？

代碼如下：

為了區(qū)別兩種設(shè)計(jì)的不同，可以查看ISE提供的綜合報(bào)告，操作如下：

綜合報(bào)告對(duì)比：

使用Case條件語(yǔ)句 使用IF條件語(yǔ)句

由綜合報(bào)告查看可知，if語(yǔ)句運(yùn)用的元器件多于case語(yǔ)句運(yùn)用的元器件，同時(shí)，if語(yǔ)句中每一個(gè)分支之間具有優(yōu)先級(jí)（串行），得到類似級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)；而case語(yǔ)句所有分支處于同一優(yōu)先級(jí)（并行），綜合可以得到一個(gè)多路選擇器。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)多路選擇器而言，if語(yǔ)句所造成的延時(shí)往往比case語(yǔ)句的大，所以對(duì)于多路選擇器而言，運(yùn)用case語(yǔ)句的效果會(huì)更好。

Case語(yǔ)句下可能出現(xiàn)鎖存器。注釋case條件下的case語(yǔ)句塊的某一行可以得到不完整的case語(yǔ)句下的2位四路選擇器。由不完整case語(yǔ)句下的2位四路選擇器可知：由于case語(yǔ)句所有分支處于同一優(yōu)先級(jí)，所以當(dāng)條件不完整時(shí)，對(duì)于處理結(jié)果，它不取決于語(yǔ)句的先后順序，只取決于待處理信號(hào)，而處理結(jié)果為與待處理信號(hào)相差1’b1的信號(hào)的處理結(jié)果，在這一條件下相當(dāng)于與待處理信號(hào)相差1’b1的信號(hào)的處理結(jié)果得到了鎖存，鎖存器因此產(chǎn)生。

對(duì)與鎖存器而言，鎖存器在待處理信號(hào)存在Glitch的情況下，可能會(huì)對(duì)Glitch產(chǎn)生鎖存，從而導(dǎo)致鎖存出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，是目標(biāo)信號(hào)處理結(jié)果與預(yù)期目的產(chǎn)生極大的偏差，因此鎖存器存在不穩(wěn)定因素，所以在使用鎖存器時(shí)，要牢記優(yōu)先消除待處理信號(hào)的Glitch。

測(cè)試文件：

initial begin

// Initialize Inputs

d0 = 0;

d1 = 1;

d2 = 2;

d3 = 3;

select = 0;

#100;

select = 1;

#100;

select = 2;

#100;

select = 3;

#100;

// Add stimulus here

end

仿真結(jié)果：