一文解析多路选择器的工作原理及电路实现

　　什么是多路选择器

　　多路选择器是数据选择器的别称。在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。

　　FPGA中多路选择器结构

　　典型的FPGA器件主要包含3类基本资源：可编程逻辑块（configurablelogicblock，CLB）、布线资源和可编程输入/输出模块。可编程逻辑块四周被预制的布线资源通道包围，可编程输入/输出模块分布在FPGA四周，除了上述3种资源以外，通常在FPGA中还包含块RAM、乘法器等可选资源。

　　在FPGA各种资源中，可编程逻辑块是实现用户功能的基本单元，每个可编程逻辑块包含1个互连开关矩阵和4个SLICEs，其中每个SLICE包括2个查找表（Look-Up-Table，LUT）、2个触发器和一些多路选择器。互连开关矩阵主要由不同长度导线和多个布线开关组成，典型的布线开关结构如图1所示。

　　由图1可见：每个布线开关由多路选择器、缓冲器和一些可编程的SRAM单元构成。其中多路选择器是连接各布线轨道和可编程逻辑块的桥梁，其结构对FPGA的性能和功耗都有较大的影响。根据多路选择器所驱动的导线长度不同，FPGA中多路选择器的规模从4选1到30选1不等。图2所示为16选1的多路选择器晶体管级电路结构。

　　多路选择器的左边是 16 条输入线，用于连接布线轨道或可编程逻辑块等资源，S1~S6 代表 6 个可编程SRAM 单元，通过配置 SRAM 单元的内容可以从 16条输入线中选出 1 条作为有效输入端，例如，当 S1~S6存储单元的存储值为“000100”时，输入线 I3被选择中，信号所经过的有效路径如图 2 中虚线所示。多路选择器的主体部分是传输晶体管，由于 NMOS 晶体管载流子的迁移效率高，电路速度快，因此，多路选择器中的传输晶体管均采用 NMOS 晶体管实现。

　　多路选择器工作原理

　　常用的多路选择器有4选1、8选1、16选1等多种类型。下面以4选1数据选择器为例介绍数据选择器的工作原理。根据前面介绍的数据选择器的功能，可以列出4选1数据选择器的逻辑功能表，如表5-7-1所示。其中D0～D3为数据输入端，A0、A1为数据选择端。

　　由逻辑功能表可以写出输出与输入之间的表达式为

　　由逻辑表达式画出4选1数据选择器逻辑电路2所示。

　　74LS153是一种集成的双4选1数据选择器逻辑器件。图3所示为74LS153的逻辑电路图和框图。

　　由图3（a）可知，74LS153的逻辑电路中包含两个4选1数据选择器，它们的数据输入端分别为D10、D11、D12、D13和D20、D21、D22、D23，数据输出端分别为Y1和Y2。它们有公共的地址选择输入端A0、A1。除此之外，还各自有有一个使能控制端。由图3（a）可以写出输入与输出之间的逻辑函数式为

　　由式（2）可以看出，只有当使能控制端时，数据选择器才能正常工作，否则数据输出端锁定在低电平。故使能控制端为低电平有效。

　　74LS153的逻辑功能表如表2所示。

　　表2 74LS153的逻辑功能表

　　多路选择器的应用

　　（1）多路选择器的扩展应用

　　可以用多片少数据输入的数据选择器设计多数据输入的多路选择器。

　　例1：用74LS153设计一个8选1的数据选择器。

　　解：74LS153是一个双4选1多路选择器。有两个公用的地址选择输入端，8个数据输入端。8选1数据选择器需要3个地址输入端（23=8），因此需要用使能控制端来补充地址输入端的不足。用双4选1数据选择器芯片74LS153设计的8选1数据选择器的电路如图4所示。

　　当A2=0时，上边的4选1数据选择器工作，根据地址输入端A0、A1的状态，输出端Y1选择输出D0～D3，此时Y2=0，故Y=Y1；当A2=1时，下边的4选1数据选择器工作，根据地址输入端A0、A1的状态，输出端Y2选择输出D4～D7，此时Y1=0，故Y=Y2。逻辑函数式为

　　也可以添加使能控制端对所接成的8选1数据选择器的工作状态进行控制。添加使能控制端的8选1数据选择器的电路如图5所示。

　　由图5可知，当=0时，8选1数据选择器正常工作；当=1时，8选1数据选择器的输出被锁定在低电平。

　　（2）用多路选择器设计组合逻辑电路

　　由表2可知，具有两位地址输入A0、A1的4选1数据选择器，当使能控制端=0时，输出与输入之间的逻辑关系式为

　　若将A0、A1作为两个输入变量，同时令D0～D3为第三个变量的适当状态（包括原变量、反变量、0和1），就可以用4选1数据选择器实现任何形式的三变量组合逻辑函数。

　　同理，用由n位地址输入端的多路选择器可以实现任何形式的变量数不大于n+1的组合逻辑函数。

　　例2：用4选1数据选择器实现以下组合逻辑函数：

　　解：将式（4）化成与式（5）相对应的形式：

　　将式（6）与式（4）比较可知，只要令数据选择器的数据输入端为

　　则多路选择器的输出就是所要表达的组合逻辑函数。

　　多路选择器的设计实现

　　设计一个二位4路选择器，由于选择器使用条件触发的方法对应真值表进行匹配输出与输入，因此可以联想到在C程序设计中的条件语句“If”和“Case”两种，那么这两种设计从硬件的角度出发有什么不同呢？

　　代码如下：

　　为了区别两种设计的不同，可以查看ISE提供的综合报告，操作如下：

　　综合报告对比：

　　使用Case条件语句 使用IF条件语句

　　由综合报告查看可知，if语句运用的元器件多于case语句运用的元器件，同时，if语句中每一个分支之间具有优先级（串行），得到类似级联的结构；而case语句所有分支处于同一优先级（并行），综合可以得到一个多路选择器。因此，对于设计多路选择器而言，if语句所造成的延时往往比case语句的大，所以对于多路选择器而言，运用case语句的效果会更好。

　　Case语句下可能出现锁存器。注释case条件下的case语句块的某一行可以得到不完整的case语句下的2位四路选择器。由不完整case语句下的2位四路选择器可知：由于case语句所有分支处于同一优先级，所以当条件不完整时，对于处理结果，它不取决于语句的先后顺序，只取决于待处理信号，而处理结果为与待处理信号相差1’b1的信号的处理结果，在这一条件下相当于与待处理信号相差1’b1的信号的处理结果得到了锁存，锁存器因此产生。

　　对与锁存器而言，锁存器在待处理信号存在Glitch的情况下，可能会对Glitch产生锁存，从而导致锁存出现严重错误，是目标信号处理结果与预期目的产生极大的偏差，因此锁存器存在不稳定因素，所以在使用锁存器时，要牢记优先消除待处理信号的Glitch。

　　测试文件：

　　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

　　仿真结果：