Multiplekseri on kombinaatiopiiri, joka tiettyjen valintaehtojen mukaan yhdistää monesta binääridataisesta otosta yhden kerrallaan antoon. Valintaa ohjaa joukko valintaottoja (selection inputs). Tyypillisesti piirissä on n kpl valintaottoja, jotka ohjaavat, mikä 2ⁿstä dataotosta kulloin pääsee piirin antoon.

Alla esitellään yksinkertainen 4 -> 1 ottovalitsin. Merkintä tarkoittaa, että piirissä on neljä dataottoa, joista yksi kerrallaan pääsee antoon. Koska dataottoja on neljä, tarvitaan 2 valintaottoa (koska 4 = 2², joiden kombinaatio siis määrää, mikä dataotoista kulloinkin pääsee piirin antoon.

Tässä esitellään kaksi tapaa toteuttaa ottovalitsin. Ensimmäisessä käytetään peruspiirejä (AND ja OR -portteja sekä inverttereitä eli NOT-portteja), jälkimmäisessä siirtoportteja (TG). Molemmissa tapauksissa perusidea on, että kunkin valintakombinaation aikana vain sitä vastaava dataotto pääsee data-antoon ja muiden yhteys estetään:

Monimutkaisempiin logiikkapiireihin lisätään usein otto, joka kontrolloi piirin toimintaa. Tätä ottoa sanotaan sallintaotoksi ja sitä merkitään yleensä lyhenteellä EN. Sallintaoton toiminta on yksinkertainen: otto joko estää tai sallii piirin varsinaisen toiminnan. Periaatteessa voidaan esittää, että jos EN=0, piiri ei tee mitään ja toisaalta jo EN=1, piiri toimii normaalisti. Kaavamuodossa siis näin:
EN=0 -> Y=0
EN=1 -> Y=Di
Otto voi kuitenkin toimia negaatiolla, joten sen toiminta kannattaa tarkistaa jokaisessa tapauksessa erikseen.

Tavallisen ottovalitsimen tapauksessa sallintaotto merkitään allaolevan kaavion mukaan. Vieressä oleva totuustaulu esittää, miten otto vaikuttaa piirin toimintaan:

Ottovalitsinta käytetään kytkentäfunktion toteuttamiseen silloin, kun kytkentäfunktio on monimutkainen ja sievenee huonosti tai kun halutaan välttää turhaa itse-rakentamista ja valmiskomponenttien määrää. Ottovalitsin on yleislogiikkapiiri. Nyrkkisääntönä voidaan käyttää sitä, että N:llä valintaotolla varustetulla MUXilla voidaan toteuttaa N+1 muuttujan funktio.

N+1 muuttujan totuustaulun mukaan N suurinta, tai eniten merkitsevää muuttujaa (eli totuustaulussa N kpl muuttujia vasemmalta päin luettuna) kytketään multiplekserin valintaottoihin. Dataottoihin kytketään joko 1, 0, vähiten merkitsevä muuttuja tai sen komplementti. Tällä menettelyllä säästetään ottovalitsimen koossa yhden kakkosen potenssin verran. Esimerkki selventänee asiaa:

Käsitellään kolmen muuttujan funktiota F(X,Y,Z)=minimien summa(1,2,6,7)
Koska muuttujia on kolme, tarvitaan kaksi valintaottoa (koska 2² = 4 > 3). Valintaottoihin menevät eniten merkitsevät muuttujat eli X ja Y. Kahdella valintaotolla taas voidaan muodostaa neljä eri kombinaatiota. Tämä tarkoittaa, että MUXin koko on 4 ->1. Piirretään funktion totuustaulu ja jaotellaan totuustaulu kahden rivin pätkiin: (Tämä siksi, että näillä kahdella rivillä on viimeinen muuttuja (vähiten merkitsevä muuttuja) aina sama)

Yleislogiikkapiireistä voidaan usein räätälöidä alkuperäisiä suurempia kokonaisuuksia tarpeen mukaan. Oikealla on esimerkki ottovalitsimen laajennuksesta. Laajennussäännöt ovat yleensä yksinkertaista kytkentäalgebraa, ajatteleminen auttaa.

Kuvassa kahdesta 4 -> 1 MUXista on muodostettu yksi 8 ->1 MUX. Ottosignaali S2 määrittää onko käytössä ylempi vai alempi MUX, sillä se on kytketty molempien MUXien enable-ottoon.

Ottovalitsimen vastakohtana voidaan pitää antovalitsinta. Se on yleislogiikkapiiri, joka yhdistää oton yhteen monesta annosta. Muut annot ovat vakiotilassa. (Sovittu joko 0 tai 1.) Antovalitsin on toimintansa puolesta sama piiri kuin sallintaotolla varustettu dekooderi. Alla on yksinkertainen esimerkki 1 -> 4 antovalitsimesta.

Logiikkapiirien piirrosmerkeistä on kaksi koulukuntaa. Tällä kurssilla käytetään IEC:n kansainvälisiä suorakulmaisia merkkejä. Toinen vaihtoehto on perinteiset amerikkalaiset merkit, joissa portit erotellaan toisistaan lähinnä merkin muodon mukaan. IEC:n merkit ovat aina suorakulmaisia, sivujen suhde on vapaasti määriteltävissä. Otot ovat vasemmalla, annot oikealla. Perusporttipiirien piirrosmerkinnät on esitetty aikaisemmin. Tässä käsitellään yleisiä sääntöjä sekä hieman monimutkaisempia komponentteja. Alla on esimerkkejä merkinnöistä ja merkkien yhdistämissäännöistä:

On joukko yleislogiikkapiirejä, joissa on samassa piirissä useita samanlaisia osia (lohkoja) ja näillä yhteisiä signaaleita. Tällöin yhteiset signaalit merkitään erikseen yhteiseen ohjauslohkoon ja kaikki erilliset osat kasataan tämän lohkon alle. Yhteisen ohjauslohkon omaavia komponentteja käsitellään kurssin loppupuolella.

Samoissa komponenteissa on usein eriarvoisia ottoja ja antoja. Sanotaan, että otto tai anto on riippuvainen jostain. Riippuvuus esitetään yleensä kirjainlyhenteellä ja numerolla siten, että hallitsevassa otossa (annossa) on sama merkki kuin hallinnan alaisessa otossa (annossa). Merkintä on keskeinen logiikkapiirien piirrosmerkintäjärjestelmässä. Ehkä yksinkertaisin tapaus on riippuvuus kello-otosta, joita käsitellään aikariippuvaisissa piireissä.

Alla esitellään yleisimmin käytetyt riippuvuusmerkinnät. Näiden osaamista tärkeämpää on ymmärtää riippuvuuden periaate. Riippuvuus on tavallaan kyseisen oton enablointi: otto voi toimia vain, jos sitä hallitseva otto on suotuisassa tilassa.

Kuvassa esitetään komponentti, jossa on kaksi hallitsevaa ottoa (X, Y) ja kolme näistä hallitsevista otoista riippuvaa hallinnan alaista ottoa. Hallitsevat otot numeroidaan 1 (X) ja 2 (Y). Vastaava numero merkitään alisteisten ottojen kohdalle ilmaisemaan, mille hallitsevalle otolle toinen otto (A, B tai C) on alisteinen. Tässä esimerkissä otot A ja B ovat alisteisia hallintaotolle X, kun taas otto C on alisteinen hallintaotolle Y.

Tähän mennessä kurssilla on käsitelty kombinaatiopiirejä. Kombinaatiopiireissä antosignaalien arvot riippuvat vain kytkentäfunktion määräämällä tavalla ottosignaaleista. Sekvenssipiireissä antosignaalien arvot riippuvat myös piirin tilasta, johon vaikuttavat myös piirin aikaisemmat ottosignaalit ja tilat. Puhutaan, että piiri on aikariippuvainen. (Sekvenssipiirin toinen nimitys on aikariippuvainen piiri.)

Sekvenssipiirin erityisyys on, että se kykenee tallettamaan ja muistamaan oman tilansa. Tästä siis johtuu aikariippuvuus. Sekvenssipiireissä on sisäisiä takaisinkytkentöjä. Näillä kytkennöillä säilytetään piirin tila erityisissä muistikomponenteissa. Sekvenssipiirin yksinkertainen yleismerkki on kuvattu oikealla. Ylimääräinen silmukka tarkoittaa sisäistä takaisinkytkentää. Sillä siirretään piirin tila uudestaan takaisin piiriin.

Sekvenssipiirejä on kahden tyyppisiä: asynkronisia ja synkronisia. Näistä synkroniset ovat yleisempiä paremman luotettavuutensa vuoksi. Asynkronisessa piirissä piirin tila vaihtuu ottosignaalin vaihtuessa. (Eli heti, kun piiriin tulee uutta dataa, päivittää piiri tilansa.) Synkronisessa sekvenssipiirissä piiri vaihtaa tilaansa erityisen kellosignaalin tahdissa, eli aina tietyin tasaisin väliajoin.

Sekvenssipiirit sisältävät aina tavallisen kombinaatiopiirin. Asynkronisessa sekvenssipiirissä on tämän lisäksi takaisinkytkentä. Synkronisessa sekvenssipiirissä on takaisinkytkennän lisäksi vielä tilarekisteri. Tilarekisteri on piirin osa, jonka tehtävänä on säilyttää sisään saamaansa dataa, kunnes se kellosignaalin tahdissa antaa tallettamansa datan muun piirin käyttöön. Alla on esitetty rakennekaaviot tavallisesta kombinaatiopiiristä, asynkronisesta sekvenssipiiristä sekä synkronisesta sekvenssipiiristä.

Salvat ja kiikut ovat yksinkertaisia sekvenssipiirejä, jotka pystyvät muistamaan niihin talletetun tilan. Salvat ovat näistä yksinkertaisempia ja niiden toiminta on suhteellisen rajoittunutta. Kiikut ovat salpoja monimutkaisempia, mutta luotettavampia. (Suosittelemme kiikkujen käyttöä piirisuunnittelussa..) Kiikkuja käytetään synkronisten sekvenssipiirien tilarekistereinä. Ne tallettavat piirin tilan kellojakson ajaksi. Kiikkujen etu salpoihin nähden on se, että ne muuttavat tilaansa vain kellojakson tahdissa. Salvat tarkastelevat ehtoinaan vain tavallisia ottosignaaleja ja saattavat muuttaa tilaansa myös kesken kellojaksoa ts. asynkronisesti.

Salpojen ja kiikkujen toiminta on suoraviivaista: ne muuttavat antosignaaliaan sen mukaan, minkälaisia kombinaatioita ottosignaaleista ne saavat sisäänsä. (Tosin kiikut siis vain kellosignaalin tahdissa.) Jokaisella salpa- (kiikku) tyypillä on toimintakaavio, jonka mukaan salpa (kiikku) käyttäytyy. Salvoilla (kiikuilla) on joukko ottoja, joiden nimet ilmenevät tyypillisesti salvan (kiikun) nimestä. Antoa merkitään Q kirjaimella. Yleensä ilmoitetaan sekä Q että Q'. Tässä yhteydessä esitellään lyhyesti 2 yksinkertaista salpaa. Kiikkuja käsitellään seuraavalla luennolla.

SR-salpa on sekvenssipiireistä yksinkertaisin. Se voidaan toteuttaa joko TAI-EI (NOR) tai JA-EI (NAND) porteilla. SR-salvalla on kaksi ottoa: S (Set) ja R (Reset). Kun ottosignaalit ovat S=1 ja R=0, salpa asettaa tilansa ykköseksi (siis Q --> 1 ja Q' --> 0). Päinvastaisessa ottosignaalien tapauksessa (S=0, R=1) salpa nollaa tilansa (siis Q-->0 ja Q'-->1). Tilassa 00 anto pysyy vakiona eli piiri ei näytä tekevän mitään.. Tila 11 on ns. kielletty tila. Sitä ei ole määritelty ja piirin toiminta häiriintyy, jos salpa joutuu kyseiseen tilaan (suunnittelijan pitää siis huolehtia, että näin ei pääse tapahtumaan). Kyseisessä tilassa voi antosignaali (Q) saada kummantahansa arvon (0 tai 1) ja kumman arvon se saa, sitä ei voi etukäteen tietää!

Alla on esitetty SR-salvan piirrosmerkki, piirikaavio (eli kuinka salpa on mahdollista toteuttaa peruspiireillä) sekä toimintakaavio:

SR-salpa kello-otolla varustettuna

Kello-oton lisääminen salpaan tarkoittaa, että salpa toimii normaalisti vain silloin, kun kellosignaali on aktiivinen (CLK = 1). Tällöin piiri nukkuu kellosignaalin passiivisen ajan, eikä tuolloin reagoi ottosignaalien muutoksiin. Alla on kuvattu kello-otollisen SR-salvan piirrosmerkki, piirikaavio ja toimintakaavio. Kannattaa huomata piirrosmerkissä S ja R ottojen riippuvuus kellosignaalista. Riippuvuus on esitetty numerovastaavuudella:

Kellosignaalihan on luonteeltaan jaksollista vaihtelevaa signaalia (signaali on vuorotellen 1 ja 0). Siinä on aktiivinen (CLK=1) ja passiivinen (CLK=0) osuus. Jaksonaika on vakio (mikä se sitten kyseisellä kellolla onkaan)

Kello-otolla varustetun SR-salvan piirrosmerkki

Kello-otolla varustetun SR-salvan piirikaavio

Kello-otolla varustetun SR-salvan toimintataulukko

Kello-otolla varustettu D-salpa

D-salvan piirrosmerkki.

D-salvan piirikaavio

D-salvan toimintataulukko