circuit combinatoire

Un circuit combinatoire est un réseau de commutation électronique où l'état de sortie dépend uniquement de l'état d'entrée actuel, sans mémoire des entrées précédentes. Contrairement aux circuits séquentiels, qui suivent l'historique via des boucles de rétroaction, les circuits combinatoires produisent leur résultat en un seul passage à travers leurs portes logiques. Le délai de propagation est généralement mesuré en nanosecondes ; la sortie apparaît essentiellement instantanément lorsque les entrées changent.

Les exemples industriels courants incluent les multiplexeurs, les démultiplexeurs, les encodeurs, les décodeurs et les unités arithmétiques et logiques. Un simple multiplexeur 4 vers 1 sélectionne l'une des quatre lignes d'entrée en fonction de deux bits de commande et la transmet à une seule sortie. Les additionneurs binaires, qui additionnent deux nombres multi-bits sans emprunter aux étages précédents, sont purement combinatoires. Les décodeurs convertissent une adresse binaire en une ligne de sortie active, utilisée dans la sélection de mémoire et la logique de commande. Ces circuits sont construits à partir de portes ET, OU, NON, NON-ET et NON-OU agencées de manière à ce que le signal ne circule que dans une seule direction.

Conception et implémentation

La logique combinatoire est généralement conçue à l'aide de tables de vérité qui mappent chaque combinaison d'entrée possible à sa sortie requise. Pour les petits circuits, cela peut être directement implémenté en logique de portes. Pour les conceptions plus grandes, la logique est souvent synthétisée à partir d'équations booléennes et optimisée à l'aide de cartes de Karnaugh ou d'outils logiciels pour minimiser le nombre de portes et le délai de propagation. Dans les dispositifs logiques programmables tels que les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays), les fonctions combinatoires occupent des tables de consultation sans consommer de registres ou de ressources mémoire supplémentaires.

Le principal mode de défaillance est le timing : si les entrées changent plus rapidement que les signaux ne peuvent se propager à travers la chaîne de portes, les nœuds intermédiaires peuvent se stabiliser dans des états imprévisibles, provoquant des glitches ou de la métastabilité. Les concepteurs industriels doivent vérifier que le délai de propagation maximal de toute entrée à toute sortie est plus court que la période du changement de signal le plus lent. Un multiplexeur avec un délai de propagation de 50 nanosecondes ne peut pas gérer de manière fiable des entrées commutant toutes les 10 nanosecondes.

Les circuits combinatoires constituent les blocs de construction de systèmes plus grands. Les processeurs arithmétiques, les décodeurs d'adresse, les routeurs de signaux de commande et les formateurs de signaux de capteurs reposent tous sur la logique combinatoire. Lorsque un comportement séquentiel est nécessaire, la logique combinatoire est associée à des registres ou des verrous pour capturer et maintenir les états intermédiaires, créant ainsi une machine d'état. Le terme « combinatoire » souligne que le circuit est purement une fonction de ses entrées, rien de plus : pas de rétroaction, pas de mémoire, pas de dépendance temporelle.