2.1 Mạch số
1. Đại cương
Chương 2. Mức logic số
(cid:122) Là mạch điện tử hoạt động ở 2 mức điện áp: cao (1) và thấp (0)
(cid:122) Bóng điện tử / Transistor (cid:122) Bảng mạch in, Mạch tích hợp,
Chip: DIP / PGA / PQFP
Đại cương mạch số Mạch tổ hợp Mạch tuần tự Thanh ghi và bộ nhớ
(cid:122) SSI: small (vài chục) (cid:122) MSI: medium (vài trăm) (cid:122) LSI: large (vài ngàn) (cid:122) VLSI: very large
(cid:122) Thông tin nhị phân biểu diễn = tín hiệu điện cao thấp. (cid:122) Thao tác trên thông tin nhị phân thực hiện bằng cổng
3. Đại số Bool (cid:122) Đại số Bool
2. Cổng luận lý:
(cid:122) Nghiên cứu các mệnh đề luận lý (1 trong 2 trị: Đ hoặc S) (cid:122) Bốn phép tính luận lý cơ bản: Not, And, Or, Xor (cid:122) Có sự tương ứng giữa mạch số và hàm Bool
(cid:122) mạch số gồm 1 hoặc nhiều ngõ nhập và 1 ngõ xuất. (cid:122) Các cổng cơ bản (h 1.2 / h 4): ký hiệu, bảng chân trị
(cid:131) Vẽ mạch số ứng với hàm: F = A + B’ C
(cid:122) Phân tích thiết kế mạch số:
(cid:131) Lập bảng chân trị - Biểu diễn dạng đại số (cid:131) Tìm mạch đơn giản bằng PP biến đổi đại số Bool
4. Bản đồ Karnaugh
(cid:131) Phương pháp bản đồ để đơn giản biểu thức Bool
(cid:122) Các khái niệm:
(cid:131) Bản đổ Karnaugh - Các ô liền kề (chỉ có 1 biến khác nhau)
(cid:122) Bước 0: Chuẩn bị bản đồ K với số biến phù hợp (cid:122) Bước 1: Chuyển các giá trị 1 của bản chân trị vào bản đồ (cid:122) Bước 2: Xây dựng các nhóm
(cid:122) VD1: Thiết kế mạch số với bảng chân trị. (cid:122) Từ các trị 1, xây dựng các tích cơ bản (cid:122) Lập hàm Bool bằng tổng các tích cơ bản (cid:122) (Vẽ mạch số) (cid:122) Đơn giản hàm Bool bằng PP đại số (cid:122) (Vẽ mạch số) (cid:122) Mở rộng: Thêm trị 1 tại 111
(cid:122) VD2: Đơn giản mạch
(cid:122) Y = A B’ + A B
(cid:131) Kích thước 2k, với k = n, n – 1, n – 2, ... 1 (giảm dần từ n đến 1) (cid:131) Sao cho không có nhóm con (nằm trọn trong nhóm lớn hơn) Xét loại nhóm thừa (bỏ đi không ảnh hưởng đến kết quả) (Liên quan đến khái niệm phủ tối tiểu trong Toán rời rạc)
(cid:122) Bước 3: Tạo biểu thức (là tổng các tích)
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
Y 0 0 1 1 0 1 0 0
C 0 1 0 1 0 1 0 1
(cid:131) Mỗi nhóm kích thước 2k là một tích với số phần tử (n – k) (cid:131) Chiếu lên từng cạnh
1
2.2 Mạch tổ hợp
1. Đại cương
(cid:122) Bài tập:
(cid:122) Gồm 1 số cổng luận lý kết nối với nhau, (cid:131) với 1 tập các ngõ vào (n) các ngõ ra (m)
(cid:122) 1, 2, 3, 4, 5, 6, (cid:122) Bản đồ Karnaugh: 7, 8 (tr.21)
(cid:131)
(cid:122) Xác định bằng bảng chân trị (n biến nhập, m biến xuất)
(cid:122) Mô tả bằng:
(cid:131) Lược đồ logic - Lược đồ khối (h 2.1) (cid:131) VD: lược đồ logic (a), lược đồ khối (b), bảng chân trị (c)
b. Mạch toàn cộng (Full Adder)
2. Mạch cộng:
(cid:122) Cộng 2 ký số nhị phân a. Mạch nửa cộng (Half Adder)
(cid:122) Cộng thêm bit nhớ (cid:122) Gồm 3 ngõ vào (x, y, z) và 2 ngõ ra (S và C) (cid:122) (gồm 2 mạch nửa cộng và 1 cổng OR) (h 2.4)
(cid:122) Gồm 2 ngõ vào (x, y) và 2 ngõ ra (S: sum, C: carry) (cid:122) (h 2.2) lược đồ logic (a), lược đồ khối (b), bảng chân trị (c)
3. Mạch giải mã và mã hóa
(cid:122) Đổi thông tin mã hóa nhị phân thành thông thường
(cid:122) 1012 = 510 a. Mạch giải mã:
(cid:122) Gồm n ngõ vào và m ngõ ra (m ≤ 2n) (cid:122) (Ngõ cho phép nhập: E – Enable) (cid:122) Mạch giải mã 3 – 8 (h 2.5) (cid:198)
(cid:122) Mạch giải mã dùng cổng NAND (h 2.6 / h 5)
2
(cid:122) (Ứng dụng của mạch giải mã)
(cid:122) Mở rộng mạch giải mã (h 2.7)
(cid:122) Chọn thanh ghi theo tín hiệu mã thanh ghi từ CU
Y
A2 0 0 0 0 1 1 1 1
A1 0 0 1 1 0 0 1 1
A0 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 2 3 4 5 6 7
b. Mạch mã hóa:
4. Mạch dồn và mạch phân
a. Mạch dồn (MUX)
(cid:122) Ngược lại với giải mã (cid:122) (h 7) (cid:122) Thiết kế bằng phương
(cid:122) Còn gọi là mạch chọn dữ liệu (cid:122) Chọn thông tin nhị phân từ 1 trong 2n ngõ nhập đưa ra
ngõ xuất. Việc chọn dựa theo n ngõ nhập chọn.
pháp phân tích (cid:131) Tích các tổng (Product of
(cid:122) Thiết kế:
Sum – POS)
(cid:122) Hãy vẽ mạch giải mã 2 – 4 (cid:122) Ý nghĩa của cổng AND (dẫn thông tín hiệu: x * 1 = x),
(cid:122) (Ứng dụng: biến tín hiệu ngắt thành số hiệu thiết bị phát sinh ngắt)
mỗi thời điểm chỉ có 1 cổng thông (cid:122) Đưa ngõ vào chọn cho từng cổng AND (cid:122) Kết luận: MUX tạo từ mạch giải mã n – 2n, thêm 2n đường
nhập (h 2.8)
(cid:122) Mở rộng mạch giải mã:
a2 0
a1 0
a0 0
0
b. Mạch phân (DEMUX)
0
0
1
1
(cid:122) Nhận 1 ngõ nhập và phân bổ nó đến 1 trong nhiều (2n)
(cid:122) Xây dựng mạch giải mã từ các mạch giải mã có kích thước nhỏ hơn.
vị trí xác định.
0
1
0
2
0
1
1
3
(cid:122) (h 8 mạch dồn 4 – 1 và mạch phân 1 – 4) (cid:122) ********************
(cid:122) VD: MUX 3 – 8 từ các MUX 2 - 4 (cid:122) Giải thích:
1
0
0
4
(cid:131) Xét bảng chân trị
1
0
1
5
1
1
0
6
1
1
1
7
(10)
(cid:131) số nhị phân 3 bit: a2 a1 a0 (2) = a2.22 + a1.21 + a0.20 = a2.22
(10) + (a1.21 + a0.20) = a2.4 + a1 a0 (2)
thay vì (cid:131) Tổng các tích (Sum of Product – SOP)
3
(cid:122) Ứng dụng mạch dồn và mạch phân:
(cid:122) Bài tập: 1, 2, 3, 6 (tr. 31 và 32)
Dẫn thông tin theo 1 đường truyền dữ liệu chung. (h10) (cid:131) Chuyển tín hiệu 102 cho mạch dồn và 002 cho mạch phân
3
8
3 x 8 Decoder
E
2 x 4 Decoder
3
8
3 x 8 Decoder
E
3
8
3 x 8 Decoder
E
3
8
3 x 8 Decoder
E
2.3 Mạch tuần tự (cid:122) Tổng quát
(cid:122) Các hệ thống số đều cần có thành phần lưu trữ
(cid:122) Mạch lật SR (Set – Reset) (cid:122) (xem bảng đặc tính)
(cid:122) Ngõ ra có thể phụ thuộc ngõ vào trước đó (mạch có nhớ)
(cid:122) Mạch lật D (Data)
(cid:122) Thêm cổng đảo giữa S và R
(cid:122) Tuần tự đồng bộ hóa bằng xung đồng hồ.
(cid:122) (h 3.1 và 3.2) (thêm h 10)
(cid:122) Mạch lật (Flip Flop – FF)
(cid:122) Mạch tuần tự đơn gián nhất, lưu 1 bit nhị phân (cid:122) Có 2 ngõ ra: trị bình thường (Q), trị bù (Q’) (cid:122) Bảng đặc tính: Q(t): tr thái hiện tại, Q(t+1): tr thái kế (cid:122) Phân loại:
(cid:122) Số ngõ vào (cid:122) Cách thức các ngõ vào tác động đến ngõ ra.
(cid:122) Mạch lật lề (h 3.5)
(cid:122) Mạch lật JK (J K)
(cid:122) Gồm 2 mạch lật: chủ và tớ (cid:122) Q(t+1) = Q’(t) khi J = K = 1
(cid:122) Mạch lật T (Toggle)
(cid:122) 2 ngõ vào J, K kết nối thành T (J = K = T)
(cid:122) (h 3.3 và 3.4)
S R Q(t+1) 0 0 Q(t) 0 1 0 1 0 1 1 1 ?
4
(cid:122) Mạch tuần tự
(cid:122) Kết nối mạch lật với các cổng. Ví dụ: h 3.7
(cid:122) Bảng kích thích (tự xem)
(cid:122) Bảng liệt kê các tổ hợp nhập cần có để tạo ra 1 thay đổi
trạng thái yêu cầu.
(cid:122) Gồm 2 cột Q(t) và Q(t+1) và một cột cho mỗi ngõ vào (cid:122) Ký hiệu X: điều kiện không cần (hoặc tùy chọn): vì có 2
cách chuyển tiếp
(cid:122) Phương trình nhập mạch lật:
(cid:122) Qui trình thiết kế mạch tuần tự:
(cid:122) Biểu thức Bool mô tả mạch tổ hợp tạo ngõ nhập cho
các mạch lật
(cid:122) Bảng trạng thái mạch lật: (cid:122) Gồm 4 phần: (bảng 3.2)
(cid:122) Chuyển đặc tả sang lược đồ trạng thái (cid:122) Chuyển lược đồ trạng thái sang bảng trạng thái (cid:122) Xây dựng lược đồ luận lý từ bảng trạng thái Ví dụ: mạch đếm nhị phân
trạng thái hiện hành, nhập, trạng thái kế, xuất
(cid:122) Lược đồ trạng thái
(cid:122) Thể hiện bằng hình ảnh của bảng trạng thái (h 3.8) (cid:122) Hình tượng các chuyển tiếp trạng thái, giúp hiểu
hoạt động của mạch.
S R Q(t+1) Q(t+1) Q(t) S R 0 0 Q(t) 0 0 0 X 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 ? 1 1 X 0
2.4 Thanh ghi và bộ nhớ
(cid:122) Bài tập 8, 9, 10, (11)
(cid:122) Thanh ghi (Register)
(cid:122) Lưu nhiều (n) bit, gồm n mạch lật. Lưu dữ liệu và
cung cấp cho các mạch khác. (cid:122) Ví dụ: 4.1
(cid:122) Điều khiển việc chuyển thông tin bằng cổng. (cid:122) Các thanh ghi đặc biệt: (cid:122) Mạch đếm (Counter) (cid:122) Thanh ghi dịch (Shift register)
5
(cid:122) Khảo sát thanh ghi nạp song song
(cid:122) Thanh ghi
nạp song song
(cid:131) Khi Load = 0 (cid:131) Khi Load = 1
(cid:122) Thanh ghi dịch 2 chiều nạp song song (h 4.4)
(cid:122) Thanh ghi dịch
(cid:122) Khảo sát thanh ghi dịch 2 chiều nạp song song
(cid:131) Khi S1S0 có giá trị lần lượt là 00 , 01 , 10 , 11
(cid:122) Mạch đếm nhị phân
(cid:122) (áp dụng từ bài thiết kế mạch
tuần tự)
các chức năng tương ứng là : ...
6
(cid:122) Bộ nhớ
(cid:122) Lưu trữ và truy xuất theo đơn vị từ (word) (cid:122) Kích thước của 1 word ? (cid:122) Kích thước của bộ nhớ ?
(cid:122) Bộ nhớ truy cập bất kỳ (RAM) (cid:122) Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)
