Bài giảng Kỹ thuật số - TS. Lê Chí Thông

Chia sẻ: Thị Huyền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

109
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật số - TS. Lê Chí Thông giới thiệu nhiều chủ đề về các nguyên tắc và thực hành thiết kế số, bao gồm: Hệ thống số; đại số Boole, các cổng logic, tối thiểu hóa mạch; hệ tổ hợp; bộ nhớ ROM, RAM và logic khả lập trình, hệ tuần tự: chốt, flip-flop, thanh ghi, bộ đếm, máy trạng thái; các họ vi mạch số; ngôn ngữ mô tả phần cứng. Giới thiệu chuyển đổi tương tự -số và tổ chức máy tính. Mời các bạn cùng tìm hiểu và tham khảo nội dung thông tin tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật số - TS. Lê Chí Thông

GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Kỹ Thuật Số Giảng viên TS. Lê Chí Thông Bộ môn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: chithong@hcmut.edu.vn Website: sites.google.com/site/chithong BK e-Learning http://e-learning.hcmut.edu.vn Tác giả soạn slides: Nguyễn Trọng Luật GV dạy: Lê Chí Thông 1
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Nội Dung Tóm Tắt • Môn học này giới thiệu nhiều chủ đề về các nguyên tắc và thực hành thiết kế số, bao gồm: hệ thống số; đại số Boole, các cổng logic, tối thiểu hóa mạch; hệ tổ hợp; bộ nhớ ROM, RAM và logic khả lập trình, Hệ tuần tự: chốt, flip- flop, thanh ghi, bộ đếm, máy trạng thái; các họ vi mạch số; ngôn ngữ mô tả phần cứng. Giới thiệu chuyển đổi tương tự-số và tổ chức máy tính. • Sau khi đạt môn này SV có khả năng hiểu, thiết kế và xây dựng các hệ thống số tổ hợp và tuần tự. Sách và Tài Liệu • John F. Wakerly – Digital Design, Principles and Practices, 4th Ed–Prentice-Hall, 2006 • Katz and Boriello – Contemporary Logic Design, 2nd Ed.– Prentice-Hall, 2005 • M. Morris Mano and Charles R. Kime – Logic and Computer Design Fundamentals, 3rd Ed.–Prentice-Hall, 2004 • Nguyễn Như Anh – Kỹ Thuật Số 1, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM. • Hồ Trung Mỹ – Kỹ Thuật Số 2, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM • Lê Chí Thông – Kỹ Thuật Số cơ khí – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM • Bài giảng và bài tập. GV dạy: Lê Chí Thông 2
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Điểm và Cách Đánh Giá • Kiểm tra giữa kỳ (60 – 90 phút): 20% • Thi cuối kỳ (120 phút): 80% Nội Dung Chương Trình Chương 1: Hệ Thống Số Đếm Chương 2: Đại Số Boole Chương 3: Hệ Tổ Hợp Chương 4: Hệ Tuần Tự Chương 5: Các Thiết Bị Logic Lập Trình Được (PLD) Chương 6: Ngôn Ngữ Mô Tả Phần Cứng (VHDL) GV dạy: Lê Chí Thông 3
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Chöông 1: HEÄ THOÁNG SOÁ ÑEÁM – SOÁ NHÒ PHAÂN I. Caùc heä thoáng soá ñeám: 1. Caùc khaùi nieäm: - Cô soá (r - radix): laø soá löôïng kyù töï chöõ soá (kyù soá - digit) söû duïng ñeå bieåu dieãn trong heä thoáng soá ñeám - Troïng soá (weight): ñaïi löôïng bieåu dieãn cho vò trí cuûa 1 con soá trong chuoãi soá. Troïng soá = Cô soá Vò trí - Giaù trò (value): tính baèng toång theo troïng soá Giaù trò =  (Kyù soá x Troïng soá) 7 a. Soá thaäp phaân (Decimal): Cô soá r = 10 4 0 7 . 6 2 5 102 101 100 . 10-1 10-2 10-3 4x102 0x101 7x100 . 6x10-1 2x10-2 5x10-3 400 0 7 . 0.6 0.02 0.005 400 + 0 + 7 + 0.6 + 0.02 + 0.005 = 407.625 b. Soá nhò phaân (Binary): Cô soá r = 2 1 0 1 . 0 1 1 22 21 20 . 2-1 2-2 2-3 1x22 0x21 1x20 . 0x2-1 1x2-2 1x2-3 4 0 1 . 0 0.25 0.125 4 + 0 + 1 + 0 + 0.25 + 0.125 = 5.375 8 GV dạy: Lê Chí Thông 4
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM c. Soá thaäp luïc phaân (Hexadecimal): Cô soá r = 16 Hexadecimal Decimal Binary Hexadecimal Decimal Binary 0 0 0000 8 8 1000 1 1 0001 9 9 1001 2 2 0010 A 10 1010 3 3 0011 B 11 1011 4 4 0100 C 12 1100 5 5 0101 D 13 1101 6 6 0110 E 14 1110 7 7 0111 F 15 1111 5 A 0 . 4 D 1 162 161 160 . 16-1 16-2 16-3 5x162 10x161 0x160 . 4x16-1 13x16-2 1x16-3 1280 160 0 . 0.25 0.0508 0.0002 1280 + 160 + 0 + 0.25 + 0.0508 + 0.0002 = 1440.301 9 2. Chuyeån ñoåi cô soá: a. Töø thaäp phaân sang nhò phaân 8 . 625 8 :2 = 4 dö 0 (LSB) 4 :2 = 2 dö 0 2 :2 = 1 dö 0 1 :2= 0 dö 1 1 0 0 0 . . 1 0 1 B 0.625 x 2 = 1.25 phaàn nguyeân 1 (MSB) 0.25 x 2 = 0.5 phaàn nguyeân 0 0.5 x 2 = 1.0 phaàn nguyeân 1 10 GV dạy: Lê Chí Thông 5
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b. Töø thaäp phaân sang thaäp luïc phaân: 1480.4296875 1480 : 16 = 92 dö 8 (LSD) 92 : 16 = 5 dö 12 5 : 16 = 0 dö 5 5 C 8 . . 6 E H 0.4296875 x 16 = 6.875 phaàn nguyeân 6 (MSD) 0.875 x 16 = 14.0 phaàn nguyeân 14 11 c. Töø nhò phaân sang thaäp luïc phaân: 00 11101101011101.0110101 B 0 3 B 5 D . . 6 A H d. Töø thaäp luïc phaân sang nhò phaân: 2 C 9 . E 8 H 0 01011001001.11101000 B 12 GV dạy: Lê Chí Thông 6
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM II. Soá nhò phaân (Binary): 1.Caùc tính chaát cuûa soá nhò phaân - Soá nhò phaân n bit coù 2n giaù trò töø 0 ñeán 2n - 1 - Soá nhò phaân coù giaù trò 2n-1: 1 … … … 1 (n bit 1) n vaø giaù trò 2 : 1 0 … … ... 0 (n bit 0) - Soá nhò phaân coù giaù trò leû laø soá coù LSB = 1; ngöôïc laïi giaù trò chaün laø soá coù LSB = 0 - Caùc boäi soá cuûa bit: 1 B (Byte) = 8 bit 1 KB = 210 B = 1024 B 1 MB = 210 KB = 220 B 1 GB = 210 MB 13 2. Caùc pheùp toaùn soá hoïc treân soá nhò phaân: a. Pheùp coäng: 1 1 1 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 0 1 1 1 1 + 0 = 1 1 0 1 1 + 1 = 0 nhôù 1 1 1 1 0 0 b. Pheùp tröø: -1 -1 -1 0 - 0 = 0 0 - 1 = 1 möôïn 1 1 1 0 1 0 1 - 0 = 1 1 1 1 1 - 1 = 0 1 0 0 1 1 14 GV dạy: Lê Chí Thông 7
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 1 0 1 1 c. Pheùp nhaân: 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 d. Pheùp chia: 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 15 3. Maõ nhò phaân: Töø maõ: laø caùc toå hôïp nhò phaân ñöôïc söû duïng trong loaïi maõ nhò phaân a. Maõ nhò phaân cho soá thaäp phaân (BCD – Binary Coded Decimal) Soá BCD BCD BCD Maõ 1 trong 10 thaäp phaân (8 4 2 1) (2 4 2 1) quaù 3 0 0000 0000 0011 0000000001 1 0001 0001 0100 0000000010 2 0010 0010 0101 0000000100 3 0011 0011 0110 0000001000 4 0100 0100 0111 0000010000 5 0101 1011 1000 0000100000 6 0110 1100 1001 0001000000 7 0111 1101 1010 0010000000 8 1000 1110 1011 0100000000 9 1001 1111 1100 1 0 0 0 0 0 0 0 0 016 GV dạy: Lê Chí Thông 8
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b. Maõ Gray: laø maõ nhò phaân maø 2 giaù trò lieân tieáp nhau coù toå hôïp bit bieåu dieãn chæ khaùc nhau 1 bit Giaù trò Binary Gray 0 000 000 1 001 001 2 010 011 3 011 010 4 100 110 Ñoåi töø Binary sang Gray Ñoåi töø Gray sang Binary 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 Gray: 1 1 0 0 1 Gray: 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 17 c. Maõ LED 7 ñoaïn: Giaù trò a b c d e f g 0 1 1 1 1 1 1 0 a 1 0 1 1 0 0 0 0 2 1 1 0 1 1 0 1 f b 3 1 1 1 1 0 0 1 g 4 0 1 1 0 0 1 1 e c 5 1 0 1 1 0 1 1 6 1 0 1 1 1 1 1 d 7 1 1 1 0 0 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 0 1 1 d. Maõ 1 trong n: laø maõ nhò phaân n bit coù moãi töø maõ chæ coù 1 bit laø 1 (hoaëc 0) vaø n-1 bit coøn laïi laø 0 (hoaëc 1) 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 Maõ 1 trong 4: hoaëc 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 18 GV dạy: Lê Chí Thông 9
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM d. Maõ kyù töï ASCII: (Coät) b6 b5 b4 (Haøng) 000 001 010 011 100 101 110 111 b3b2b1b0 Hex 0 1 2 3 4 5 6 7 0000 0 NUL DLE SP 0 @ P ` p 0001 1 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 2 STX DC2 ” 2 B R b r 0011 3 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 4 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 5 ENQ NAK % 5 E U e u 0110 6 ACK SYN & 6 F V f v 0111 7 BEL ETB ’ 7 G W g w 1000 8 BS CAN ( 8 H X h x 1001 9 HT EM ) 9 I Y i y 1010 A LF SUB * : J Z j z 1011 B VT ESC + ; K [ k { 1100 C FF FS , < L \ l | 1101 D CR GS - = M ] m } 1110 E SO RS . > N ^ n ~ 1111 F SI US / ? O _ o DEL 19 III. Soá nhò phaân coù daáu : 1. Bieåu dieãn soá coù daáu: a. Soá coù daáu theo bieân ñoä (Signed_Magnitude): - Bit MSB laø bit daáu: 0 laø soá döông vaø 1 laø soá aâm, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn giaù trò ñoä lôùn + 13 : 01101 - 13 : 11101 - Phaïm vi bieåu dieãn: - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) 20 GV dạy: Lê Chí Thông 10
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b. Soá buø_1 (1’s Complement): - Soá buø_1 cuûa 1 soá nhò phaân N coù chieàu daøi n bit Buø_1 (N) = 2n – 1 – N Buø_1 (1 0 0 1) = 24 - 1 - 1 0 0 1 = 1111 - 1001 = 0110 - Coù theå laáy Buø_1 cuûa 1 soá nhò phaân baèng caùch laáy ñaûo töøng bit cuûa noù (0 thaønh 1 vaø 1 thaønh 0) - Bieåu dieãn soá coù daáu buø_1: * Soá coù giaù trò döông: bit daáu = 0, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn ñoä lôùn * Soá coù giaù trò aâm: laáy buø_1 cuûa soá döông coù cuøng ñoä lôùn - Phaïm vi bieåu dieãn - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) 21 c. Soá buø_2 (2’s Complement): - Soá buø_2 cuûa 1 soá nhò phaân N coù chieàu daøi n bit cuõng coù n bit Buø_2 (N) = 2n – N = Buø_1 (N) + 1 Buø_2 (1 0 0 1) = 24 - 1001 = 10000 - 1001 = 0111 hoaëc Buø_2 (1 0 0 1) = Buø_1 (1 0 0 1) + 1 = 0110 +1 = 0111 22 GV dạy: Lê Chí Thông 11
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM - Bieåu dieãn soá coù daáu buø_2: * Soá coù giaù trò döông: bit daáu = 0, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn ñoä lôùn * Soá coù giaù trò aâm: laáy buø_2 cuûa soá döông coù cuøng ñoä lôùn - Phaïm vi bieåu dieãn soá nhò phaân coù daáu n bit - (2n-1 ) ÷ + (2n-1 - 1) Giaù trò döông Giaù trò aâm 000 = 0 100 = - 4 001 = + 1 101 = - 3 010 = + 2 110 = - 2 011 = + 3 111 = - 1 23 - Ñeå tìm ñöôïc giaù trò cuûa soá aâm: ta laáy buø_2 cuûa noù; seõ nhaän ñöôïc soá döông coù cuøng bieân ñoä Soá aâm 1 1 0 0 0 1 coù giaù trò : ……… - 15 Buø_2 (1 1 0 0 0 1) = 0 0 1 1 1 1 : + 15 - Môû roäng chieàu daøi bit soá coù daáu: soá döông theâm caùc bit 0 vaø soá aâm theâm caùc bit 1 vaøo tröôùc -3 : 101 = 11101 - Laáy buø_2 hai laàn moät soá thì baèng chính soá ñoù - Giaù trò -1 ñöôïc bieåu dieãn laø 1 …. 11 (n bit 1) - Giaù trò -2n ñöôïc bieåu dieãn laø 1 0 0 .... 0 0 (n bit 0) - 32 = - 25 : 1 0 0 0 0 0 24 GV dạy: Lê Chí Thông 12
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 2. Caùc pheùp toaùn coäng tröø soá coù daáu: - Thöïc hieän gioáng nhö soá khoâng daáu. - Thöïc hieän treân toaùn haïng coù cuøng chieàu daøi bit, vaø keát quaû cuõng coù cuøng soá bit - Keát quaû ñuùng neáu naèm trong phaïm vi bieåu dieãn soá coù daáu. (neáu keát quaû sai thì caàn môû roäng chieàu daøi bit) -6 : 1010 -2 : 1110 + + +3 : 0011 -5 : 1011 -3 : 1101 -7 : 1001 +4 : 0100 00100 + +5 : 0101 00101 - 7 : 1 0 0 1 (Kq sai) 0 1 0 0 1 : + 9 (Kq ñuùng) 25 Tràn (overflow) xảy ra khi số nhớ Cin và Cout tại vị trí dấu là khác nhau. -6 : 1010 +2 : 0010 - - -2 : 1110 -5 : 1011 -4 : 1100 +7 : 0111 -7 : 1001 11001 - +5 : 0101 00101 +4 : 0100 (Kq sai) 10100 : - 12 (Kq ñuùng) 26 GV dạy: Lê Chí Thông 13
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Tröø vôùi soá buø_2: A – B = A + Buø_2 (B) * Tröø vôùi soá khoâng coù daáu 6 : 0110 0110 - + 13 : 1101 buø_2: 0011 -7 : 1001 * Tröø vôùi soá coù daáu -6 : 1010 1010 - + -3 : 1101 buø_2: 0011 -3 : 1101 27 IV. Coäng tröø soá BCD: Neáu decade Si > 9 Cộng S= A+B hoaëc coù bit nhôù Ci = 1 thì hieäu ñính Si: Si = Si + 0110 (6D) Cn = 1: keát quaû D Neáu decade Di > 9 D=A–B laø soá döông thì hieäu ñính Di: = A + Buø 2 (B) Cn = 0: keát quaû D Di = Di + 1010 (10D) Trừ (bỏ qua bit nhớ Cn) laø soá aâm (bỏ qua bit nhớ khi hiệu đính) Laáy buø 2 (D) Cn là bit nhớ tạo ra từ decade cao nhất, Ci là số nhớ tạo ra từ decade thứ i 1 29 : 0 0 1 0 1 0 0 1 28 : 0 0 1 0 1 0 0 0 + + 55 : 0 1 0 1 0 1 0 1 19 : 0 0 0 1 1 0 0 1 0111 1110 0100 0001 0110 0110 84 : 1 0 0 0 0 1 0 0 47 : 0 1 0 0 0 1 1 1 28 GV dạy: Lê Chí Thông 14
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 29 : 0010 1001 0010 1001 - Bù 2 + 1110 1100 14 : 0001 0100 Cn =1 0 0 0 1 0 1 0 1 = 15 Bỏ qua Cn Kết quả: + 15 56 : 0101 0110 0101 0110 - Bù 2 + 1110 1000 18 : 0001 1000 Cn =1 0 0 1 1 1 1 1 0 D0>9 Bỏ qua Cn + 1010 0011 1000 = 38 Kết quả: + 38 Bỏ qua bit nhớ GV dạy: Lê Chí Thông 15
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 21 : 0010 1001 0010 0001 - Bù 2 + 1010 1011 55 : 0101 0101 Cn =0 1 1 0 0 1 1 0 0 Bù 2 Kết quả: - 34 34 : 0011 0100 31 29 : 0010 1001 0010 1001 - Bù 2 + 1010 1011 55 : 0101 0101 Cn =0 1 1 0 1 0 1 0 0 Bù 2 Kết quả: - 26 0010 1100 D0>9 + 1010 26 : 0010 0110 Bỏ qua bit nhớ 32 GV dạy: Lê Chí Thông 16
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 16 : 0001 0110 0001 0110 - Bù 2 + 1100 0000 40 : 0100 0000 Cn =0 1 1 0 1 0 1 1 0 Bù 2 Kết quả: - 24 0010 1010 D0>9 + 1010 24 : 0010 0100 Bỏ qua bit nhớ 33 Traïng thaùi logic cuûa tín hieäu soá (Digital Signal): Giaûn ñoà xung (Waveform) cuûa tín hieäu soá: 34 GV dạy: Lê Chí Thông 17