Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866
1
Chương I. Những kiến thức cơ sở
1. Một số phần tử Logic cơ bản
Các mạch logic cơ bản được tạo ra từ liên kết các phần tử điện tử
thông dụng là transistor, diode, điện trở, tụ điện,… Tuỳ theo công nghệ chế
tạo các phần tử đó mà chúng có những tên gọi khác nhau như logic TTL,
logic CMOS, logic HMOS, logic MOSFET v.v…Hình I.1 cho ta thấy cấu
trúc mạch nguyên lý của một phần tử TTL thực hiện chức năng đảo tích
logic của hai giá trị đầu vào (NAND).
Phần tử logic cơ bản thực hiện các hàm của đại số Boole như NOT,
AND, NAND, OR, XOR, v.v…Từ các phần tử này, người ta xây dựng được
các mạch tổ hợp (Combinational Circuits) các mạch lật (FlipFlop) với những
đặc tính chuyển đổi trạng thái khác nhau như R-S FlipFlop, D-FlipFlop, T-
FlipFlop, J-K FlipFlop mà nhờ chúng, ta xây dựng được các mạch tuần tự
(Sequencial Circuits) và các máy hữu hạn (Finite State Machine), những
mạch tích hợp tạo nên các đơn vị chức năng cơ bản trong máy tính.
R 1
R 2
R 3
R 4
T 1
T 2
T 3
T 4
Gnd
Inputs
Output
B
Vcc
F
F = AB
A
B
F
Hình I.1. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo phần tử NAND
A
A
A
Y
Y
Y
Y=A
Y=A
Y=A
A
A
B
B
Y
Y
Y=A+B
A
B
A
B
Y
Y
Y=A+B
Y=A+B
A
B
Y
Y=A B
A
B
Y
Y=A B
Y=A+B
A
A
B
B
Y
Y
Y= A.B
Y=A.B
A
A
B
B
Y
Y
Y=A.B
Y=A.B
Hình I.2. Một số phần tử logic cơ bản
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866
2
Đặc biệt, mạch logic 3 trạng thái (Three-State Logic Circuit) là một
mạch có ứng dụng rất quan trọng trong việc liên kết các phần tử chức năng
của máy tính. Mạch logic 3 trạng thái có thể minh hoạ theo mô hình và bảng
chân thực sau (Hình I.4), trạng thái có ký hiệu "HZ" là trạng thái thứ 3 của
mạch, trạng thái trở kháng cao (High Impedance), khi mà lối vào có thể coi
như được tách khỏi lối ra của mạch (không kết nối). Có hai loại mạch 3
trạng thái:, loại mạch có tín hiệu EN là tích cực cao, ứng với EN = "1"
(Active High), loại thứ hai là mạch có tín hiệu EN tích cực thấp ứng với EN
= "0" (Active Low).
Hình I.3 . Các phần tử mạch lật (FlipFlop) thông dụng
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866
3
2. Một số khái niệm cơ sở
2.1. Mạch logic tổ hợp (Combinational Circuit)
Mạch logic tổ hợp là một mạch điện tử số mà giá trị các biến ở đầu ra chỉ
phụ thuộc vào tổ hợp giá trị của các biến ở đầu vào (Hình I.5).
Các biến vào i0, i1, …, in nhận giá trị là "1" hoặc "0" tương ứng với giá
trị của một biến nhị phân, trong mạch điện, chúng được thể hiện bằng các
trạng thái "có điện áp" hoặc "không có điện áp".
Các giá trị của đầu ra là hàm trực tiếp của các biến đầu vào, và được
thay đổi gần như tức thời khi có sự thay đổi giá trị của biến đầu vào (chỉ trễ
một khoảng thời gian rất nhỏ - hàng nano giây - do sự trễ của các linh kiện
tạo nên mạch điện). Có thể nói tập các giá trị đầu vào i0 ÷ in được áp vào
các lối vào của mạch tổ hợp logic gây nên sự biến đổi trạng thái (giá trị)
của các biến đầu ra F0 ÷ Fm . Các mạch tổ hợp thông dụng thường thấy là
mạch mã hoá, mạch giải mã, mạch dồn kênh, v.v…
Hình I.4. Phần tử 3 trạng thái (Three-State component) và bảng chân lý
Mạch
logic tổ
hợp
i0
i1
i2
in
F0(i0,i1)
F1(i0,i1,i4)
F2(i2,i4,i5,i7)
Fm(i2,i3,i6,in)
Hình I.5. Mạch logic tổ hợp
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866
4
2.2. Mạch tuần tự (Sequencial Circuit)
Mạch này còn được gọi là mạch dãy. Giá trị của biến ra phụ thuộc
không những vào giá trị các biến số đầu vào ở thời điểm đang xét, mà còn
phụ thuộc vào trạng thái trước đó của mạch. Để duy trì được trạng thái của
các biến số vào trước đó, mạch cần thêm các phần tử nhớ. Mô hình của
mạch như sau:
Zi = Fi (x1, x2, …, xn , y1 , y2 , …, yp);
Yj = Gj (x1, x2, …, xn , y1 , y2 , …, yp)
Trong đó Fi là hàm truyền đạt của mạch và Gj là hàm truyền đạt trạng
thái;
xi (i = 1, 2, …,n), Zi (i = 1, 2, …, m) là các tín hiệu vào và tín hiệu ra
của mạch;
y1 , y2 , …, yp : trạng thái của mạch trước khi biến đổi;
Y1 , Y2 , …, Yp : trạng thái của mạch sau khi biến đổi.
Các phần tử nhớ là các phần tử logic có hai trạng thái ổn định ứng với
các giá trị của biến nhị phân "0" và "1", thường là các mạch FlipFlop loại
RS, JK hoặc D.
2.3. Máy hữu hạn
(Finite State Machine)
Máy hữu hạn là một
loại mạch logic khác có
Y1
Mạch
tổ hợp
Các
phần tử
nhớ
y1
yp
Yp
x1
xn
Zm
Hình I.6. Mạch
logic tuần tự
Z1
Z2
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866
5
trạng thái trong (internal state), đầu ra của loại mạch này là hàm của giá trị
đầu vào tại thời điểm đang xét và trạng thái trong hiện tại khi có tác động
của tín hiệu vào. Mạch được tạo thành từ một mạch tổ hợp logic và các phần
tử trễ, thông thường là các phần tử Flip-Flop trên mạch hồi tiếp như là
những phần tử lưu giữ trạng thái trong của mạch.
2.4. Thanh ghi (Register)
Thanh ghi là một mạch điện tử đặc biệt có khả năng lưu giữ các giá trị
của một dữ liệu nhị phân được biểu diễn bằng trạng thái tồn tại hay không
tồn tại điện áp. Phần tử cơ bản tạo nên một thanh ghi là D-FlipFlop. Trên
hình vẽ mô tả, dữ liệu nhị phân 4 bit D3D2D1D0 (tổ hợp của hai giá trị "0" và
"1" trên lối vào D tương ứng của các D-FlipFlop) sẽ được chuyển tới lối ra
Q3Q2Q1Q0 và lưu giữ nhờ tổ hợp tín hiệu điều khiển ghi Write WR, tín hiệu
xung nhịp đồng hồ CLK và tín hiệu cho phép Enable EN (Hình 1.7).
Lưu ý rằng, tín
hiệu ra của thanh ghi
được đưa qua phần tử 3
trạng thái để tạo khả
năng kết nối với những
dữ liệu ở lối ra của các
thành phần khác.
Cũng cần nói
thêm rằng: Thanh ghi
hoàn toàn đảm nhận
chức năng của một ô
nhớ dữ liệu, vì mỗi khi giá trị dữ liệu nhị phân từ lối vào được ghi vào thanh
ghi, dữ liệu đó không thay đổi cho đến thời điểm một dữ liệu mới được ghi
vào. Dữ liệu lưu giữ trong ô nhớ có thể đọc ra được.
Hình I.9. là sơ đồ nguyên lý của một thanh ghi dịch có khả năng ghi
dịch theo các hướng trái, phải hoặc lưu giữ (Load) các dữ liệu nhị phân 4 bit
D3D2D1D0 song song.
2.5. Mạch cộng hai số liệu nhị phân (Binary Adder)
Mạch cộng đầy đủ 2 bit nhị phân có thể xây dựng như một mạch tổ
hợp logic thực hiện phép cộng hai số nhị phân theo quy tắc trong bảng sau,
trong đó Carry In là phần nhớ từ phép cộng của hàng bên phải trước đó,
Operand A là giá trị của bit trong toán hạng A, Operand B là giá trị của bit
trong toán hạng B. Kết quả phép cộng 2 bit cho ta tổng Sum và bit nhớ Carry
Out.
Hình I.7. Mạch tạo thanh
ghi 4 bit