Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Mức logic số

1Chương 2. Mức logic số Đại cương mạch số Mạch tổ hợp Mạch tuần tự Thanh ghi và bộ nhớ 2.1 Mạch số 1. Đại cương z Là mạch điện tử hoạt động ở 2 mức điện áp: cao (1) và thấp (0) z Bóng điện tử / Transistor z Bảng mạch in, Mạch tích hợp, Chip: DIP / PGA / PQFP z SSI: small (vài chục) z MSI: medium (vài trăm) z LSI: large (vài ngàn) z VLSI: very large z Thông tin nhị phân biểu diễn = tín hiệu điện cao thấp. z Thao tác trên thông tin nhị phân thực hiện bằng cổng 2. Cổng luận lý: z mạch số gồm 1 hoặc nhiều ngõ nhập và 1 ngõ xuất. z Các cổng cơ bản (h 1.2 / h 4): ký hiệu, bảng chân trị 3. Đại số Bool z Đại số Bool z Nghiên cứu các mệnh đề luận lý (1 trong 2 trị: Đ hoặc S) z Bốn phép tính luận lý cơ bản: Not, And, Or, Xor z Có sự tương ứng giữa mạch số và hàm Bool ƒ Vẽ mạch số ứng với hàm: F = A + B’ C z Phân tích thiết kế mạch số: ƒ Lập bảng chân trị - Biểu diễn dạng đại số ƒ Tìm mạch đơn giản bằng PP biến đổi đại số Bool z VD1: Thiết kế mạch số với bảng chân trị. z Từ các trị 1, xây dựng các tích cơ bản z Lập hàm Bool bằng tổng các tích cơ bản z (Vẽ mạch số) z Đơn giản hàm Bool bằng PP đại số z (Vẽ mạch số) z Mở rộng: Thêm trị 1 tại 111 z VD2: Đơn giản mạch z Y = A B’ + A B 1 0 1 0 1 0 1 0 C 011 011 101 001 110 110 000 000 YBA 4. Bản đồ Karnaugh ƒ Phương pháp bản đồ để đơn giản biểu thức Bool z Các khái niệm: ƒ Bản đổ Karnaugh - Các ô liền kề (chỉ có 1 biến khác nhau) z Bước 0: Chuẩn bị bản đồ K với số biến phù hợp z Bước 1: Chuyển các giá trị 1 của bản chân trị vào bản đồ z Bước 2: Xây dựng các nhóm ƒ Kích thước 2k, với k = n, n – 1, n – 2, ... 1 (giảm dần từ n đến 1) ƒ 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) z Bước 3: Tạo biểu thức (là tổng các tích) ƒ Mỗi nhóm kích thước 2k là một tích với số phần tử (n – k) ƒ Chiếu lên từng cạnh 2z Bài tập: z 1, 2, 3, 4, 5, 6, z Bản đồ Karnaugh: 7, 8 (tr.21) 2.2 Mạch tổ hợp 1. Đại cương z Gồm 1 số cổng luận lý kết nối với nhau, ƒ với 1 tập các ngõ vào (n) các ngõ ra (m) z Xác định bằng bảng chân trị ƒ (n biến nhập, m biến xuất) z Mô tả bằng: ƒ Lược đồ logic - Lược đồ khối (h 2.1) ƒ VD: lược đồ logic (a), lược đồ khối (b), bảng chân trị (c) 2. Mạch cộng: z Cộng 2 ký số nhị phân a. Mạch nửa cộng (Half Adder) z Gồm 2 ngõ vào (x, y) và 2 ngõ ra (S: sum, C: carry) z (h 2.2) lược đồ logic (a), lược đồ khối (b), bảng chân trị (c) b. Mạch toàn cộng (Full Adder) z Cộng thêm bit nhớ z Gồm 3 ngõ vào (x, y, z) và 2 ngõ ra (S và C) z (gồm 2 mạch nửa cộng và 1 cổng OR) (h 2.4) 3. Mạch giải mã và mã hóa z Đổi thông tin mã hóa nhị phân thành thông thường z 1012 = 510 a. Mạch giải mã: z Gồm n ngõ vào và m ngõ ra (m ≤ 2n) z (Ngõ cho phép nhập: E – Enable) z Mạch giải mã 3 – 8 (h 2.5) Æ z Mạch giải mã dùng cổng NAND (h 2.6 / h 5) 3z (Ứng dụng của mạch giải mã) z Chọn thanh ghi theo tín hiệu mã thanh ghi từ CU Y 1 0 1 0 1 0 1 0 A0 711 611 501 401 310 210 100 000 A1A2 z Mở rộng mạch giải mã (h 2.7) b. Mạch mã hóa: z Ngược lại với giải mã z (h 7) z Thiết kế bằng phương pháp phân tích ƒ Tích các tổng (Product of Sum – POS) thay vì ƒ Tổng các tích (Sum of Product – SOP) z (Ứng dụng: biến tín hiệu ngắt thành số hiệu thiết bị phát sinh ngắt) 4. Mạch dồn và mạch phân a. Mạch dồn (MUX) z Còn gọi là mạch chọn dữ liệu z Chọn thông tin nhị phân từ 1 trong 2n ngõ nhập đưa ra ngõ xuất. Việc chọn dựa theo n ngõ nhập chọn. z Thiết kế: z Hãy vẽ mạch giải mã 2 – 4 z Ý nghĩa của cổng AND (dẫn thông tín hiệu: x * 1 = x), mỗi thời điểm chỉ có 1 cổng thông z Đưa ngõ vào chọn cho từng cổng AND z Kết luận: MUX tạo từ mạch giải mã n – 2n, thêm 2n đường nhập (h 2.8) z Mở rộng mạch giải mã: z Xây dựng mạch giải mã từ các mạch giải mã có kích thước nhỏ hơn. z VD: MUX 3 – 8 từ các MUX 2 - 4 z Giải thích: ƒ Xét bảng chân trị ƒ số nhị phân 3 bit: a2 a1 a0 (2) = a2.22 + a1.21 + a0.20 (10) = a2.22 (10) + (a1.21 + a0.20) = a2.4 + a1 a0 (2) 1 0 1 0 1 0 1 0 a0 711 611 501 401 310 210 100 000 a1a2 b. Mạch phân (DEMUX) z Nhận 1 ngõ nhập và phân bổ nó đến 1 trong nhiều (2n) vị trí xác định. z (h 8 mạch dồn 4 – 1 và mạch phân 1 – 4) z ******************** 4z Ứng dụng mạch dồn và mạch phân: Dẫn thông tin theo 1 đường truyền dữ liệu chung. (h10) ƒ Chuyển tín hiệu 102 cho mạch dồn và 002 cho mạch phân z Bài tập: 1, 2, 3, 6 (tr. 31 và 32) 3 x 8 Decoder 3 x 8 Decoder 3 x 8 Decoder 3 x 8 Decoder 8 8 8 8 3 E 3 E 3 E 3 E 2 x 4 Decoder 2.3 Mạch tuần tự z Tổng quát z Các hệ thống số đều cần có thành phần lưu trữ z Ngõ ra có thể phụ thuộc ngõ vào trước đó (mạch có nhớ) z Tuần tự đồng bộ hóa bằng xung đồng hồ. z Mạch lật (Flip Flop – FF) z Mạch tuần tự đơn gián nhất, lưu 1 bit nhị phân z Có 2 ngõ ra: trị bình thường (Q), trị bù (Q’) z Bảng đặc tính: Q(t): tr thái hiện tại, Q(t+1): tr thái kế z Phân loại: z Số ngõ vào z Cách thức các ngõ vào tác động đến ngõ ra. z Mạch lật SR (Set – Reset) z (xem bảng đặc tính) z Mạch lật D (Data) z Thêm cổng đảo giữa S và R z (h 3.1 và 3.2) (thêm h 10) ?11 101 010 Q(t)00 Q(t+1)RS z Mạch lật JK (J K) z Gồm 2 mạch lật: chủ và tớ z Q(t+1) = Q’(t) khi J = K = 1 z Mạch lật T (Toggle) z 2 ngõ vào J, K kết nối thành T (J = K = T) z (h 3.3 và 3.4) z Mạch lật lề (h 3.5) 5z Bảng kích thích (tự xem) z Bảng liệt kê các tổ hợp nhập cần có để tạo ra 1 thay đổi trạng thái yêu cầu. z Gồm 2 cột Q(t) và Q(t+1) và một cột cho mỗi ngõ vào z Ký hiệu X: điều kiện không cần (hoặc tùy chọn): vì có 2 cách chuyển tiếp ?11 101 010 Q(t)00 Q(t+1)RS 1 0 1 0 Q(t+1) 0X1 101 010 X00 RSQ(t) z Mạch tuần tự z Kết nối mạch lật với các cổng. Ví dụ: h 3.7 z Phương trình nhập mạch lật: z Biểu thức Bool mô tả mạch tổ hợp tạo ngõ nhập cho các mạch lật z Bảng trạng thái mạch lật: z Gồm 4 phần: (bảng 3.2) trạng thái hiện hành, nhập, trạng thái kế, xuất z Lược đồ trạng thái z Thể hiện bằng hình ảnh của bảng trạng thái (h 3.8) z Hình tượng các chuyển tiếp trạng thái, giúp hiểu hoạt động của mạch. z Qui trình thiết kế mạch tuần tự: z Chuyển đặc tả sang lược đồ trạng thái z Chuyển lược đồ trạng thái sang bảng trạng thái z Xây dựng lược đồ luận lý từ bảng trạng thái Ví dụ: mạch đếm nhị phân z Bài tập 8, 9, 10, (11) 2.4 Thanh ghi và bộ nhớ z Thanh ghi (Register) z Lưu nhiều (n) bit, gồm n mạch lật. Lưu dữ liệu và cung cấp cho các mạch khác. z Ví dụ: 4.1 z Điều khiển việc chuyển thông tin bằng cổng. z Các thanh ghi đặc biệt: z Mạch đếm (Counter) z Thanh ghi dịch (Shift register) 6z Thanh ghi nạp song song z Khảo sát thanh ghi nạp song song ƒ Khi Load = 0 ƒ Khi Load = 1 z Thanh ghi dịch z Thanh ghi dịch 2 chiều nạp song song (h 4.4) z Khảo sát thanh ghi dịch 2 chiều nạp song song ƒ Khi S1S0 có giá trị lần lượt là 00 , 01 , 10 , 11 các chức năng tương ứng là : ... z Mạch đếm nhị phân z (áp dụng từ bài thiết kế mạch tuần tự) 7z Bộ nhớ z Lưu trữ và truy xuất theo đơn vị từ (word) z Kích thước của 1 word ? z Kích thước của bộ nhớ ? z Bộ nhớ truy cập bất kỳ (RAM) z Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)