Bài giảng gốc môn kiến trúc máy tính

Ta có định nghĩa Xung: “Xung điện là những điện áp hoặc dòng điện tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn có thể so sánh đ-ợc với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng”

Kiến trúc máy tính

Nội dung môn học:Cung cấp cho sinh viên một cách nhìn tổng quát cấu tạo

bên trong máy tính và ph-ơng thức làm việc của máy tính

Điều kiện ban đầu: có khái niệm và hiểu biết tối thiểu về kỹ thuật mạch

điện tử, khái niệm về xung và kỹ thuật số

Tài liệu tham khảo:

Kỹ thuật vi xử lý: NXB thống kê 1983

Giáo trình kiến trúc máy tính: Vũ Chấn H-ng, NXB Giao thông vận tải

Kiến trúc máy tính: Nguyễn Đình Việt, NXB Giáo dục

Điều khiển và nối ghép các thiết bị ngoại vi: Trần Bá Thái, NXB thống kê

1987

Bên trong máy tính PC hiện đại: Phạm Hoàng Dũng, Hoàng Đức Hải NXB

khoa học và kỹ thuật

Nội dung ch-ơng trình

Ch-ơng I: Các phần tử và các khâu cơ bản trong máy tính điện tử

Ch-ơng II: Các tổ hợp kỹ thuật số trong máy tính điện tử

Ch-ơng III: Biểu diễn thông tin trong máy tính

Ch-ơng IV: Máy tính điện tử

Ch-ơng V: Kiến trúc trong và nguyên lý làm việc của các khối trong máy

tính PC

Ch-ơng VI: Thiết bị ngoại vi

Ch-ơng I:

Các phần tử cơ bản và các khâu cơ bản

trong máy tính Điện tử

1.1 Xung và cách tạo xung trong kỹ thuật số

Ta biết rằng những đại l-ợng vật lý nh- điện áp hay dòng điện có thể biến

đổi liên tục có chu kỳ hay không có chu kỳ và có khi là điện áp hay dòng điện luôn là hằng số xét trong một khoảng thời gian hữu hạn t0 đến tm nào đó

Ta có định nghĩa Xung: “Xung điện là những điện áp hoặc dòng điện tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn có thể so sánh đ-ợc với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng”

1.1.1 Các thông số đặc tr-ng của tín hiệu Xung:

Xung hình thang lý t-ởng:

Ta có khái niệm sau: a,b là đáy xung, c, d là đỉnh xung, a, c là s-ờn lên và

d, b là s-ờn xuống của xung, Um là biên độ xung

Xung hình thang trong thực tế

Do các mạch điện tử khuếch đại xung hay đóng, mở, truyền dẫn xung đều

có giá trị điện dung, hay điện cảm mà xung hình thang trong thực tế sẽ có dạng thực tế nh- sau:

Ta có đỉnh xung tại thời điểm t1 có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0,9 Um và giá trị điện áp hay dòng điện tại thời điểm t0 hay t3 nhỏ hơn 0,1 Um là đáy xung Khoảng thời gian biến đổi từ 0,1 - 0,9Um gọi là thời gian lên của xung Khoảng thời gian biến đổi từ 0,9 - 01Um gọi là thời gian xuống của xung Khoảng thời gian trung bình ứng với điểm 0,5Um là Tx gọi là độ rộng của xung

ΔU là độ tụt áp đỉnh xung

Là xung có giá trị điện áp của s-ờn tr-ớc và s-ờn sau biến đổi liên tục và

đỉnh xung là điểm biến đổi giá trị điện áp giữa s-ờn lên và s-ờn xuống của xung

Hình 1.4

Nếu tt =ts thì ta có xung tam giác

+ Xung hàm số mũ hay còn gọi là xung đinh

Là dạng xung có một s-ờn đột biến và một s-ờn biến thiên theo quy luật hàm số mũ (H 1.5)

Với x là giá trị tham số của mạch phụ thuộc vào các đại l-ợng R và C của mạch xung

B-ớc nhảy: Là sự chuyển rất nhanh của điện áp hoặc dòng điện giữa hai mức cao H và mức thấp L

Nếu từ mức thấp L lên mức cao ta gọi là b-ớc nhảy d-ơng và ng-ợc lại là b-ớc nhảy âm minh hoạ nh- hình 1.6.a,b

c) Dãy xung:

+ Dãy xung tuần hoàn

Định nghĩa: Là một dãy xung có dạng giống nhau nghĩa là có thời gian tồn tại các xung nh- nhau, có cùng chu kỳ T và khoảng cách xung không thay đổi

Ví dụ dãy xung hình chữ nhật, hình 1.7a và dãy xung răng c-a H1.7b

U

Các đại l-ợng đo l-ờng trong dãy xung

Ta có T là chu kỳ là thời gian tồn tại giữa hai s-ờn tr-ớc hoặc sau của hai xung liên tiếp trong một dãy xung

+ Dãy xung không tuần hoàn:

Định nghĩa : Là một dãy xung có dạng xung giống nhau nh-ng thời gian tồn tại xung khác khác nhau

Ví dụ : Dãy xung chữ nhật không tuần hoàn hình 1.8a và dãy xung hàm số

mũ không tuần hoàn ở hình 1.8b

1.1.2: Cách tạo ra xung trong kỹ thuật số

Trong kỹ thuật số dùng tín hiệu xung để chỉ thị cho hai trạng thái 0 và 1 ứng với tín hiệu xung ở mức thấp L và mức cao H Để có những xung chuẩn tạo thành tín hiệu xung nhịp từ đó gia công xử lý các tín hiệu ta phải có mạch tạo xung

Ta có sơ đồ khối của ph-ơng pháp tạo xung đơn giản nh- hình 1.9

t

U

U

H1.8a: Dãy xung hình chữ nhật không tuần hoàn

H1.8b: Dãy xung đinh không tuần hoàn

Mạch dao động đ-ợc cấp bởi nguồn nuôi và phần tử chuẩn tần số thạch anh

có độ sai số tần số tạo ra rất nhỏ cỡ 10-7- 10-8

VD: 10MHZ có khi chỉ sai số + 1HZ Tín hiệu của mạch dao động tạo xung chuẩn không thể đ-a ra ghép truyền dẫn với các mạch đếm xung hay các mạch

và, hoặc, đảo đ-ợc vì công suất ghép của mạch tạo xung không đủ và ghép nh- vậy sẽ dẫn đến sai tần số dao động và mất dao dộng tạo xung Để nối ghép với mạch ngoài phai cần bộ sửa s-ờn xung có nhiệm vụ đột biến s-ờn xung nghĩa là tt và ts rất nhỏ và mạch sửa đỉnh xung để đỉnh xung ở một giá trị Um xác định với mức H và mức L

Mạch khuếch đại sẽ đ-a ra công suất xung lớn hơn có khả năng ghép với nhiều mạch cổng AND, OR, NOT hay các mạch đếm, dịch xung vv sau này

ta sẽ xét đến

1.1.3 Các phần tử tuyến tính R- C trong mạch xung

a) Quá trình quá độ ở mạch R- C khi có b-ớc nhảy điện áp

Cho mạch điện R- C nh- hình vẽ 1.10 gồm một điện trở R và một tụ điện C

U d C

.

.

Giải ph-ơng trình vi phân (công nhận kết quả) ta có:

) ( 1 RC)

t M

t

c U e U

t

M

R U e U

U i

Trong kỹ thuật xung ta hay chọn thời gian quá độ tq độ = 2,3τ hay tqđộ = 2,3R.C Khi tqđộ = 3 thì ta coi các giá trị điện áp Uc ≈ UM và Ur = 0, i = 0 Biểu diễn quá trình trên theo hình 1.11a,b

Nhận xét giá trị RC càng lớn thì thời gian quá độ càng dài

b)Quá trình quá độ của mạch R -C với kích thích đầu vào là xung vuông Nếu đặt lên mạch R-C một xung vuông góc thì quá trình quá độ xảy ra trong mạch đ-ợc xem nh- là sự xếp chồng (quá trình xếp chồng tuân theo định luật xếp chồng điện áp và dòng điện) của hai quá trình hai b-ớc nhảy Biểu diễn quá trình trên theo giản đồ điện áp nh- hình 1.12 a,b,c,d

Sự thay đổi của UR và Uc trong quá trình quá độ chịu sự ảnh h-ởng của tỷ

lệ

 tx nghĩa là phụ thuộc vào thời gian tồn tại xung tx và giá trị RC của mạch

điện

c) Mạch vi phân trong kỹ thuật xung

Sơ đồ mạch điện nh- hình 1.13a gồm một tụ điện và một điện trở đầu vào là dãy xung hình chữ nhật đầu ra lấy điện áp trên điện trở R với τ =RC nhỏ đủ để tạo xung định hình 1.13b

Tác dụng để tạo xung đồng bộ, kích các mạch đếm, mạch trễ vv

Mạch tích phân : Vẫn mạch điện gồm hai phần tử R,C ta lấy điện áp ra, trên

tụ điện ta sẽ có mạch tích phân nh- hình 1.14a và giản đồ thời gian sẽ nh- hình 1.14b khi đáp ứng đầu vào là một dãy xung chữ nhật với τ = RC đủ lớn

Tác dụng: Dùng tách xung đồng bộ, khi kết hợp với phần tử khuếch đại dùng làm mạch tạo xung tam giác, để tạo quét, chuyển đổi t-ơng tự - số vv

1.2: Dụng cụ bán dẫn

1.2.1: Đi ốt nguyên lý cấu tạo và phân loại

1: Nguyên lý cấu tạo:

Đi ốt đ-ợc cấu tạo bởi chất bán dẫn điện có hai miền dẫn điện P và N, tại tiếp giáp giữa hai miền đó có vùng rào thế đặc biệt có tác dụng chỉ cho dòng

điện đi qua theo một chiều nhất định (h2.1)

Uvào

URa

2 Ký hiệu của đi ốt: (h2.2)

Ký hiệu của đi ốt nh- hình 1.15a một đầu là Anốt một đầu là Katốt, dòng

điện đi theo chiều từ A sang K chiều ng-ợc lại sẽ bị khoá Tính chất dẫn điện một chiều này đ-ợc ứng dụng để làm dụng cụ nắn dòng chỉnh l-u, khoá điện tử, ghim mức vv

Tuỳ theo sự chế tạo của nhà sản xuất mà mỗi loại đi ốt sẽ có khả năng dẫn

điện khác nhau về c-ờng độ dòng điện dẫn qua, điện áp khoá, giới hạn điện áp

đánh thủng vv Mọi thông số sẽ đ-ợc ghi trong sổ tay tra cứu chế tạo và đồ thị chỉ ra mối quan hệ đó gọi là đ-ờng đặc tuyến Von/ Amper của các loại đi ốt đó

3 Đ-ờng đặc tuyến V - A của đi ốt

Phân loại đi ốt

Trong kỹ thuật tuỳ theo nhiệm vụ mà ng-ời ta chế tạo ra các loại đi ốt khác nhau Có loại đi ốt dòng rất lớn hàng trăm Amper điện áp ng-ợc chiều đ-ợc tới một vài nghìn vôn hoặc dòng chỉ vài chục miliamper (mA) nh-ng điện áp đánh thủng có thể chịu đ-ợc hàng chục KV và tần số làm việc cũng khác nhau Trong

kỹ thuật máy tính ta chỉ quan tâm đến vài loại mà thôi

Điốt nắn: Ký hiệu:

Các dạng vỏ trong chế tạo dòng thuận từ một vài A tới 15- 30A điện áp ng-ợc chịu đựng đ-ợc vài chục Vôn tới 1000v, tần số hoạt động thấp, cao nhất chỉ vài chục KHz ứng dụng tạo nguồn một chiều

Vùng rào thế miền tiếp giáp

Điốt xung: điôt shotky ký hiệu:

Là điôt chế tạo theo công nghệ đặc biệt do đó có dải tần làm việc rất lớn có thể tới vài MHz hay GHz ứng dụng rộng dãi trong kỹ thuật xung, truyền tin, kỹ thuật tính toán

Điốt ổn áp: Là điôt có chiều dẫn thuận bình th-ờng nh- các điốt nắn dòng khác, nh-ng do chế tạo khác mà khi đặt điện áp ng-ợc tới một điện áp Uz thì dòng ng-ợc tăng rất nhanh và nội trở của điốt giảm xuống, lợi dụng tính chất này của điốt ng-ời ta lắp vào mạch điện để làm điốt ổn áp Uz th-ờng là 4,7v, 5,6v, 6v, 7,5v, 9v hay 12v

Ký hiêu:

Vỏ ngoài phần lớn nh- điốt nắn dòng trên có ghi thông số điện áp dẫn thông( hay điện áp Uz mà điốt làm nhiệm vụ ổn áp th-ờng thấy) đặc tuyến Vôn/Amper của điốt ổn áp (còn gọi là điốt zêner) nh- H1.18b

d) Điốt biến dung:

Cấu tạo: Dựa vào miền tiếp giáp của hai lớp bán dẫn P và N có miền diện tích không gian mà ng-ời ta chế tạo ra điốt biến dung trên nguyên tắc thay đổi

độ rộng miền điện tích, dẫn đến thay đổi điện dung của điốt

Ký hiệu:

Điốt biến dung ứng dụng trong thay đổi tần số để dò quét tín hiệu hay dao

động, tạo tần số có điều khiển bằng ph-ơng pháp số v.v

1.2.2 Transitor l-ỡng cực

1 Cấu tạo: Transitor gồm ba vùng bán dẫn giáp nhau nh- hình (1.20a) tạo thành hai tiếp giáp p-n đó là tiếp giáp JE & JC nếu vùng p nằm giữa hai vùng n hình (1.20b) thì Transitor đó là loại n-p-n còn khi vùng n nằm gi-a hai vùng p thì Transitor đó là loại p-n-p Mỗi vùng bán dẫn đều đ-ợc nối ra ngoài vỏ nên Transitor điển hình có ba chân (trừ loại đặc biệt nh- nh-: Transitor quang)

Do các miền bán dẫn đ-ợc pha tạp khác nhau mà khả năng dẫn điện khác nhau mà miền điện tích không gian ảnh h-ởng rất lớn đến khả năng dẫn điện của Transitor

Miền có nồng độ tạp chất lớn nhất là miền Emiter cực nối ra ngoài gọi là cực Emiter hay gọi là cực phát

Miền ở giữa có nồng độ tạp chất nhỏ nhất và có độ dầy rất mỏng (vài m ) gọi là miền bazơ cực nối với miền này gọi là cực bazơ hay còn gọi là cực gốc Miền có nồng độ tạp chất trung bình là miền Colecter hay còn gọi là cực gốc

2) Ký hiệu trên sơ đồ mạch điện nh- hình (1.21.ab)

Trong chế tạo càng gần đến 1 phẩm chất Transitor càng tốt

Hệ số khuếch đại dòng điện

β= IC/IB

Hệ số β đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC

Ngoài ra còn một loạt các tham số khác nh- nh-: điện áp thuận, điện áp, chịu đựng của tiếp giáp CE, BE tần số làm việc họ đặc tuyến ra đặc tuyến vào của từng loại Transitor v.v

Ví dụ một đặc tuyến vào và ra của một Transitor (Hình 1.23a,b)

H1.22a: Đặc tuyến vào của Transitor H122b: Đặc tuyến ra của Transitor

4) ứng dụng của Transitor

Dựa trên khả năng khuếch đại dòng điện của Transitor mà ng-ời ta có thể tạo thành các mạch điện ứng dụng trong kỹ thuật khuếch đại công suất, kỹ thuật

điều khiển và kỹ thuật điện toán

Để thiết kế sẽ phải đề cập đến một số môn nh-: Vật liệu bán dẫn, kỹ thuật mạch điện tử, kỹ thuật khuếch đại Phạm vi môn học này ta chỉ xét một hai dạng mạch ví dụ để hiểu đ-ợc tác dụng của Transitor trong các mạch điện tử đơn giản

a Mạch khuếch đại: có các mạch emitơ chung, colechtơ chung và gốc chung ta xét một mạch emitơ chung hay còn gọi là mạch phát chung

khi dòng Ib biến thiên theo tín hiệu đầu vào E thì trên Rg có một dòng

Ic≈KEIb

KE là hệ số khuếch đại dòng điện của cách mắc mạch phát chung

Vậy ta có điện áp ra trên URg = Ib KE Rg nh- vậy thông qua khả năng khuếch đại dòng điện của Transitor mà trong mạch Emitơ chung Transitor đã khuếch đại đ-ợc dòng điện, điện áp và công suất tín hiệu ra

10μA 20μA

b/ Mạch đóng mở: sơ đồ hình vẽ (1.24)

Xét một mạch emitơ ở chế độ đóng mở nh- sơ đồ hình (12.10) khi đầu vào Uvào = 0v thì dòng vào Ib ≈ 0 Transitor T khoá tiếp giáp Rce= ∞ ta coi nh- hở mạch nếu chọn Rc<< R tầng sau thì điện áp sụt trên Rvào tầng sau gần bằng +Ung (mạch có tính chất của mạch đảo) Khi tín hiệu đầu vào Uv lớn (ví dụ Uvào = + 2,5v) lúc này dòng I vào lớn nghĩa là dòng Ib của Transitor T lớn thì dòng Ic lớn

Điện trở CE của Transitor T còn rất nhỏ (rơi vào miền bão hoà) Transitor T thông mạch, ta có thể coi mát (hay điện thế 0v) đặt lên cực trên của Transitor lúc này điện áp ra Uc ≈ 0,2 ữ 0,3v

Những ứng dụng đóng mở này ứng dụng nhiều trong kỹ thuật máy tính, mà sau này ta sẽ xem xét

1.2.3.Transitor tr-ờng:

a) Khái niệm:Transitor tr-ờng là các linh kiện bán dẫn , khác với Transitor l-ỡng cực thông th-ờng chúng đ-ợc điều khiển bằng tr-ờng điện Do vậy tín hiệu điều khiển bị tổn hao rất nhỏ

b) Cấu tạo: Gồm một miếmg bán dẫn dẫn điện thuần nhất một loại p hay n hai đầu đ-ợc nối điện cực là cực nguồn S, cực máng D, trên miếng bán dẫn đó ng-ời ta cấy một miền bán dẫn P hay N để tạo thành miền tiếp giáp P- N nh- hình 1.25 và chân nối ra từ điện cực tạo ra tiếp giáp P-N đó là cực cổng G

Transitor tr-ờng dẫn điện kiểu kênh n

Nguyên lý làm việc: Vùng tiếp giáp P-N sẽ tạo ra miền điện tích không gian Khi thay đổi điện áp điều khiển thì vùng điện tích không gian sẽ thay đổi làm thiết diện dẫn điện của Transitor thay đổi dẫn đến điện trở SD thay đổi và

dòng IDS thay đổi Do tiếp giáp P-N phân cực ng-ợc nên dòng dò rất nhỏ cỡ nA (10 A) Ta nói rằng Transitor có trở kháng vào rất lớn trên thực tế chế tạo dòng vào cỡ 10  30nA, điện trở vào cỡ vài chục MΩ

Ký hiệu:

Transitor tr-ờng kênh N H.1.26 Transitor tr-ờng kênh P

Transitor tr-ờng có đặc tuyến giống nh- đèn điện tử chân không

Do tiêu thụ công suất nhỏ mà Transitor đựoc chế tạo nhiều trong mạch tích hợp dùng trong kỹ thuật tính toán

Vi mạch tuyến tính và vi mạch số

1) Vi mạch tuyến tính: Ngày nay với công nghệ của mạch vi điện tử ng-ời

ta đã chế tạo đ-ợc các Transitor rất nhỏ, các điện trở ngay trên miếng tinh thể silic, hay Ge, GaAs (bằng cách kiểm soát nồng độ tạp chất khuếch tán vào tinh thể bán dẫn) do đó trong kỹ thuật đã tạo đ-ợc những mạch khuếch đại có những tính năng khác nhau Sơ đồ điển hình của một mạch khuếch đại thuận toán nh- hình 1.27

Tuỳ theo cách mắc mạch mà ng-ời ta có thể thay đổi hệ số khuếch đại U,I thay đổi trở kháng vào và trỏ kháng ra

Những vi mạch này đ-ợc ứng dụng trong các mạch khuếch đại âm tần, cao tần, tạo xung chuyển đổi tín hiệu t-ơng tự - số vv

Với vi mạch theo quy định của các nhà sản xuất ví dụ: vi mạch A741

Vi mạch số:

Cũng theo cách chế tạo vừa nêu ở trên ng-ời ta tích hợp các Transitor , đi

ốt, điện trở thành các mạch tạo hàm logíc mạch đếm, nhớ, giải mã trong kỹ thuật

Ví dụ một loại vi mạch số th-ờng dùng.Vi mạch 7400 bên trong vỏ 14 chân

là 4 cổng NAND nh- hình 1.29

Xét cổng chân 1 và chân 2 là hai đầuvào chân 3 là đầu ra chức năng của hàm xung phần sau ta sẽ xét đến

1.3 Các mạch cơ bản trong kỹ thuật số

1.3.1) Khái niệm mạch logíc: Mạch logíc bao gồm các linh kiện mà chủ yếu là

các phần tử đóng, mở với hai trạng thái ổn định Chúng đ-ợc ghép nối với nhau nhằm thực hiện những quan hệ (còn gọi là hàm) logíc cho tr-ớc

Cho một mạch logíc nh- hình vẽ 1.30

Theo sơ đồ khối trên ta có A,B,C là các đầu vào của các biến logíc độc lập

Q là đầu ra của của hàm lôgic và Q là giá trị phủ định của hàm lôgíc Q

Mạch tổ hợp là giá trị các biến ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc các biến vào tại thời điểm đó

Trong các mạch lôgic điện áp mang thông tin về giá trị của biến lôgíc do đó

nó chỉ có thể nằm ở giá trị hai miền giá trị cách biệt nhau là hai mức lôgíc mức cao H và mức thấp L

Ta có các mức và giới hạn mức nh- giản đồ điện áp theo thời gian nh- hình 1.31 sau:

Ta thấy mức cao H sẽ phải nằm trong khoảng UHMIN <L < UHMAX và mức thấp L sẽ phải nằm trong khoảng:

Ta có quan hệ: Q = A٨ B ^ C Hay Q = A.B.C

Nhận xét : Q= 1 khi tất cả các biến logíc đầu vào A,B,C đều bằng 1 và Q =0 khi các đầu vào có một đầu có giá trị bằng 0

Ký hiệu trên sơ đồ: nh- hình 1.32 (a,b)

b) Phần tử logíc OR (mạch huặc) là mạch thực hiện phép cộng logíc giữa các biến đầu vào A,B,C

Ta có đầu ra Q = Aν B ν C hay Q = A+ B + C

Nhận xét đầu ra Q = 0 khi tất cả ba biến đầu vào A,B,C đều bằng (0) và Q=1 khi đầu vào có 1 biến mang giá trị 1

Hình 1.31

Ký hiệu trên sơ đồ: Hình 1.33 (a,b,c)

c) Phần tử đảo NOT hay gọi là phủ định

Là mạch thực hiện phép tính phủ định trên biến logíc A ở đầu vào

Phân tử NOR (mạch hoặc - đảo)

Là mạch thực hiện hai phép tính logíc liên tiếp nhau đó là phép cộng logíc trên các biến vào A,B,C kế tiếp là phép tính phủ định của tổng logíc đó

19

Các phần tử NAND và NOR gọi là các phần tử logíc vạn năng vì ta có thể dùng chúng thay cho ba phần tử logíc cơ bản với mạch NAND hai cửa vào ta nh- hình 1.37a,b có thể viết :

1) Phần tử logíc không t-ơng đ-ơng XOR (Exclusive OR)

còn gọi là mạch huặc loại trừ hoặc gọi là mạch cộng mô đun 2

Phần tử so hai đầu vào là một mạch logíc hai đầu vào logíc A, B và một đầu

ra Q dùng để thực hiện phép tính hoặc loại trừ trên hai biến vào Avà B

Nhận xét: đầu ra Q= 1 khi hai đầu vào mang giá trị nh- nhau

1.3.6 ứng dụng của các phần tử logíc thông dụng

1) Tạo hàm logíc: Để thực hiện một hàm logíc ta phải có các mạch logíc để

có thể thực hiện hàm đó theo các phép toán trong đại số logíc( Đại số Bun)

Ví dụ: Cho một hàm sau:   X1X2X3X1.X3

Ví dụ nh- sơ đồ sau: H.1.41 (a,b)

3) Phần tử đảo có điều khiển

Ta có thể dùng phần tử không t-ơng đ-ơng( hoặc phần tử t-ơng đ-ơng) nh- một phần tử đảo có điều khiển

Ví dụ nh- dùng phần tử XOR dựa vào bảng chức năng ta có:

4) Phần tử hoặc- loại trừ nhiều đầu vào

Ta có thể dùng phần tử không t-ơng đ-ơng để thành lập mạch so thực hiện phép hoặc - loại trừ trên nhiều biến logíc

Ví dụ cho mạch so ba biến A, B, C ta có Q ABC nh- hình 1.42

Hay ta có thể vẽ thành một mạch hoặc loại trừ 3 đầu vào A, B, C

Quy tắc tính giá trị ở mạch so nhiều đầu vào

Q = 0 khi số biến mang giá trị 1 ở đầu vào là số chẵn

Q = 1 khi số biến mang giá trị 1 ở đầu vào là số lẻ

Mạch ứng dụng để kiểm tra lỗi chẵn lẻ của kênh truyền tin

Ta thấy mạch hoạt động nh- sau: khi đầu điều khiển cho phép có mức thấp

L (Mức logic 0) thì mạch truyền dẫn tín hiệu

IN = 0 ta có out = 0và IN = 1 thì out = 1 và khi ENABLE ở mức cao (mức logic 1) thì dù đầu vào IN = 0 hay IN = 1 thì đầu ra out đều ở mức trở kháng cao

ta coi nh- hở mạch về ghép nối điện

C B A

ứng dụng: Ta có sơ đồ ghép nối các thiết bị nh- hình 1.43b

Trên đ-ờng truyền tín hiệu các thiết bị 1, 2, 3 đều có dữ liệu chờ ở đầu ra nh-ng chỉ có thiết bị 1 đ-a số liệu lên đ-ờng truyền còn thiết bị 2, 3 có đầu cho phép ENABLE = 1 nên có trạng thái thứ 3 z = ∞ ta coi nh- tách khỏi đ-ờng truyền

1.3.7 Mạch trigơ

a) Khái niệm: mạch trigơ là một mạch điện có hai đầu vào và hai đầu ra và

nó có hai trạng thái ổn định 0 và 1 ở hai đầu ra khi có tác động ở đầu vào thích hợp thì mạch có thể lật trạng thái từ 0 sang 1 ( hay từ 1 về 0) và ổn định ở trạng thái này cho đến khi có tác động mới ở đầu vào Ký hiệu trên sơ đồ nh- hình 1.44a

b) Các mạch trigơ kiểu tích hợp:

Bên cạnh các phần tử lôgíc dùng để thực hiện các hàm logíc cơ bản , các loại sơ đồ trigơ có một ý nghĩa to lớn trong việc tạo nên những phần tử nhớ, đếm , dịch Trong kỹ thuật số sự làm việc của trigơ này cũng sẽ đ-ợc mô tả nhờ các hàm logíc cơ bản Điều này cho ta khả năng hiểu đ-ợc nguyên lý hoạt động của chúng mà không phụ thuộc vào việc thực hiện sơ đồ đó nh- thế nào trong từng tr-ờng hợp

c) Sơ đồ cơ sở:

Ta có thể tạo ra sơ đồ trigơ bằng cách gộp hai phần tử logíc Hoặc - Phủ

định (NOR) trong một vòng phản hồi nh- sơ đồ: nh- hình 1.44b

Mạch này có hai tín hiệu vào S (là đầu vào xác lập - set) và đầu R (đầu vào xoá Reset) và hai đầu ra Q và Q

Nếu các tín hiệu vào đảo nhau ví dụ S= 1 và R = 0

thì Q SQ 1 Q 0

1 0

đều bằng 0 do đó tổ hợp tín hiệu vào này bị cấm

Bảng trạng thái của trigơ - RS

Mạch dùng nguồn +5v công suất tiêu thụ điển hình 10mw trên một phần tử

và tốc độ chuyển mạch 10ns ( 10.10-9s)

Mạch logíc họ TTL có hai nhóm cơ bản 74xxx dùng trong th-ơng mại dải nhiệt độ làm việc tin cậy từ 0 độ C đến +70độ C và 54xxx dùng trong quân sự dải nhiệt độ rộng hơn từ - 55độ C đến 125độ C

Chủng loại:

N loại thông th-ờng

H Tốc độ chuyển mạch cao

L Công suất tiêu thụ thấp

S có điốt shotky tốc độ nhanh

LS công suất tiêu thụ thấp và có điốt shotky

- Các thông số của họ TTL

Điện áp cung cấp =5v sai số cho phép 2,5%

+ Mức logíc đầu ra : mức cao UH

Uout H  2,4v cho loại N, H, L

Uout H  2,7v cho loại S, L, S

Mức thấp UOL  0,4v với loại N, H,L

b) Mạch logíc học CMOS là vi mạch đ-ợc cấu tạo bởi các traritor tr-ờng Mạch dùng nguồn cung cấp 1.5-3v ( ngày nay trong các chíp vi xử lý thế hệ mới dùng nguồn 1,3 ữ1,8v) ở chế độ tĩnh điện áp vào và điện áp ra giữ ổn định ở một mức logíc thì hầu nh- không tiêu thụ công suất của tín hiệu vào, và nguồn tiêu thụ rất nhỏ Khi ở chế độ động tín hiệu vào là tín xung và tín hiệu ra cũng vậy thì công suất tiêu thụ tăng lên nó tỷ lệ với tần số làm việc của tín hiệu

Mạch có -u điểm: - Độ chống nhiễu cao

Dòng vào mạch CMOS nhỏ (tổn hao tín hiệu nguồn rất nhỏ) cỡ nA tiết kiệm năng l-ợng do đó dễ dàng làm mát khi toả nhiệt

Nh-ợc điểm : Thời gian làm việc lớn hơn họ TTL từ 50 ữ 100ns có thể chia làm hai loại

Các mạch CMOS tốc độ chậm họ 4xxx và họ 74Cxxx loại này độ ổn định nhiễu rất cao, dòng ra nhỏ nh-ng trễ truyền đạt lớn

Họ này điện áp cung cấp th-ờng là 7.5v trong đó họ 74 HCxxx thời gian trễ truyền đạt 89 ns điện áp ra từ 2  6v dòng ra cỡ 4mA nó không t-ơng thích với nối ghép họ TTL các họ còn lại t-ơng thích nối ghép với họ TTL về mặt điện và ng-ỡng logic

Ch-ơng II Các tổ hợp kĩ thuật số trong máy tính điện tử

2.1 Các hàm logic

2.1.1 Đại số Bun (Boole)

Khái niệm: Mới nhìn qua thiết bị số có vẻ khá phức tạp Tuy nhiên chúng

đ-ợc cấu tạo trên nguyên tắc ghép nhiều cặp các mạch logic đơn giản Đại số Bun đ-ợc sử dụng làm công cụ tạo ra các mạch này và vì nó đ-ợc dùng trong kĩ thuật số nên còn đ-ợc gọi là đại số logic

Biến logic: Biến logic khác với các biến đại số thông th-ờng Biến lôgíc bao gồm hai giá trị là 0 logic và 1 logic chúng được kí hiệu là “0” và “1”

cũng không sợ lẫn kí hiệu này với các số 0 và số1 vì trong mỗi tr-ờng hợp

cụ thể sẽ rõ nó là số hay giá trị logic

Hàm logic: Biểu diễn các nhóm liên hệ logic với nhau thông qua các phép toán logic giá trị có thể lấy là 0 và 1

ba phép tính cơ bản giữa các biến lôgic đó là:

Phép hội (nhân logic)

Phép tuyển (cộng logic) phép nghịch đảo (phủ định logic)

+T-ơng tự với các số đại số, trong đại số logic ng-ời ta dùng các ký hiệu sau đây cho các phép tính

- Phép hội:

X X X X X X

Các biểu thức 2X hay X2 không gặp trong đại số logic do quy tắc lặp

Nếu trong một đẳng thức nào đó ta đổi chỗ phép hội cho phép tuyển và 0 cho 1 thì khi đó ta cũng nhận đ-ợc một đồng nhất thức

2.1.2 Các ph-ơng pháp biểu diễn các biến và hàm logic

Bảng sự thật: nếu có một hàm logic n biến thì bảng sự thật là một bảng

định giá trị của tổ hợp biến, giá trị của hàm đ-ợc ghi vào các ô t-ơng ứng

Theo ví dụ nêu trên ta lập bìa:

§Þnh nghÜa hµm logic biÓu diÔn d¹ng chÝnh quy:

Mét hµm logic ®-îc gäi lµ biÓu diÔn d-íi d¹ng chÝnh quy nÕu mçi sè h¹ng

( ) (

) (

).

.(

) (

) ).(

f( , , )   

) ).(

).(

( ) , , (x y z x y z x y z x y z

z y x z y x z y x z y x z y x z y x z y x z y x

) ,

,

(x y z

f

Chỗ nào có dấu (+) thì sẽ thay bằng dấu (.) và ng-ợc lại Đồng thời lấy phủ

định tất cả các biến có trong ph-ơng trình Y

2.1.5 Tối thiểu hoá hàm logic

Vì sao phải tối thiểu hoá hàm logic?

Ta biết cùng một hàm logic có thể xây dựng từ các phần tử cơ bản khác nhau Nếu mạch càng ít, độ tin cậy càng cao và giá thành chế tạo cũng giảm xuống Khi tối thiểu hoá hàm logic ta sẽ đ-ợc hàm rút gọn đơn giản nhất

1/ Ph-ơng pháp đại số: ta sử dụng tính chất của đại số Bun nh- đã nêu ở ví

dụ trên ta sẽ rút gọn

3 2 1 3 2 1 3 2

Ta có mạch điện theo sơ đồ nh- hình 2.2 (a,b)

Mạch này hoàn toàn t-ơng đ-ơng với mạch logic dạng tuyển chuẩn tắc

Tr-ờng hợp các biến vào là lẻ thì trên hàng ngang bố trí nhiều hơn cột dọc một biến (hoặc ng-ợc lại) Thứ tự bố trí các giá trị tổ hợp khác nhau của biến vào

sẽ đ-ợc lựa chọn sao cho khi chuyển từ một ô sang ô lân cận với nó chỉ làm thay

đổi một biến

Các giá trị ghi trong các ô này chính là giá trị của biến ra y t-ơng ứng với giá trị của biến vào

Bảng cácnô chỉ là dạng rút gọn của cách ghi bảng trạng thái Vì vậy trên cơ

sở của nó có thể thiết lập đ-ợc dạng tuyển chính tắc của hàm logic cần tìm

Ví dụ bảng trạng thái của hàm và (AND)

-Nhóm các ô trong nhóm mà giá trị của hàm cùng bằng “1”với số lượng các

ô trong nhóm đạt đ-ợc lớn nhất có thể và là số luỹ thừa của hai (2,4,8 ô )

-Số l-ợng các ô trong nhóm liên quan đến số l-ợng biến có thể loại đi đ-ợc, biến nào lấy giá trị ng-ợc nhau trong nhóm thì biến đó sẽ bị loại Nếu ô trong nhóm 2n ô thì loại đ-ợc n biến

- Số l-ợng nhóm chính là số số hạng sau khi tối thiểu hoá

-Với những ô tại đó hàm không xác định ví dụ có thể bằng 0 với tập

Cho một bảng trạng thái đầu vào bốn biến x1,x2,x3,x4

Riêng ô A ta gấp bìa (K A x1.x2.x4 (trên d-ới)

thì ta chập 4 ô có giá trị logic 1 và tối thiểu hoá thì sẽ đ-ợc K A' x2.x4

Và ta có hàm logic rút gọn của bảng trạng thái đã đ-a ra ở trên

2 1 3 1 4 3 1 4

Hệ dãy: là sơ đồ logic có nhớ, hệ đ-ợc thực hiện bởi các phần tử logic cơ bản và phần tử nhớ Tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào ở thời điểm hiện tại mà còn phụ thuộc vào tín hiệu vào ở thời điểm quá khứ

Hệ tổ hợp phức tạp có thể thực hiện bằng cách mắc các phần tử logic cơ bản theo nguyên tắc sau:

-Đầu ra của một phần tử logic cơ bản có thể đ-ợc nối với một hoặc nhiều

đầu vào của phần tử logic cơ bản khác

-Đầu ra của hai phần tử logic cơ bản không đ-ợc nối trực tiếp với nhau (phải qua phần tử ba trạng thái)

2.2.2 Một số hệ tổ hợp cơ bản

1/ Bộ mã hoá: Các bộ biến đổi mã dùng để đổi một dạng số này sang một dạng số khác Trong máy tính ta xét một số sơ đồ tổ hợp để biến đổi mã nhị phân thành mã khác và ng-ợc lại

a Mã “1 từ n”

Mã “1 từ n” cho tương ứng mỗi số j từ 0 đến n-1 với một biến lôgic

YJ biến này chỉ nhận giá trị 1 khi trên lối vào số j đ-ợc chọn trong tất cả các tr-ờng hợp khác nó bằng 0 Ta xét một ví dụ từ một bảng chuyển đổi để chuyển

đổi mã nhị phân thành mã “1 từ 10” Các biến này ta có thể thiết lập trực tiếp dạng chuẩn tắc của hàm chuyển mã

Bảng chuyển đổi của bộ giải mã "1 từ 10"

Hàm Bun của bộ giải mã "1 từ 10" có dạng sau đây:

họ TTL và M14514 họ CMOS Bộ giải mã từ”1 từ n” được dùng nhiều để điều khiển các thao tác trình tự

đồ này còn gọi là bộ mã hoá -u tiên Hình 2.4

Chế tạo: vi mạch SN 74147 họ TTL bộ đổi mã từ “1 đến 10” sang mã nhị phân,

SN 74148 là bộ đổi mã từ “1 từ 8”

c/ Mã nhị phân - thập phân

Không thể tính các số vào và ra trong hệ thống thập phân bằng các mã nhị phân thông th-ờng Để làm đ-ợc việc này ta dùng mã nhị phân - thập phân hay ta còn gọi là mã nhị phân - thập phân trong mã 8421 Hình 2.5

Mạch

đổi mã 1

từ 10 sang mã

33

Ta sẽ đổi một số thập phân 21610 sang mã trên

21610= 0010 0001 0110

Ta thấy một số nhị phân 4 bit cho phép biểu diễn đ-ợc các số thập phân từ

0 -đến16 Trong tr-ờng hợp mã nhị phân- thập phân thì chỉ sử dụng 10 số tổ hợp mã trong đó Do đó để ghi một số nhị phân - thập phân có một số l-ợng bít nhiều hơn trong cách viết nhị phân

d) Biến đổi nhị phân - thập phân thành mã nhị phân

trong mã nhị phân - thập phân có thể thực hiện đ-ợc rất nhiều phép tính tuy nhiên trong một số tr-ờng hợp cần phải đổi các giá trị của nó trở lại mã nhị phân, ta có sơ đồ khối của bộ mã theo ví dụ trên Hình 2.6

e) giải mã địa chỉ

thông tin trao đổi trong máy tính ngoài số liệu ra bao giờ cũng phải có địa chỉ của nơi nhận hoặc nơi gửi kèm theo Bộ nhớ ta coi nh- một bảng có nhiều ô nhớ khác nhau, số l-ợng ô nhớ theo cơ số 2 và phụ thuộc vào thanh ghi địa chỉ là

8 bit hay 16 bit và 32 bit

Ví dụ: Với địa chỉ 10 bit ta có 210 ô nhớ và 1024 ô này đ-ợc xắp xếp coi nh- một trang nhớ, ta có bộ giải mã địa chỉ nh- sơ đồ khối sau:

Ta thấy khi số l-ợng ô nhớ tăng thì đầu ra của bộ giải mã địa chỉ sẽ tăng tới mức không tổ chức thực hiện trên mạch điện đ-ợc vì lí do công nghệ Mà ta sẽ phải tổ chức bộ giải mã theo ph-ơng thức khác, ta sẽ đề cập kĩ hơn ở những ch-ơng sau trong mục tổ chức bộ nhớ

Chục

Trăm

Bộ giải mã

BCD  7 thanh

Nghìn

Hình 2.8

Sơ đồ của một bộ dồn kênh đ-ợc vẽ ở sơ đồ d-ới đây theo bảng trạng thái

0 a .x a .a .x a .a .x a .a .x

a

Từ hàm y ta có mạch nh- hình 2.9

Tuỳ theo trạng thái của lối vào địa chỉ a0 và a1 mà lối ra y của bộ dồn kênh

sẽ đ-ợc nối với một trong các lối vào thông tin x0 đến x3 của nó

Theo nguyên tắc này, sơ đồ có thể sử dụng cho một số biến bất kì nhờ n lối vào địa chỉ có thể chọn đ-ợc trong số 2n tín hiệu thông tin

2 Bộ tách kênh:

Đôi khi cần nhiệm vụ phân phối một tín hiệu vào cho một vài địa chỉ khác nhau Sơ đồ có nhiệm vụ nh- vậy gọi là bộ tách kênh Ta xét một bộ tách kênh hai đ-ờng địa chỉ a0, a1 và 4 đ-ờng ra, ta có các hàm ra:

;

1 0 1

0 x a a

y  y1  x1a0a1; y2  x1a0a1; y3  x1a0a1;

0 1

0 a x a

1a x a

2 0

1 a x a

3 1

0 a x a

Y

Hình 2.9

Sơ đồ bộ tách từ một đ-ờng thành 4 đ-ờng: Hình 2.10

Tín hiệu x1 đ-ợc đặt lên lối vào thông tin sơ đồ sẽ đấu nó đến lối ra nào có chỉ số đ-ợc xác định tr-ớc bởi các tín hiệu địa chỉ a0, a1 Với x = 1= const bộ tách kênh được làm như một bộ giải mã “ 1 từ n” thông thường

0 x a a

0 1 1

1 x a a

0 1 1

2 x a a

0 1 1

Các bộ so sánh chức năng phát hiện sự bằng nhau giữa hai số còn có thể xác lập xem số nào trong chúng là lớn hơn thì gọi là bộ so sánh vạn năng

Ta có bảng trạng thái của bộ so sánh 1 bit

a b Ya>b Ya=b Ya<b

Nếu A=B và bằng 1 thì xảy ra hiện t-ợng nhớ vào bit sau( bít lớn hơn) Do

đó bộ cộng nh- vậy cần phải có hai đầu ra : Một đầu để tạo ra phần của tổng thuộc bit hiện tại, còn một đầu để nhớ vào bit tiếp theo

Bằng cách biểu diễn số A và số B bằng các biến logic a0 và b0 ta có bảng trạng thái sau:

Nếu cộng hai số nhị phân nhiều bit thì nửa bộ cộng chỉ có thể dùng cho một

bit trọng số thấp Do vậy sẽ là 3 bit cho đầu vào của bộ cộng tiếp theo của bit có

trọng số lớn hơn tiếp theo và hai đầu ra của bộ cộng đó là ba biến vào ai, bi, ci và

hai biến si và ci+1 ở đầu ra Ta có sơ đồ: H.2.12b

i i i

i a b c

Muốn cộng nhiều bit ta ghép nhiều bộ cộng ta có sơ đồ khối nh- hình 2.12c

Hình 2.12c Sơ đồ bộ cộng 4 bit có nhớ nối tiếp

Ngoài ra ng-ời ta còn thực hiện bộ cộng có nhớ song song nhằm tăng mức

độ tính toán, do hạn chế thời gian ta không đề cập ở bài giảng này

2.3 Hệ dãy

2.3.1.Khái niệm

Hệ dãy là hệ mà tín hiệu ở đầu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu của đầu vào ở thời điểm hiện tại mà còn phụ thuộc vào quá khứ của tín hiệu đầu vào Vì vậy hệ dãy còn gọi là hệ có nhớ

Để thực hiện hệ dãy ta cần phải có các phần tử nhớ( các loại trigơ) và các phần tử logíc cơ bản

a Phân loại hệ dãy:

Hệ dãy đ-ợc chia làm hai loại đồng bộ và không đồng bộ

- Hệ dãy đồng bộ là hệ làm việc cần có tín hiệu xung đồng bộ để giữ nhịp

đếm, nhớ, dịch cho hệ

- Hệ dãy không đồng bộ là hệ không có tín hiệu xung đồng bộ khi hoạt

động mà mà tín hiệu ra chỉ phụ thuộc tín hiệu vào và trạng thái của hệ tr-ớc đó

2.3.2 Phân loại trigơ (Flip- Flop)

Là phần tử nhớ cơ bản của hệ dãy Trạng thái của trigơ chính là tín hiệu ra của nó

Nh- trên đã nói hệ dãy hoạt động theo kiểu đồng bộ và không đồng bộ mà trigơ là phần tử nhớ chính trong hệ cho nên trigơ cũng làm việc theo hai kiểu chính là đồng bộ và không đồng bộ

a) Kiểu trigơ đồng bộ:

Trạng thái trigơ thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu vào và tín hiệu đồng bộ , tín hiệu đồng bộ sẽ cho phép hay không cho phép thay đổi trạng thái của trigơ Trigơ đồng bộ đ-ợc phân loại theo sự kích thích của xung đồng bộ

- Đồng bộ theo mức : Dùng mức điện áp thích hợp của tín hiệu đồng bộ

để làm thay đổi trạng thái của trigơ, đó chính là các mức điện áp t-ơng ứng với các mức của tín hiệu logíc mức thấp L và mức cao H

Đồng bộ theo s-ờn: Việc thay đổi trạng thái của trigơ ứng với thời điểm xuất hiện s-ờn xung của tín hiệu đồng bộ

s-ờn lên còn gọi là s-ờn d-ơng và s-ờn xuống còn gọi là s-ờn âm Và ký hiệu của các trigơ đồng bộ theo mức và s-ờn xung nh- hình 2.13 a,b,c,d

- Trigơ đồng bộ theo mức: Hình 2.13a,b

Trigơ lật ở mức thấp Trigơ lật ở mức cao

- Trigơ đồng bộ theo s-ờn xung

Trigơ lật theo s-ờn âm Trigơ lật theo s-ờn d-ơng

b) Trigơ không đồng bộ: Đầu ra thay đổi trạng thái chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào và trạng thái quá khứ của trigơ so với thời điểm tín hiệu vào tác động

Biểu diễn trên sơ đồ xung ta thấy :