Bài giảng Kiến trúc máy tính và mạng máy tính: Chương 1 - Lương Minh Huấn

Bài giảng Cơ bản về logic số sẽ giúp người học hiểu được kiến trúc máy tính là gì, các hệ đếm cơ bản, đại số Boolean, hệ tổ hợp, hệ dãy. Đây là một tài liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên ngành Công nghệ thông tin và những ai quan tâm dùng làm tài liệu học tập và nghiên cứu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

PHẦN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

CHƯƠNG 1: CƠ BẢN VỀ LOGIC SỐ

GV: Lương Minh Huấn

I KIẾN TRÚC MÁY TÍNH LÀ GÌ?

Trong kỹ thuật máy tính, kiến trúc máy tính là thiết kế khái niệm

và cấu trúc hoạt động căn bản của một hệ thống máy tính

Nó là một bản thiết kế (blueprint) mô tả các tính chất, chức năng

về các yêu cầu và sự thi hành thiết kế cho những bộ phận

nhau của một máy tính

I KIẾN TRÚC MÁY TÍNH LÀ GÌ?

Kiến trúc máy tính bao gồm ít nhất ba phạm trù con chính:

 Kiến trúc tập lệnh (Instruction set architecture, ISA).

 Vi kiến trúc (Microarchitecture).

 Thiết kế hệ thống (System Design)

II CÁC HỆ ĐẾM CƠ BẢN

Hệ thập phân (Decimal System): con người sử dụng

Hệ nhị phân (Binary System): máy tính sử dụng

Hệ thập lục phân (Hexadecimal System): dùng biểu diễn rút ngắn

số học nhị phân

Hệ bát phân (Octal Number System)

II.1 HỆ THẬP PHÂN

Cơ số 10

Bộ ký tự cơ sở gồm 10 số: 0…9

Dạng tổng quát: an-1an-2an-3…a1a0,a-1 a-2…a-m

Dùng n chữ số thập phân có thể biểu diễn được 10n giá trị khácnhau:

 00 000 = 0

 99 999 = 10 n - 1

II.2 HỆ NHỊ PHÂN

Cơ số 2

 2 chữ số nhị phân: 0 và 1

Chữ số nhị phân gọi là bit (binary digit)

 Bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất

Dùng n bit có thể biểu diễn được 2n giá trị khác nhau:

 00 000 = 0

 11 111 = 2 n -1

II.3 HỆ THẬP LỤC PHÂN

Cơ số: 16

 16 chữ số: 0,1, …, 9, A, B, C, D, E, F (chữ hoa và chữ thường nh nhau).

 Ví dụ: 1A24E

Hệ thống thập lục phân hiện dùng, được công ty IBM giới thiệu với thế giới điện toán vào năm 1963

II.3 HỆ BÁT PHÂN

Cơ số: 8

 Các chữ số đi từ: 0, 2, …, 7

 Ví dụ: 1034

II.4 CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ CƠ SỐ

Để chuyển đổi giữa các hệ cơ số, ta có thể thực hiện bằng cách

 Dùng phép chia.

 Đổi sang nhị phân.

 Qui tắc: lấy số nguyên thập phân N(10) lần lượt chia cho b cho đến khi thương số bằng 0 Kết quả số chuyển đổi M(b) là các số dư trong phép chia được viết

ra theo thứ tự ngược lại.

Ví dụ đổi số 20(10) sang hệ thập lục phân và hệ nhị phân

20(10) = 10100(2)

20(10) = 14(16)

Đổi phần lẻ từ hệ thập phân N (10) sang hệ số b bất kỳ M (b)

 Qui tắc: lấy phần thập phân (sau dau phay) N(10) lần lượt nhân với b cho đến khi phần thập phân của tích số bằng 0 Kết quả số chuyển đối M(b) là các số phần nguyên trong phép nhân được viết ra theo thứ tự phép tính.

 Ví dụ: 0.6875(10) = ?(2) = ?(16)

0.6875 x 2 = 1 375 0.375 x 2 = 0 75 0.75 x 2 = 1 5 0.6875 x 16 = 11 0 0.5 x 2 = 1 0

 Kết quả: 0.6875(10) = 0.1011(2) = 0.B (16)

III ĐẠI SỐ BOOLEAN

Đại số Boole là một cấu trúc đại số có các tính chất cơ bản của

các phép toán trên tập hợp và các phép toán logic

Cụ thể, các phép toán trên tập hợp được quan tâm là phép

toán logic là Và, Hoặc, Không

Đại số Boole được đặt tên theo George Boole (1815–1864),

nhà toán học người Anh

III ĐẠI SỐ BOOLEAN

Đại số Boole làm việc với các đại lượng chỉ nhận giá trị Đúng

hoặc Sai và có thể thể hiện hệ thống số nhị phân, hoặc các mức

điện thế trong mạch điện logic

Do đó đại số Boole có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện và khoa học máy tính, cũng như trong logic toán học

NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN

Sử dụng hệ cơ số nhị phân

Các phép toán:

 Phép cộng luận lý (+ hay OR).

 Phép nhân luận lý ( hay AND).

 Phép bù (NOT).

Độ ưu tiên của phép toán

ĐỊNH LÝ CỦA ĐẠI SỐ BOOLEAN

HÀM BOOLEAN

Một hàm Boolean là một biểu thức được tạo ra từ:

 Các biến nhị phân.

 Các phép toán hai ngôi AND, OR hay các phép toán một ngôi NOT.

 Các cặp dấu ngoặc đơn và dấu bằng.

Với các giá trị cho trước, giá tri của hàm chỉ có thể là 0 hoặc 1

ỨNG DỤNG CỦA ĐẠI SỐ BOOLEAN

Các định lý Boole giúp đơn giản các biểu thức logic Việc đơn

giản là cần thiết để mạch thiết kế thực hiện đơn giản và kinh tế

hơn

Ngoài việc rút gọn biểu thức logic bằng đại số boole, còn sử dụng đại số boole để đơn giản mạch logic Để đơn giản mạch logic ta

làm các bước sau:

 Từ mạch logic xác định biểu thức cho ngõ ra của mạch

 Sau khi xác định được hàm ngõ ra, tiến hành rút gọn biểu thức

bằng cách dùng các định lý của đại số boole.

 Sau khi được biểu thức mới, chúng ta có được mạch logic mới

tương đương với mạch logic đã cho.

Ví dụ: đơn giản mạch

Trước tiên ta viết biểu thức logic cho ngõ ra:

Rút gọn biểu thức ta được:

Từ đó, ta có mạch đơn giản.

IV HỆ TỔ HỢP

Hệ tổ hợp là hệ mà tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vàothời điểm hiện tại

Hệ tổ hợp còn được gọi là hệ không có nhớ

Hệ tổ hợp chỉ cần thực hiện bằng những phần tử logic cơ bản

V HỆ DÃY

Hệ dãy (hệ tuần tự) là hệ mà tín hiệu ra không những phụ thuộc

vào thời điểm hiện tại, mà còn phụ thuộc vào thời điểm trước đó

Hệ dãy (hệ tuần tự) còn gọi là hệ có nhớ

Mặt khác, khi tín hiệu vào thay đổi, tín hiệu ra sẽ không thay đổingay mà chờ đến khi có tín hiệu xung điều khiển mới thay đổi Do

đó, nó mang tính đồng bộ

Hệ dãy (hệ tuần tự) là cơ sở để thiết kế các bộ nhớ

V HỆ DÃY