Bài giảng Nhập môn mạch số: Chương 1 - ĐH Công nghệ Thông tin TP. HCM

Bài giảng Nhập môn mạch số - Chương 1: Giới thiệu cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan, những đặc điểm của Số (digital features), quy trình thiết kế Số (digital design processing), các loại chip Số, những thuật ngữ của Số. Mời các bạn cùng tham khảo.

NH P MÔN M CH S Ậ Ạ Ố

CH ƯƠ NG 1

Gi i thi u t ng quan ớ ệ ổ

kh o ả

K  thu t s  1ỹ ậ ố

Nguy n  ễ Nh  Anh,  ư NXB  ĐHQG 

Digital design ­ Principles and   Practices, John F. Wakerly, 

4 th Edition, Prentice­Hall, 2001.

Digital Systems ­ principles 

and  applications, Ronald J

Tocci, 10 th Edition,

Prentice-Thông tin giảng viên, Sách tham

khảo, Qui định môn học

THÔNG TIN GIẢNG VIÊN, SÁCH THAM

KHẢO, QUI ĐỊNH MÔN HỌC

Mục tiêu môn học

• Hi u để ược lu n lý s  (digital logic)   m c c ng (gate level) ậ ố ở ứ ổ

và    m c  chuy n  m ch  (switch  level)  c a  các  thành  ph n ứ ể ạ ủ ầlogic  t     h p  (combinational  logic)  và  logic  tu n  t  ổ ợ ầ ự(sequential logic)

• Thi t k  và th c thi các m ch logic t  h p và tu n tế ế ự ạ ổ ợ ầ ự

• Phân tích được các m ch logic s  t  đ n gi n đ n ph c t pạ ố ừ ơ ả ế ứ ạ

• Bi t s  d ng các công c  (tools) h  tr  và các Kit th c hành  ế ử ụ ụ ỗ ợ ựtrong thi t k  logic Sế ế ố

Vị trí, đối tượng môn học trong chuỗi

 Ch t, Flip­flop, thanh ghi  ố (register)

 M ch logic t  h p: c ng,  ạ ổ ợ ộ

tr , so ừ sánh, ch n kênh, phân kênh,… ọ

5

 M ch logic tu n t : m ch đ m  ạ ầ ự ạ ế

đ ng ồ

b , b t đ ng b , thanh ghi d ch,… ộ ấ ồ ộ ị

Chuỗi các môn học về thiết kế và ứng

• Thi t k  vi m ch v i HDL ế ế ạ ớ

• Thi t k  vi m ch: s , t ế ế ạ ố ươ ng t , h n  ự ỗ

h p ợ

• H  đi u hành ệ ề

• H  th ng nhúng ệ ố

Nhập môn Mạch số

7

N i dung môn h c:ộ ọ

 Ch ươ ng 1: Gi i thi u ớ ệ

 Ch ươ ng 2: Bi u di n s  trong các h  c  s  khác nhau ể ễ ố ệ ơ ố

 Ch ươ ng 3: Đ i s  Boolean và các c ng lu n lý (logic  ạ ố ổ ậ

gates)

 Ch ươ ng 4: M ch logic và đánh giá t i  u ạ ố ư

 Ch ươ ng 5: M ch t  h p ạ ổ ợ

 Ch ươ ng 6: M ch tu n t ạ ầ ự

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1: Giới thiệu

• Công ngh  vi đi n t  hay vi m ch tích h p đã có cu c   ệ ệ ử ạ ợ ộ cách m ng to l n trên th  gi i v i các thi t b  thông  ạ ớ ế ớ ớ ế ị

minh  ra đ i: laptop, máy tính b ng, đi n tho i thông  ờ ả ệ ạ

http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Noyce

T ng quan ổ

13

Đ nh lu t Moore và s  phát tri n vi  ị ậ ự ể

Tổng quan

T ươ ng t  (Analog) và S  (Digital) ự ố

 Các thi t b  và h  th ng Tế ị ệ ố ương t  (Analog)ự

 X  lý trên các tín hi u liên t c (ví d : tín hi u âm thanh ử ệ ụ ụ ệ

Tổng quan

T ươ ng t  (Analog) và S  (Digital ự ố )

 H  th ng Tệ ố ương t  (analog system) thự ường tiêu t n nhi u công  ố ề

su t h n h  th ng S  (digital system)ấ ơ ệ ố ố

 H  th ng S  có th  x  lý, l u tr  và truy n d  li u hi u qu  ệ ố ố ể ử ư ữ ề ữ ệ ệ ả

h n h   th ng Tơ ệ ố ương t , nh ng nó ch  có th  x  lý tín hi u t i ự ư ỉ ể ử ệ ạ

m i th i  đi m riêng bi t.ỗ ờ ể ệ

Các thiết bị và hệ thống số ngày nay

• Ngày nay, thu t ng  “S ” ho c “k  thu t s ” đã tr   ậ ữ ố ặ ỹ ậ ố ở

nên  r t quen thu c thông qua các s n ph m đ ấ ộ ả ẩ ượ ử c s  

d ng  r ng rãi: computer, đi n tho i thông minh, máy  ụ ộ ệ ạ

t  đ ng hóa,  robots, giao thông, truy n thông và gi i  ự ộ ề ả

trí.

Những thuận lợi khi thao tác

trên dữ liệu số

19

• D  thi t k ễ ế ế

• Thông tin đ ượ ư c l u tr  d  dàng ữ ễ

• Đ  chính xác cao và ít b  tác đ ng b i nhi u  ộ ị ộ ở ễ

 Các tín hi u/thành ph n trong th  gi i th c ch  y u t n  ệ ầ ế ớ ự ủ ế ồ

t i    d ng t ạ ở ạ ươ ng t  (analog): nhi t đ , áp xu t, âm  ự ệ ộ ấ

thanh, t c đ , ố ộ

…

Vi c chuy n d  li u t  d ng t ệ ể ữ ệ ừ ạ ươ ng t  (analog) v  d ng d   ự ề ạ ữ

li u  s  (digital) đ  x  lý, thông th ệ ố ể ử ườ ng 3 b ướ c sau đ ượ c áp 

d ng: ụ

– Chuy n tín hi u tể ệ ương t  t  th c t i v  hình th c sự ừ ự ạ ề ứ ố

– X  lý trên d  li u thu c d ng sử ữ ệ ộ ạ ố

– Chuy n d  li u s    ngõ ra v  l i hình th c tể ữ ệ ố ở ề ạ ứ ương t  r i ự ồ

ADC DAC

21

d   waves

Digital­to­

analog   converter

Linear  amplifier

Nhi u h  th ng k t h p gi a x  lý tín hi u t ề ệ ố ế ợ ữ ử ệ ươ ng t  và  ự

tín  hi u s  đ  đ t m c đích mong mu n ệ ố ể ạ ụ ố

Tương tự (analog)   Số (digital)

23

Tương tự (analog)   Số (digital)

Ví dụ thao tác trên dữ liệu số

M t CD có th  l u tr  20 bài hát khi không nén,  ộ ể ư ữ

nh ng  có th  l u tr  200 bài hát đã nén d  li u ư ể ư ữ ữ ệ

• Nén d  li u s  cũng đ ữ ệ ố ượ c dùng trong x  lý  nh:  ử ả

JPEG,  PNG, …

M t ví d  v  cách th c nén d  li uộ ụ ề ứ ữ ệ

25

Chương 1: Giới thiệu

27

• D ng sóng ki u s  (digital waveform) thay đ i gi a  ạ ể ố ổ ữ

m c  th p (Low) và m c cao (High) ho c ng ứ ấ ứ ặ ượ ạ c l i.

– M t ộ xung chuy n m c dể ứ ương (positive­going pulse) 

khi  nó chuy n t  m c logic th p (low) đ n m c logic ể ừ ứ ấ ế ứ

cao  (high). Ngượ ạ ược l i đ c g i là xung chuy n m c ọ ể ứ

• Gi n đ  đ nh th i đ ả ồ ị ờ ượ c dùng đ  ch  ra quan h  gi a hai  ể ỉ ệ ữ

 hay nhi u d ng sóng ki u s ề ạ ể ố

Giản đồ định thời (timing diagram)

29

Dữ liệu nối tiếp (serial data) và

song song (parallel data)

• D  li u S  có th  đ ữ ệ ố ể ượ c truy n gi a hai thi t b  theo  ề ữ ế ị

ki u  n i ti p (serial) ho c theo ki u song song  ể ố ế ặ ể

(parallel)

Chương 1: Giới thiệu

t p)ạ

Qui trình thiết kế Số

đ ồ

33

S a  ử

l i ỗ

Ví dụ: đường dữ liệu (data path)

của một chip đơn giản

3 6

Ghi chú: học chi tiết hơn trong môn Kiến trúc

máy tính

• Máy phân tích lu n lý (logic analyzer) có th  hi n th  đ ng  ậ ể ể ị ồ

 th i  nhi u  kênh  (channels)  c a  thông  tin  d ng  s   và  có  ờ ề ủ ạ ố

th   hi n th  giá tr  d  li u c a t ng tín hi u t i t ng th i  ể ể ị ị ữ ệ ủ ừ ệ ạ ừ ờ

đi m  c  th  trên màn hình hi n th ể ụ ể ể ị

Thiết bị kiểm tra và đo lường

Chương 1: Giới thiệu

Các loại chip Số

1. Các chip tiêu chu n, c  b n (Standard chip)ẩ ơ ả

– Ch a m t lứ ộ ượng nh  các c ng logicỏ ổ

– Th c thi nh ng hàm, ch c năng đ n gi n (NOT, ự ữ ứ ơ ả

AND,OR,…)– Ví d : các chip h  74xxụ ọ

Altera DE2 board with Cyclone II FPGA chip

Các loại chip Số

39

2.Các chip có kh  năng l p trình đả ậ ược  

(Programmable Logic Devices (PLD) ho c   ặ

Field­Programmable Gate Array ( FPGA))

– T p h p các c ng ch a đ ậ ợ ổ ư ượ c k t n i,  ế ố

vi c  k t n i gi a các c ng này đ ệ ế ố ữ ổ ượ c 

l p trình  b i ng ậ ở ườ ử ụ i s  d ng thông qua 

các CAD  tools

– Ch c năng c a chip có th  đ ứ ủ ể ượ c thi t  ế

k   b i ng ế ở ườ ử ụ i s  d ng

4 1

– T i  u đ  th c thi m t ch c năng c  th ố ư ể ự ộ ứ ụ ể

– T i  u v  hi u su t, t c đ  th c thi ố ư ề ệ ấ ố ộ ự

– Nhi u m ch logic đ ề ạ ượ c tích h p h n ợ ơ

– Giá thành cao

A tray of ASIC 

The ASIC chip is on the bottom-left of the device

Chương 1: Giới thiệu

4 4

Những thuật ngữ của Số

trị rời rạc

• Nh  phân (binary): ị Một hệ cơ số 2, biểu diễn bằng hai giá trị 0

hoặc 1

• Chip logic l p trình đậ ược (programmable logic chip):  Một loại chip số có khả

năng lập trình được để thực hiện một chức năng cụ

th

ể

• Chip logic ch c năng c  đ nh (fixed­function logic chip): ứ ố ị

Nh ng  lo i chip s  có ch c năng c  đ nh, không th  thay đ iữ ạ ố ứ ố ị ể ổ

FPGA

ASIC