Giáo trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Các kiến trúc máy tính hiện đại như đa bộ x ử lý, đa m á y tính,., cũng được trình bày trong chương này.. Trước khi đi vào mô tả kiến trúc của các loại máy tính cụ thể, trong chương này

i

{ T á i b ẳ n lầ n 2 c ó c h ỉn h s ử a , b ổ s u n g )

NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I H Ọ C K IN H T Ế Q U Ố C DÂN

L ờ i n ó i đ ẩ u

Tring quá trình phát triển của ngành tin học, tốc độ của m áy tính điện tử biến đổi rấtnhanh chóng M ộ t trong những nhân t ố quan trọng dẫn tới sự tâng tốc độ x ử

lý của nấy tính là nh ờ có sự ph á t triển của công nghệ điện tử (từ các bóng đèn điện

tử đến các mạch bán dẫn vổ sau đó ìà công nghệ mạch tích hợp ) Củng với sự phát trển của các mạch điện tử cấu tạo nên mây tính, kiến trúc m áy tính cũng là một ĩĩìii vực tứ i sức quan trọng được nghiên cứu và đ ã đạt được nhiều thành tựu đáng k i T ừ kiến trúc hết sức s ơ khai của các m áy tính hiệu A BC (A tanasoff- Berry Compùer) do John A ta n a sọ ffvà Cỉifford Bery sáng c h ế vào những nấm 1939 người

ta đ ã ề n cải tiến chúng và áp dụng trong các m áy tính ENIAC M ột trong các kiến trúc kìú nổi tiếng và được áp dụng cho đến ngày nay là kiến trúc Von Neumann -

sử dụtìị kiến trúc đơn bộ xử lý Sau đó vóĩ nhu cầu tính toán đòi hỏi tốc độ x ử lý của m ở tính càng ngày càng lớn, các nhà khoa học đ ã nghiên cứu và đưa ra các kiến tric mày tính hiện đại: đa bộ xử lý, đa máy tính, trí tuệ nhân tạo, bộ xử lỷ logic nờ máy tính lư 0 ig tử, m ày tính sinh học Giáo trình này s ẽ giói thiệu các kiến thíc và xu hướng nổi trên ở phẩn I.

Tu) nhiên, nếu gọi phần cứng của m áy tính điện tử ỉà phần xác của m ột cơ th ể sống tỉi H ệ điều hành chính là linh hồn của cơ th ể đó Chúng không th ể tách rời nhau đ(ợc Nhiệm vụ của hệ điều hành là nhằm đảm bảo sự hoạt động trôi cỉtỏy của m á tinh Hệ điều hành chính là chương trình đầu tiên của hệ thống m ây tính

và là ciương trình quan trọng nhất trong hệ thống này Trong chúng ta, những ai

m uốn t à thành chuyên viền m áy tính thì cần phải có hiểu biết tốt v ề hệ điều hành

M ục dídt cảa giáo trình

Oâ: là giáo trình cơ sà cho các sình viên chuyên ngành Tin học kinh t ế và Hệ thông tìông tin kinh t ế nên mục đích trước tiên của nó là trang bị cho các sình viên nlìữìiỊỊ Hển thức cơ bản về kiến trúc máy tính và hệ điều hành Những kiến thức này sẽ

ụw c<ơ à đ ể học tập tốt các môn học kỉiác như Cơ sà dữ liệu Mạng máy tinh, Công ngl’ệ ptòn mềm, Hệ thống thông tin quản lý, Internet và Thương mại điện tử, Mặt khâc, gáo trình lĩày cũng rất cổ ích cho những ai nuiốn tìm hiểu thêm vể kiến trúc máy tính-ì»à tệ điều hành đ ể cố th ể sử dụng chủ động và khai thác cố hiệu quả máy tính.

N ội (Buig cảa giáo trình

JÙÍÌ trình này được viết theo chương trình môn học thuộc chương trình khung ngàrầ ỉ ệ lỉìôhg *hông tin kinh t ế hệ chinh quy của Đại học Kinh t ế quốc dán ban hành

t i- 0&ỈCÌI2005 rheo Quyết định s ổ 23Ỉ2004ÌQĐ-BGD&ĐT ngày 291712004 cùa Bộ írưởiitq lộ Giá dục yà Đào tậo và được Hiệu trưởìis phê duyệt làm tài liệu chính thức dùng (ch siủng dạy, học tập ỎTrườììg Đại học Kình t ế Quốc dân theo Hợp đồng trách

n h iĩm s i08-08/HĐTN ngày 15 tháng 9 năm 2008.

Gỉìái trình được chia làm hai phẩn chính:

Pìhởt I : Kiến trúc mấy tính, sồm ‘i chương do TS Trần Thị Thu Hà biên soạn c.hiơ ng I : Các khái niệm cơ bản s ẽ cung cấp những kiến thức cơ bàn về cách phán ilo’i kiến trúc máy tinh, các đơn vị đo khả năng của mây tính, các kiến thức cơ

bản v ề toán ìogỉc, m ột sốm ạch bán dẩn thông dụng đểphuc vụ cho các chương sau.

C hư ơ ng 2: T ổ chức h ệ th ố n g m áy tính cung cấp các kiến thức cơ bản về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của các bộ phận chức năng c ơ bản của m áy tính như bộ x ử lý,

bộ nhớ, giao diện vào ra,

C hư ơ ng 3: C ác th iế t bị ngoại vi cung cấp những kiến thức cơ bản và nguyên lý hoạt động của các thiết bị ngoại vi như bàn phím chuột, màn hình, m áy in,

C h ư a n g 4: K ỹ th u ậ t x ử lý song song m ức lệnh vổ m ộ t s ố kiến trúc m áy tín h h iện đại giới thiệu những k ỹ thuật x ử lý song song Mức lệnh, đặc biệt là k ỹ thuật đường ống (Pipeline) nhằm nâng cao tốc độ thực hiện của m áy tính Các kiến trúc máy tính hiện đại như đa bộ x ử lý, đa m á y tính,., cũng được trình bày trong chương này.

P h ầ n 2: Đ ạ i cư ơ ng về hệ điểu hành, gồm 4 chương do KS Bùi T h ế N g ũ biên soạn

C hư ơ ng 1: C ấc cơ sở, cùa h ệ điều hành N ội dung trong chương này cung cấp cho sinh viên các kiến thức v ề khái niệm, cách phân loại, quá trình phát triển, chức nâng và các tín h ch ấ t cùa hệ điều hành.

C hư ơ ng 2 : Q u ả n lý bộ nhớ, q uản lý vào ra và quản lý tệp của h ệ điểu h à n h trình bày chi tiết nguyên tắc quản lý bộ nhớ, quấn lý vào/ra và quàn lý tệp của hệ điều hành,

tổ chức đĩa.

C hư ơ ng 3: C ấp p h á t vd p h â n chia tài nguyên, bảo vê' vồ độ tin cậy trình bày phương p háp cấp p h á t và phân chia tài nguyên trong hệ thống m áy tính; các cơ chếbảo

vệ, các hệ thống bảo vệ, các phương pháp loại trừ lỗi, phát hiện lỗi, sửa chữa lỗi,

C hư ơ ng 4: M ã độc h ạ i - Virut Trong chương này, khái niệm v ề m ã độc hại, phân loại virut và cách phòng chống virut được đ ề cập đến, giúp sinh viên hiểu hơn về bàn chất của các vỉrut và cách phòng chống chúng.

Y êu cầu k iế n thứ c

Đ ể đảm bảo cho m ôn học có hiệu quả, người học phải có kiến thức cơ bản về môn Toán rời rạ c v à T in học đại cương.

Giáo trình không tránh khỏi những thiếu sót R ất mong nìiận được những ý kiến đóng góp đ ể giáo trình ngày m ộ t hoàn thiện hơn Ý kiến đống góp xin gửi v ề K hoa Tin học K in h tế Đ ạ i học Kinh tếQ u ố c dân.

C á c tá c g iả

P h ầ n l

C h ư ơ n g %

CÁC KHÁI NIỆM c d BẰN

Máy tính là một hệ thống phức tạp Một máy tính chứa hàng triệu các linh kiện điện

tử cơ bản Để mô tả và thiêĩ k ế máỹ tứìh một cách đễ dàng, chúng ta có thể pliân cấp (hierarchic) máy túứi thành các các khối chức năng có liên quan với nhau Mỗi khối chức năng lại được phân cấp tiếp cho tói các hệ thống con cơ bản (elemetary subsystem)

Có hai cách tiếp cận để mô tả hệ thống phân cấp Cách thứ nhất bắt đầu từ việc mô

tả những phần tử cơ bản nhất, sau đố mô tẳ những thành phần phức tạp hơn Đó là cách tiếp cận từ dưới lên (Bottom up) Cách thứ hai bắt đầu mô tả từ tổng thể, sau đó mô tả sâu vào chi tiết Đổ là cách tiếp cận từ ttên xuống (Top Down) Trong phần 1 của giáo trình này chúng ta sẽ đi theo cách tiếp cận thứ hài, bắt đầu từ việc mô tả các khối chức

năng chính, sau đó mô tả các thành phần bên ừong chúng.

Trước khi đi vào mô tả kiến trúc của các loại máy tính cụ thể, trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu m ột số các khái niệm cơ bản như cách phân loại các kiến trúc máy tính, các đơn vị đo khả năng của máy tính, các hàm logic, các mạch số và các mạch

logic cơ bản.

^ 1 P h ô n l o ọ ỉ CQC k i ê n t r ú c m ó v t í n h VQ c á c cTơn v ị cTo

k h à n â n g c ỏ o m á v t í n h

ỉ* J tầ x t ỉtM p i tữ á t! ìs ĩố a Ể t^ế â c tttắ y iÌM íh

Kiến trúc máy tính có thể được phân loại theo các cách sau:

• Máy tính đơn dòng lệnh và đơn dòng dữ

liệu (Single Instruction Sìngle Data-

SISD): loại máy tính này tại một tìièd

điểm chỉ cổ m ột lệnh thực hiện ứển một

dữ liệu Lệnh đầu tiôn được nhận từ bộ

nhớ về rồi được thực hiện, sau đó lệnh

ứỉứ hai sẽ được nhận về Fồi được thực

hiện, Ví dụ: Cần tính tổng y=a+b+c,

máy túih sẽ làm lần lượt; a+b=x và x+c =

y-Nếu kí hiệu p (processor) là bộ vi xử lý và

M (memory) là bộ nhổ thì có thể biểu diễn

m áy tính loại này như trên hình ! I -1.

Đây là dạng kiến ưúc máy tính tuần tự

Các máy tính dựa ưên nguyén lý

Neucmann truyền ứiống íhuộc loại này

• Máy tính loại đơn dồng lệnh và đa dịng dữ liệu (Single Instruction Multi Data - SỈMD): là loại máy tính ttong một thịi điểm sử dụng một phép tính hoặc một lệnh

và thao tác song song trên nhiều tập dữ liệu Kiến trúc máy tính loại này là máy tính vecto Sơ đồ của loại máy tính này đưcte biểu diễn trên hình 1.1-2

Ví dụ: Cho A và B là các vecto, cụ thể A=(a|,32,33, ), B=(bj,b2,b3, ) Phép cộng

O A + B , với C =(C ],C2,C3 ), trong đĩ: C i= a |+ b |, C2= a2+ b2, C3=H3+ b3,

Những máy tính loại này thưịtig được sử dụng để giải các bài tốn dự báo thời tiết

Ví dụ như, n ố i cần tính tốn nhiệt độ trung bình hàng ngày tại nhiều địa điểm khác nhau Đối với từng địa điểm, cơng việc tính tốn là như nhau nhưng dữ iiệu cụ thể lại khác nhau

Một cách tiếp cận khác tĩi SIMD là máy tính sử dụng bộ xử lý mảng (Array pưocessor) Kiến trúc này gồm một mạng lưới hình vuơng các phần tử Mỗi phẫn tử gồm một bộ xử lý (processor - P) và một bộ nhớ (raemory - M) dành riêng cho bộ xử lý

đĩ làm việc Bộ điều khiển c u phát ra các lệnh Các lệnh được điều khiển từng bước bỏi tất cả các bộ xử lý Mỗi bộ xử lý sử đụng dữ liệu lấy từ bộ nhớ riêng của nĩ

• Máy tính đa dịng lệnh và đa dịng dữ

liệu (Multì ỉnstruction Multi Data-

MIMD): loại máy tính này xử lý nhiểu

phép tốn hoặc nhiều lệnh cùng một lúc

trên nhiều bộ dữ liệu khác ìùá Nĩ

xuất hiện ưong cấu ữúc “đa máy tính”

Loai máy túứi này cĩ nhiều CPU, mỗi ^

CPU Ẹ S n một c h Z g

nhau Các CPU cĩ diể được chia sẻ cùng một bộ nhớ Sơ đồ cùa loại máy tính này được biểu diễn trên hình 1.1-4

• Máy tính Nơtron: loại máy tính này sử dụng kiến thức mơ phỏng nortron của con

ngưỀd Người ta cĩ thể xây dựng cho máy tính các chương trình cĩ thể tự học và cĩt& độ xử lý rất lớn

• Máy tính lượng tử và máy tinh sinh học: đang được nghiên cứu.

• Sô' lượng lệnh được xử lý trong một giây (Million Instruction Per Second- MIPS)

dùng để đo sổ' lượng lệríh trung bình có thể thực hiện được trong 1 giây dựa theo tầni suất xuất hiện của các loại lệnh trong chương trình

MIPS = = - - * 1000

* CPI * t)

tro n g đó:

+ IF (Intruction Prequency) là tần suất của lệnh

+ CPI (Cycies Per Instruction) là sô' chu kì của một lệnh.

+ ^ là thời gian của một chu kì máy, tính theo nano giây (ns- nano second).

Hiện nay các máy tính đạt tốc độ hàng triệu lệnh trên giây

• Sô' lượng phép tính với s ố thực trong 1 giây (MFỈjOPS=Million Ploatìng Point Operation Per\ệecond): dùng để đo phép tính số học với số thực dấu chấm động

trong thời gian một giây thông thường cho bộ xử lý vec tơ

• Thông lượng của kênh (throughput): là sô' lượng các chương trình, các công việc

hoặc các yêu cầu mà bộ xử lý có thể thực hiện được trong một đơn vị thời gian

• Tính hiệu dụng (UíiỊùation): là tỉ lệ thời gian mà bộ xử lý bận thực hiện chương

trình chia cho tổng thời gian sử dụng của bộ xử lý

• Thời gian đáp ứng (Respond Time): là khoảng thời gian kể từ khi bô xử lí nhận

yêu cầu đến khi bộ xử lí thực hiện xong yêu cầu

• T h ô n g lượng củ a bộ n h ớ (M e m o ry Band W idthy là thộng lượng của các từ (word),

tức là số lượng các bit mà bộ xử lý có thể truy nhập được từ bộ nhớ ưong một đơn

vị thời gian

• Thời gian truy nhập bộ nhớ (Access Memory Time): Là khoảng thời gian trung

bình mà bộ xử iý có thể truy nhập được một mục đữ liệu từ bộ nhớ Nó thường được đo bằng nano giây (ns)

• Kích thước của bộ nhớ (Memory Síze): thể hiện số lượng dữ liệu mà bộ nhớ có thể

iưu trữ được Nó thường được đo bằng MB

§2 Toón I 09 ÌC

2 , 1 D ẹ i s ố B a n ic

Nhà toán học người Anh George Boole đề xuất các nguyên lý cơ bản của môn đại số này vào năm 1854 trong luận án của mình Vào năm 1933, Cusde Shannon chứng tỏ rằng đại sô' Boole có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong việc thiết kế các> mạch chuyển rơ le (ratay - switching Circuit - SHAN38) Đại số Boole là công cụ toán học thuận tiện để phân tích và tổng hợp các chức năng của mạch số, đồng thời là công

cụ giúp cho việc thiết kế các bộ phận có chức năng đơn giản trong kỹ thuật số

1 2 € !á ề f đ t ít a v ị « f o ầ đ tá tẴ ă a a g c ủ a m ấ y tẾ u b

2 1 1 K h á i n iệ m v à c á c p h é p t o á n cơ b ả n c ủ a đ ạ i s ố B o o le

Đại số Booỉe sử dụng các biến và các phép toán logic Các biến logìc có thể nhận một trong hai giá trị: 1 (TRUE) hoặc 0 (FALSE)

NOT Phủ định (Đảo) dấu gạdì ngang phía ừên NOTA= Ã

Bảng ỉ.1-1: Các phép toán cơ bẳn của đại số Boolean

Ba phép toán cơ bản cùa đại số Boole đưạ: biểu diễn trong bảng 1.1-1 với các quy tắc logic sau:

• Phép nhân logic (phép Và - AND) trà lại giá ừị TRƯE chỉ khi cả hai toán hạng cùa

nó có giá trị TRUE

• Phép cộng logic (phép Hoặc - OR) ữả lại giá ttị TRUE khi một hoặc cả hai toán

hạng của nó nhận giá trị TRUE

• Phép phủ định logic (phép đảo - NƠT) trả lại giá trị phù định cùa các toán hạng

của nó

Ví dụ: Giả sử p và Q là hai biến logic Các phép toán nhân logic, cộng logic cùa p

và Q và phép phù định của p được biểu diễn dưới bàng 1.1-2 Trong đó giá trị TRUE được biểu diễn dưới dạng nhị phâii ỉà 1 và giá trị F A L ^ được biểu diễn dưới dạng nhị phân là 0

Các tiên đề cơ bản của phép toán logic được biểu diễn trên bảng 1.1-3

Phép nhân logic Phép cững logic

Tính chất Dhân phổi A.ÍB+C)=A.B + A.C A+(B.C) = (A+B).(A+C)

Phầntửnghịd)đảo

A+

Bảng Các tiên đề cơ bẳn của phép toán logic

Chú ý: túih chất phân phối của phép cộng logic khác với tính chất phân phối ứong

đại số thông thường: A + (B Q = (A+B).(A+C)

Các tính chất khác được trình bày trong bảng 1.1-4 Các tính chắt này được rút ra từ các tiên đề trên bằng cách thay thế các giá trị thực của các biến A và B:

A B = A * B

Phép cộng loglc

1+A=1A+A=AA+(B+C)=(A+B)+C

có thể là mức điện áp, mức nhiệt độ và hiện tượng nhu: sáng -tối, đúng - sai, có - không, bật - t ắ t ,

Hàm logic là hàm của các biến logic và bản thân hàm cũng chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 Hàm có n biến logic sẽ có 2" tổ hợp biến Với mỗi tổ hợp biến, hàm có thể nhân một trong hai giá trị 0 hoặc 1

2 2 1 , C á c h à m lo g ic cơ b ả n

& Hàm logic 1 biến

Giả sừ ta có hàm logic một biến F=F(A) Giá trị của hàm được biểu diễn theo bảng 1.1-5 dưới đây

F0 luôn luôn bằng 0 với mọi giá dị của A nên được gọi là hàm Hằng 0

F3 luôn luôn bằng 1 vói mọi giá trị của A nên được gọi là hàm Hằng I

F1 nhận giá trị của chính A nên được gọi là hàm Lập lại.

F2 nhận giá trị đảo cùa A và được gọi là hàm Phủ định.

• Hàm F0 bằng 0 với mọi giá trị của biến gọi là hàm Hằng 0.

• Hàm F15 bằng 1 với mọi giá trị của biến gọi là hàm Hằng ỉ.

• Các hàm đối xứng nhau qua trục 7-8 là phủ định của nhau: F0= F i5 , F l= F14 F1=A.B được gọi là hàm “Và” hoặc hàm AND.

• F7=A+B được gọi là hàm “Hoặc” hoặc hàm OR

• F6=A©B chỉ nhận giá trị bằng 1 khi A khác B được gọi là hàm XOR.

• F14= F1 được gọi là hàm “Và - phủ định” hoặc hàm NAND.

• F8= F7 được gọi là hàm “Hoặc - phủ định” hoặc hàm NOR.

• F9= F16 đvtợc gọi ỉằ hàm tưm g đưmg.

Sau này chúng la sẽ thấy các hàm XOR, NAND, NOR sẽ rất thuận tiện cho việc chế tạo các mạch số

2 2 2 C á c p h ư ơ n g p h á p b iể u d iễ n h à m lo g ic

Trước khi đi vào việc xem xét các phương pháp biểu diễn hàm logic, chúng ta hãy xem xét khái niệm hàm xác định đầy đủ và hàm không xác định đầy đủ

• Hàm xác định đẩy đủ là hàm đều cho giá trị với mọi tổ hợp biến.

• Hàm không xác định đầy đủ sẽ không cho giá trị tương ứng của hàm với một sô' tổ

hợp biến Khi đó, trong bảng biểu diễn giá trị của hàm chúng ta sẽ thay thế giá trị đó bẩng dấu “x”

Sau đây là một số phương pháp biểu diễn hàm logic

a Phương pháp bíẩu d\ễn hàm logic bằng báng chằn (Truth tablc)

Với n tín hiệu vào, có 2" tổ hợp Mỗi tổ hợp cho một trong m tín hiệu ra Theo cách này, người ta liột kê tất cả các giá trị của các trạng thái, của các đầu vào và của các đầu

ra (giá trị của hàm) trên một bảng gọi là bảng chân lý Dựa vào bảng này, ta có thể tra cứu kết quả của hàm khi biết giá trị cùa biến.

Ví dụ: bảng chân lý của một hàm có hai biến F(A,B) được biểu diễn trên bảng 1.1-7,Phương pháp này được sử dụng khi ngưòi ta không biểu diễn được hàm theo dạng

tưcmg minh hoạc trong tnrỄmg hợp khi ta biết giá trị của hàm và muốn đặt các giá trị của biến theo yêu cầu

Bảng 1.1-7: ví dụ về bảng chân lý của một hàm logic có hai biến

ư u điểm cùa phương pháp này là đầy đủ, dễ nhìn, khó nhầm lẫn nhưng cổng kềnh, phức lạp Tuy nhiên, đây là phương pháp hay được dùng

b Phương pháp hình học

A

0

Hình 1.1-5: Biểu diễn hình học của hàm logic một biến và hai biến

Theo phương pháp này, người ta chuyển miền xác định của hàm thành một miền trong không gian n chiểu Mỗi tổ hợp biến được biểu diễn bởi một điểm trong không gian đó Ví dụ trên hình 1.1-5 là biểu diễn hình học cùa một số hàm logic F(A), F(A,B)

c Phương pháp biểu ấ\ễfí hàm bằng biểu thức đại s ố

Một hàm ỉogic n biến bất kì luôn luôn có thể được biểu diễn bằng biểu thức dưới dạng chuẩn tắc tuyển chính quy hoăc dưới dạng chuẩn tắc hội chính quy Sau đây là một số định nghĩa vế các dạng nàý

• H à in dạng tuyển: là hàm được biểu diễn bằng tổng của các tích của các biến (SOP

Ví dụ: F { A , B, C ) = ( A + B ) ( A + C ị ( B + C )

• Hàm dạng hội chính quy: là hàm được biểu diễn dưới dạng hội nhưng trong mỗi

tổng xuất hiện đầy đủ các biến Ví dụ:

F(A,B,C) = (Ã + B + C ị(Ả +B + Q.(Ắ + B + C)

Sau đây là phương pháp biểu diễn một hàm logic dưới dạng tuyển chính quy hoặc dạng hội chính quy

Định lý S h an n o n l: M ột hàm logic n biến b ứ k i F (xl,x2, ,xn) luôn có th ể triển

khai được theo một biến thành một tổng của hai tích (khai ưiển thành hàm dạng

Bảng 1.1-8: Bảng chẳn lý của hàm logic F(A,B)

Thay số vào biểu thức trôn, ta có;

F ( À , B ) = A B 1 + A.B.Ồ + 1 5 0 + Ã B 1

F(,A,B) = A B - \- Ã I

Ta nhận xét thấy rằng, mỗi toán hạng là một tổ hợp cùa các đầu vào cho giá trị của

F bằng 1 (xem bảng 1.1-8) Chỉ cần một ừong hai hạng tử này cổ giá tậ bằng 1 thì hàm

F sẽ có giá trị bằng 1 Dó đó, để viết hàm dưới dạng tuyển chính quy, chúng ta có thể tiến hành một cách đơn giản như sau:

• Chỉ quan tâm đến các tổ hợp biến cho giá trị tương ứng của hàm bằng 1 Số lần hàm có giá ừị bằng 1 sẽ là số tích cùa biểu thức

• Trong mỗi tích, các biến có giá trị 1 được viết nguyên tên biến đó Cấc biến có giá trị bằng 0 được viết phủ định của biến đó

• Lấy tổng của các tích trên sẽ cho biểu thức của hàm.

Định lý Shannon2: M ộ t hàm logic n biến b ă ki F (xl,x2, ,xn) luôn có th ể triển

kh a i được theo m ột biến th à nh m ột tích của hai tổng.

Bàng 1.1-10: Bảng chân lý của hàm F(A,B)

Thay sô' vào biểu thức trên, ta cổ:

F ( A , B ) = (A + B + 1 ) ( I + B + 0 ) (^ + 1 + 0 ).(Z + 5 + 1)

F ( A , B ) = ( Ã + B ) ( A + B )

(Vì A +B +l=l v à v 4 + B + l = l vói mọi giá trị của A và B)

Ta nhận xét thấy, mỗi toán hạng là một tổ hợp của các đầu vào cho giá trị của Fbằng 0 Để viết hàm dưới dạng hội chính quy, chúng ta c6 thể tiến hành một cách đơngiản như sau;

• Chỉ quan tâm đến các tổ hợp biến cho giá u ị tương ứng cùa hàm bằng 0 số lấn

hàm có giá trị bằng 0 sẽ là số tổng của biểu thức

• Trong mỗi tổng, các biến có giá trị 0 được viết nguyên tên biến đó Các biến có giá trị bằng 1 được viết phủ định của biến đó

• Lấy tích của các tổng ưên sẽ cho biểu thức của hàm

Ví dụ 2; cho bảng chân lý như trên bảng 1.1-11, hãy xác định hàm logic tương liĩig

Bảng 1.1-11: Bảng chân lý của hàm F(A,B,C)

ả Phương pháp biểu diễn hàm bằnq bẳnậ Căcno

Bảng Cacno là phưcfng pháp thuận tiện để đơn giản hoá việc biểu diễn hàm logic vói

số biến nhỏ (khoảng 4-6 biến) Bảng Cacno được thiết lập như sau:

• Bảng có 2" ô, mỗi ô tương úĩig với một tổ họp biến

• Các ô ở cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chi khác nhau một biến Các cột và hàng ở cạnh nhau hoặc đối xứng vối nhau cũng chỉ khác nhau một biến

• Trong mỗi ô ghi giá trị cùa hàm ứng với tổ hợp biến đó:

+ Với bảng Cacno dạng chuẩn tắc tuyển đầy đủ, chỉ ghi giá trị 1 của hàm vào các ô

Bảng 1.1-12: Bâng Cacno chuẩn tắc tuyển cùa hàm hai biến F(A,B)

Ví dụ 1: Vối hàm hai biến B ) = Ẩ B + A B , bảng Cano dạng chuẩn tắc tuyển

có dạng như ưên bảng ỉ 1 -12

Ví dụ 2: Vói hàm ba biến F(A,B,Q= Ã B C + Ã B C + A B C bảng Cacno dạng

chuẩn tắc tuyển đầy đủ có nhưttên bảng 1.1-13

Bàng 1.1-14: Bảng Cano dạng hội đầy đủ của hàm 4 biến F(A,B>C,D)

là hàm không xác định đầy đủ Bảng Cacno chuẩn tắc dạng hội của hàm có dạng như trên bảng 1.1-14 (trong đó các ô chứa X cho giá trị không xác định của hàm)

c Diểii àÂĨn hàm bằng s ơ ả ề logic

Cóng (Gates) là khối xây dựng cơ bân của các mạch logic Các cổng cơ bản trong logic số là AND, OR, NOT được mô tả frong bảng 1.1-15

Bảng 1.1-15: Các cổng cơ bản AND, OR, NOT

Một hàm logic có thể được biểu diễn bằng một sơ đồ gồm các cổng cơ bẳn ghép nối với nhau Mỗi cổng có thể có nhiều đầu vào, trừ cổng NOT

Hình ỉ.1-9: Sơ đồ mạch biểu diễn hàm F(A,B,C) không dùng cổng NOT

2 2 3 P h ư ơ n g p h á p đ ơ n g iả n h ó a h à m lo g ic

Để có sơ đồ đơn giản, người ta có thể biến đổi hàm dưới dạng đơn giản hơn rồi mới

vẽ sơ đổ logic cho hàm Để đơn giản hoá hàm logic có ba phương pháp:

• Tối thiểu hoá dùng bảng Cacno (Kamaugn maps)

• Tối thiểu hoá dùng các bảng Quine-McKluskey

Trong mục này chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hai phương pháp đầu tiên

a Phương pháp tế i thiểu hoá bằnỹ pháp biến đổi đại 0 ố

Phưcmg pháp này sử dụng các công thức, tiên đé, định lý cổ sẵn để biến đổi biểu thức biểu diễn hàm thành biểu thức mới sao cho số đầu vào ít hơn nhưng giá trị cùa hàm không đói

Ví dụ 4;

F { A , B , c , D ) = Ã B C D + Ă B C D + Ã B C D + Ã B C D

= Ã B C ( D + D ) + Ã B C ( D + D ) = Ã B C + Ã B C

= 1 B ( C + C ) = Ã B

b Tối thiểu hóa dùng b in g Cacno

Một hàm có thể được biểu diễn bằng bảng Cacno dạng chuẩn tắc tuyển hoặc dạng chuẩn tắc hội nên khi dùng bảng Cacno để tối thiểu hoá hàm chúng ta cũng phân thành hai loại

b l Tối thiểu hoá hàm dạng chuẩn tắc tuyển

Quy tắc tối thiểu hoá hàm dạng chuẩn tắc tuyển gồm các bước sau:

1) Biểu diễn hàm trên báng Cacno dạng chuẩn tắc tuyền.

2) Xác định các tích cực tiểu: Gộp thành nhóm gồm 2‘‘ ô có giá trị 1 hoặc có dấu X

nằm cạnh nhau hoặc đối xúng nhau trên bảng Cacno sao cho k là lớn nhất Trong các nhóm đã gộp ta viết tích cực tiểu tương to g cho mỗi nhóm gộp đó Cách viết như sau: trong tích chỉ giữ lại các biến có giá trị chung cho tất cả các ồ trong nhóm gộp, các biến có giá trị khác nhau được loại bỏ Trong tích, nếu biến có giá trị 1 ta viết chính biến đó Nếu biến có giá trị 0 ta viết phủ định của nó

Ví dụ 1; Trên hình 1.1-10, (a) hai ô vuống cạnh nhau tương ứng với hai phần tử

A BCDvằ A B C D Tích cực tiểu được biểu diễn như sau; A BD.

00 01 11 10

n 10

Hình 1.1-10: Một số ví dụ về cách xác định các Uch cực tiểu

Ví dụ 2: Trên hình 1.1-10 (b) biểu diễn tích cục tiểu tương ứng là: B C D

Ví dụ 3: Trên hình l.i-1 0 (c) biểu diễn tích cực tiểu ABD

Ví dụ 4: Trôn hình 1.1-10 (d) biểu diễn tích cực tiểu AB ■

3) Tim phủ tối thiểu: Chọn số ít nhất các tích cực tiểu sao cho các nhổm này phủ hết

cấc đỉnh ỉ của hàm

Việc đẩu tiên là chúng ta nhốtn theo nhóm lớn nhất ưong bảng (ví dụ nhổm 8 ô trong bảng 4 biến) Nếu còn các ô vuông nào chưa được nhóm, chúng ta xem cổ thể nhóm chứng trong nhóm nhỏ hơn hay khống Trong khi nhóm, ta cổ thể dùng một ô

để nhóm trong nhiều nhóm khác nhau (xem minh họa trên hình 1.1 -11 a Nếu bất kì ô vuông đơn độc nào còn sau khi nhóm thì mỗi một ô vuông đó được bao quanh bỏi hình tròn như là một nhóm một phần tử Bất kì nhổm nào có giá trị 1 bị phù lên bởi nhóm khác thì cổ thể rút gọn Ví dụ, trên hình 1.1-11 b, nhóm ngang là thừa và có thể

bỏ qua khi tạo biểu thức logic

4) Viết hàm: Biểu thức của hàm sẽ là tổng cùa các tích cực tiểu vừa chọn.

Ví dụ 5; Các tích cực tiểu cùa các nhốm được biểu diễn ưên hình 1.1-11 có sử dụng bưóc tìrri phủ tối thiểu

{ữ) F ^ A B + B C

00 01 11 10

1iil

Chú ý, trong quá trình thực hiện tối thiểu hoá một hàm đùng bảng cacno cần lưu ý:

• ' Khi thực hiện gộp nhóm, k càng lớn càng tốt Khi không gộp được với k lớn mới gộp các nhóm có k nhỏ dẩn Cứ gộp được hai ô chúng ta giảm được một biến ữong tích cưc tiểu

• Mỗi vòng gộp phải có ít nhất một đỉnh hàm không có trong vòng gộp khác, nhưngmột đinh hàm lại có thể có mặt trong nhiều vòng gộp khác nhau.

• Các vòng gộp phải gộp hết các đỉnh cùa hàm, không được bỏ sót

• M ộ t hàm có thể có nhiều kết quả tối thiểu hoá.

• Khi viết biểu thức cuối cùng của hàm phải chọn sao cho hàm là tối thiểu nhất

b2 Tối thiểu hoá hàm dạng chuẩn tắc hội

Quy tắc tối thiểu hoá hàm dạng chuẩn tắc hội gồm các bước sau:

1) Biểu diễn hàm trên bàng Cacno dạng chuẩn tấc hội.

2) Xác định các tổng cực tiểu: Gộp thành nhóm gồm 2*^ ô có giá trị 0 hoặc có dấu X

nằm cạnh nhau hoặc đối xứng nhau trên bảng Cacno sao cho k là lớn nhất Trong các nhóm đã gộp ta viết tổng cực tiểu tương ứng cho mỗi nhốm gộp đó Cách viết nhu sau: trong tổng chỉ giữ lại các biến có giá trị chung cho tất cả các ô trong nhóm gộp, các biến có giá trị khác nhau được loại bỏ Trotig tổng, nếu biến có giá trị 0 ta viết chính biến đó Nếu biến có giá trị 1 ta viết phủ định của nó

3) Viết hàm bằng cách viết tích các tổng cực tiểu.

Hinh l.t-13: Ví dụ về cách tối thiểu hoá h)iin dạng chuẩn tắc hội

Ví dụ, SỬ dụng bảng cacno dạng chuẩn tắc hội theo Hình 1.1-13 để tối thiểu hóa

hàm, cho kết quả như sau: F { A , 5 ,c , D ) = ( 5 + c ) ( B + c + D ) ,

Như phần trên đã trình bày, các cổng logic cơ bản là AND, OR, NOT thể hiện ba phép toán cơ bản cùa đại số logic và để ghép nối thành các mạch logic Tuy nhiên để thuận tiện cho việc sản xuất công nghiệp, ngưòi ta đưa thêm vào hai phép toán có tính phổ biếti cao là các phép toán NAND và NOR tương ứng vói các cổng NAND và NOR.Bảng 1.1-16 mô tả 5 cổng cơ bản đó Mỗi cổng được định nghĩa theo ba cách: kí hiệu đồ hoạ, hàm đại số và bảng chân lý Các kí hiệu ở đây được dùng theo chuẩn IEEE Chú ý rằng phép đảo (NOT) được kí hiệu bởi hình.ừòn nhỏ.

Mỗi cổng có một hoặc hai đầu vào và một đầu ra Khi các giá trị tại đầu vào thay đổi, giá trị tương ứng của đầu ra xuất hiện hầu như tức thòi, chỉ chậm hơn một khoảng thời gian tín hiệu truyền qua cổng (gọi là ữễ cổng - gate delay)

Ngoài các cổng được mô tả ở trên, người ta còn sử dụng các cổng có 3 ,4 hoặc nhiều đầu vào Ví dụ X + Y + z có thể được thực hiện bcri 1 cổng OR duy nhất cổ ba đầu vào.Tuy nhiên, trong thực tế không phải người ta cần dùng tất cả các loại cổng trên khi thực hiện một công việc cụ thể nào đó Để đơn giản cho việc thiết kế và chế tạo, người

ta chỉ dùng một hoặc hai loại cổng nhưng mang đầy đủ các chức năng cần thiết Ta nhận thấy rằng;

• Các cóng AND, OR, NOT tạo nên một tập đầy đủ chức năng vì chúng đại diện cho ba phép toán cơ bản của đại số Boole

• Các cổng AND, NOT tạo nôn một tập đầy đủ chức năng vì chúng có thể tạo ra

phép toán OR Thật vậy, áp dụng định lý DtìMorgan ta có: A + B = A B , tức là A

OR B = NOT((NÒT Ã) A l ^ '(NOT B))

• C íc cổng OR, NOT là đầy đù chức năng vì chúng có thể được sử dụng để tạo ra phép toán AND

• Cổng NAND là đầy đủ chức năng vì nó cho phép tạo ra các phép toán AND, OR

và NOT như được minh hoạ theo hình 1.1-14

le từ, Hệ thống dùng những khoá cơ khí này rất cồng kểnh, độ tin cậy thấp, tốc độ chậm và khả năng ứng dụng thấp.

Với sự tiến bộ của kỹ thuật, các khoá điện tử dùng các loại đèn chân khồng đã thay

thế cho các khoá cơ khí và nhờ đó ngưòi ta đã tạo ra các máy tính điện tử dùng các

bóng đèn điện tử Tuy nhiên, những máy tính dùng bóng đèn điện tử này chiếm một

diện tích khá lớn cỡ hàng trăm độ tin cậy khổng cao và hay bị sai hỏng

Kỹ thuật bán dẫn ra đời, các dụng cụ bán dẫn như Điốt (Diod), Tranzito, được sử dụng làm khoá chuyển mạch trong các thiết bị tính toán kỹ thuật số đã tỏ ra có nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi hơn Các mạch tính toán dùng linh kiện bán dẫn đã có

ưu điểm vượt trội so vói thế hệ linh kiện điện tử chân không Cụ thể là giá thành ứiấp,

kích thước nhỏ hơn nhiều, tốc độ tính toán cao, tiêu thụ năng lượng thấp hơn và độ tin

cậy cao hơn

Sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo ra các mạch tích hợp IC thực hiện một chức năng cụ thể Đó là một bản tinh thể bán dẫn nhò bé nhưng có thể chứa được hàng loạt các linh kiện như Diod, Tranzito, điện trờ, tụ điện, các IC có những

ưu điểm vượt trội so vói các loại linh kiện trước đó như: kích thước và trọng lượng rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng rất ít, tốc độ hoạt động cao, độ tin cậy lớn, chịu được nhiệt độ cao, ít chịu tác động của môi trường và giá thành hạ

Khi công nghệ màng mỏng ra đỀd vào năm 1959 (công nghệ Planar) đã cho phép

chế tạo ra những mạch tích hợp cỡ lớn và rất lớn với nhiều chức năng phức tạp, làm cơ

sò để chế tạo máy vi tính, đổng hồ điện t ử ,

Ngày nay, với sự phát ưiển liôn tiếp cùa các linh kiện điện tử kỹ thuật số đã cho phép tạo nên những máy tính có năng lực lớn trợ giúp đắc lực cho sự phát triển khoa học kỹ ửiuật

3 2 1 T í n h c h ấ t c ủ a Id p t iế p x ú c P - N

Chất bán dẫn là chất cổ cấu trúc nguyên tử tương đối đặc biệt Các điện tử vành ngoài không dễ dàng tách khỏi hạt nhân nguyên tử như vật liệu dẫn điện nhưng cũng không ràng buộc quá chặt vói hạt nhân như vật liệu cách điện Do đố, tính dẫn điện cùa châ't bán dẫn nằm giữa vật ỉiệu dẫn điện và vật liệu cách điện Các loại bán dẫn thông đụng là Ge và Si

Chất bấn dẫn đưọc chia làm hai loại:

• C hít bán dẫn loại p là loại vật liệu hẩu như không có điện tử tự do N6 dẫn điện nhờ lồ ưống nêii được gọi là chất bán dẫn lỗ trống hay chất bán dẫn loại p Q iất bán dẫn loại p c6 nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử Vì vậy, lỗ trống được gọi là hạt mang đa số và điện từ là hạt mang thiểu số

• Chất bán dẫn loại N là loại vật liệu có hạt mang là điện tử rất nhiều, số lượng hạt mang là lỗ ưống rất ít Nó đẫn điện chủ yếu nhờ vào điện tử nèn gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại N

Khi ghép hai tấm bán dẫn p và bán dẫn N với nhau, do nổng độ diện tử và lỗ ưống ỏ hai tấm khác nhau nôn có sự khuếch tán ngược sang nhau Sự khuếch tán sẽ dừng lại khi hình thành điện ưuòng nội đủ lớn ngăn cản lại sự chuyển động của điện tử và lỗ

ưống Khi có sự cần bằng, ở lớp tiếp xúc hình thành một vùng thiếu các hạt dẫn nên gọi

là vùng nghèo kiệt, ổ điều kiên bình thường, độ đày của vùng nghèo kiệt khoảng vài chục |im Độ dày này có thể thay đổi tuỳ thuộc tác động cùa bên ngoài như nhiệt độ, điện trường

Khi có điện áp thuận đặt vào lổp PN, vùng nghèo kiệt thu hẹp lại và tính dẫn điện qua lóp tiếp xúc tăng Khi có điện áp ngược đặt vào lớp PN, độ dày của vùng nghèo kiệt tảng nên tmh dẫn điện qua lóp tiếp xúc giảm

3 2 2 , Đ i Ốt b á n d ẫ n

Điốt bán dẫn là một lớp tiếp xúc PN được nối các điện cực và đóng vỏ Điốt bán dẫn

có nhiều loại và được dùng vào nhiều mục đích khác nhau

Lấy Vo=0,7 V làm ngưỡng ứiông của Điốt Khi điện áp V nhỏ hơn Vq thì Điốt đóng

và đòng điện qua Điốt xấp xỉ bằng 0 Khi điện áp V lớn hơn Vo thì Điốt mới mở và cho dòng điện đi qua

3 2 3 T r a n z i t o

Tranzito là linh kiện bán dẫn có hai lớp tiếp xúc PN, lóp tiếp xúc Emito và lóp tiếp xúc Colecto Cấu trúc gồm ba khu vực là: Ẻmitô, Bazo và CÔlecto

Ngưèfi ta chia Tranzito thành hai loại NPN và PNP:

• Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn p và Bazo dùng bán dẫn N ta được Tranzito loạiPNP

• Nếu Colecto và Emito dùng bán dẫn loại N và Bazo đùng bán dẫn loại p ta được Tranzito loại NPN

Tranzito là linh kiện chuyển mạch cơ bản nhất trong điện tử số Tuỳ thuộc điện áp vào, Tranzito sẽ ngắt hoặc thông tương tự như một khoá chuyển mạch

s , s X â y đnái^M ÊM Ộ é s ổ M t t ạ đ í Ị o 0 í t C fẩ ĩ» â tt

Mạch logic tổ hợp là tập hợp các cổng logic và tín hiệu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào tổ hợp của các giá ưị đầu vào tại thèfi điểm đó Để biểu thị các chức năng cùa mạch logic, người ta dùng các phương pháp biểu diễn của hàm logic như đã trình bày ở ưên (bảng chân lý, phương trình logic, sơ đồ m ạc h , )

Trong thực tế mạch logic tổ hợp cổ rất nhiều loại Trong phần này, chúng ta chỉ khâo sát một số mạch logic thông dụng thường gặp và là cơ sờ cho câu trúc máy tính được trình bày ỏ những chương sau Đó là các mạch nhớ cơ bản, bộ giải mã và các bộ cộng

Ngưòi ta chia thành nhiều loại FLIP - FLOP khác nhau tuỳ theo đặc tính làm việc Sau đây là một số loại FLIP - FLÒP thông dụng.

Trong phần này chúng tôi chỉ minh hoạ sơ đổ cấu trúc mạch cho hai loại FF-RS cơ bản và FF-RS đồÌíg bộ Các loại FF sau chỉ giới thiệu chức năng và hoạt động của chúng Những ai quán tâm đến cấu ưúc mạch của các này có thế tham khảo thêm ở các tài liệu viết về kỹ ứiuật số

Trạng thái đầu ra của FF trong cấu trúc này là:

Nhược điểm của FF- RS là điều khiển txực tiếp do xung đến Trạng thái cấm không thuận lợi cho sử dụng

Để khắc phục nhưọc điểm của FF-RS, nguờỉ ta đưa thêm mạch đổng bộ để FF chì phản úiig vói tín hiệu vào khi có tín hiệu đồng bộ đưa đến FF-RS đổng bộ gồm một mạch

FF RS thông thưòng nhung có thém mạch đổng bộ do các mạch C&D Để kí hiệũ mạch, ngưòi ta quy ước dùng dấu chữ V để biểu thị mạch làm việc vói sưòn khung dương

Hình 1.1-18 biểu diễn mạch FF RS đồng bộ và sơ đồ khối cùa nó

Khi Cp đóng, các cổng c và D đóng nhớ trạng thái trưóc đó Khi Cp = 1, các

cổng c và D mở Mạch vào thống, FF hoạt động như FF -RS cơ bản Do đố, vẫn còn

nhược điểm do ưạng ứiái cấm

c FLIP FLOp - RS chủ tở

Để khắc phục ảnh hưỏng cùa nhiễu khi dùng FF-RS cơ bẳn hoặc FF-RS đổng bộ, người ta dùng loại FF-RS chù tở Khi đó việc ghi thông tin đầu vào được thực hiện khi lối ra đã bị khoá hoặc ngược lại, việc đọc thông tin (cung cấp thông tin) chỉ thực hiện

• Khi Cp đột biến từ 0 -1 (sườn dương xung đồng bộ) thì FF-RS chủ thông và FF-RS

tó ngắt Trong thòi gian Q )= l, FF-RS chù thông, nó tiếp nhận tín hiệu vào nhưng FF-RS tó đổng nên đầu ra ỉchổng thay đổi

• Khi Cp đột biến từ 1 -> 0 (sưòn âm xung đổng bộ) thì FF-RS chủ ngắt và FF-RS

tớ thông, nồ tiếp nhận tín hiệu từ FF-RS chủ chuyển sang và chuyển sang ưạng thái mói

FF-RS chủ tớ vẫn hoạt động trên cơ sở FF-RS cơ bản nên vẫn tồn tại nhược điểm là trạng thái cấm Khi đổ đầu ra vẫn không ổn định

e, FLIP FLOP- T

FF-T là mạch điện có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào tín hiệu đầu vào T với điều kiện có xung nhịp Cp tác dụng.

• Nếu T=0 và có sườn âm cùa xung Cp thì duy trì trạng thái cũ

• Nếu T=1 và có sườn âm của xung Cp thì chuyển đổi trạng thái

t FLIP-FLOP IK

FF-JK là mạch điện có chức năng thiết lập các trạng thái 0 và l, duy trì hoặc chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào các tín hiệu J,K và xung nhịp Cp.

• Nếu có J=0, K=0 và sườn âm xung nhịp Cp thì giữ nguyên trạng thái

• Nếu có J=0, K=1 và sườn âm xung nhịp Cp thì đầu ra bằng 0

• Nếu có J= l, K=0 và sườn âm xung nhịp Cp thì đầu ra bằng 1

• Nếu có J=1, K=1 và sườn âm xung nhịp Cp thì chuyển đổi trạng thái

Trong thực tế, các FF này có thể chuyển đổi lẫn nhau để mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong thực tể.

3 3 2 X ây dựng bộ giải m ă

Bộ giải mã (đecoder) là một mạch tổ hợp thực hiện việc chọn một trong các đầu ra tuỳ thuộc vào trạng thái cùa đầu vào Đầu ra nào được chọn có giá trị bằng 1, các đầu ra còn lại có giá trị bằng 0.

Bộ giải mã có n đầu vào thì có thể lựa chọn một trong 2" đầu ra Bảng chân lý của

bộ giải mã 2-4 được mô tả ở bảng 1.1-17.

Hình 1.1-19 mô tả một bộ giải mã có 2 đầu vào và 4 đầu ra (bộ giải mã 2-4).

í > —

A

o o o

YO Y1 Y2 Y3 Hình ỉ.l<19: Sơ đổ mạch của bộ giải mă 2-4

Hlnh 1.1-20: Sơ đồ khổi của bộ giải mã LS124

Bộ giải mã được sử dụng để ỉựa chọn các thiết bị hoặc dừng để giải mã bộ nhớ Trong thực tế, mỗi bộ giải mS có thêm một tín hiệu có tèn là c s (Chip Select) Nếu

c s = l thì nó sẽ cho bộ giải mẵ hoạt động, ngược lại nếu c s = 0 thì tất cả các đầu ra của

bộ giải mS bằng 0 khống phụ thuộc vào ừạng thái đầu vào củã bộ giải mã Khi đó người

ta ky hiệu bộ ^ải mã 2 đầu vào 4 đầu ra c6 thêm tín hiệu c s là LSI-24 Để đơn giản, ngưòi ta kí hiệu bộ giải mã theo sơ đồ khối như hình 1.1 -20.

Tương tự như vậy, sơ đồ khối của bộ giải mã LSI-38 (3 đầu vào, 8 đầu ra có CS) được biểu diễn trên hình 1.1-21.

Bảng 1.1-18 là bảng chân lý của phép cộng 1 bit dữ liệu có nhớ đầu ra.

Bảng 1.1-18: Bảng chân lý của phép cộng 1 bit có nhớ đầu ra

Từ bảng này chúng ta có thể xây dựng được hàm dưới dạng chuẩn tắc tuyển theo định lý Shannon 1 như sau:

S (A ,B ) = Ã B + AB

C {A ,B ) = AB

Sơ đổ mạch tương ứng được biểu diễn trên hình 1.1-22.

Hinh 1.1-22: Sơ đồ mạch của bộ cộng nửa theo định lý Shannonl Theo định lý Shannon 2, ta có:

D ạ n g s ơ đ ồ k h ố i c ù a b ộ c ộ n g ( A D D E R ) đ ư ọ c b iể u d iễ n trê n h ìn h 1 1 -2 4

A T

u m ADD

Hlnh 1.1-24: Stf đồ khéi của bộ cộng nă»

3.3.4 X ây d ự n g b ộ cộ n g n h ị phân có nhớ đầu vào và nhớ đ ầu ra

Bộ cộng nửa không đáp ứng được nhu cầu thực tế cộng hai số nhiều bít, ví dụ như cộng hai số A = 1011 và B=1110 Việc cộng các i)it 2 và bit 3 đều c6 kèm theo s ô nhớ, nghĩa là có 3 số hạng tham gia gồm 2 bit được cộng và số nhớ được chuyển ỉên từ phép cộng trưóc Phép cộng có nhớ đầu vào và nhớ đầu ra được gọi là phép cộng đù Mạch điện thực hiện phép cộng này được gọi là bộ cộng đủ.

Bảng 1.1-19 là bảng chân lý của phép cộng đủ, ưong đó là nhớ đầu vào, là nhó đẩu ra, s là tổng.

Từ bảng chân lý, ta có thể xây dựng hàm và mạch tương ứng tương tự như trên.

S = C^ã+C^AB+C^ÃB+CAB

c =C^AB+C^ã+C^M + C^AB = AB(C^ + C J + C^ÃB+ C^ÃB = AB+C^ÃB + C J B

Theo đuứi lý Shannon 2:

Bộ cộng có nhớ nối tiếp được ghép nối bời nhiểu bộ cộng đủ vói nhau để thực hiện chức năng của mình.

Ta hãy xét bộ cộng 4 bit được cấu trúc bằng 4 bộ cộng đủ 1 bit với số nhớ chuyển nối từ bộ cộng bit thấp lên từng bưóc một theo số bit.

Côu hỏỉ và bòỉ tộp cuối chương

1 Kiến trúc máy tính được phân loại như th ế nào?

2 Các đơn vị đo khả năng hoạt động cùa máy tính là gì?

3 Trình bày các phương pháp biểu diễn hàm logic

4 Trình bày các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic

5 Tối thiểu hoá các hàm ỉogic sau bằng phương pháp biến đổi đại s ố và dùng bảng

8 Nêu tính chất chuyển mạch của các thiết bị bân dẫn.

9 Trình bày chức năng và các loại mạch nhớ Flip-Flop.

10.Thểnào là bộ giải mã Cách xây dựng bộ giải mã 2-4 V ẽ sơ đồ khôĩ của bộ giải mã

L S Ỉ -2 4 v à ứ ĩ-3 8

ì 1 Thếnào là bộ cộng nửa, bộ cộng đủ Trình bày bảng chân lý và sơ đồ mạch cùa các

bộ cộng nửa này Vẽ sơ đồ khối của các bộ cộng nửa và bộ cộng đủ.

12 Trình bày cách xây dựng bộ cộng cổ nhớ nôĩ tiếp.

Hãy thực hiện các công việc sau:

a Viết hàm logic dạng tuyển ckính tắc chuẩn dựa theo bảng chân lý trên

b Dùng bảng Cacno đ ề tôì thiều hàm ỉogic trên

c Vẽ sơ đồ mạch logic tương ứng với hàm đã đuợc tôĩ thiều hoá.

14 Hãy thiết ư b ộ giải mâLS 1-38 từ bộ giải măUS 1-2 4 và các cổng cơ bản.

15 Hãy thiết kế bộ giải mã LSI- 416 từ bộ giải mã LSI-2 4 vổ các cổng cơ bản.

16 Hãy thiết kế bộ giải mã LS1-4 1 6 bộ giải mã ỉ - 3 8 và các cổng cơ bẩn.

17 Hãy thiết kếbộ giải mẵLSỈ-3 7 từ bộ giấi mã LA 1-2 4 và các cổng cơ bản.

18 Hay th ư tư bộ giải mã 1 - 4 1 2 từcác bộ giã mã L S I - 3 8 và 1-2 4 và từ các cổng

cơ bản.

19 Hãy thiết kếbộ cộng 16 bit trên cơ sở các bộ cộng 4 bit.

20 Hãy thiết k ế bộ cộng 32 bỉt sử dụng các bộ cộng 8 bit.

Mô hình, nguyên lý hoạt động cũng như các tổ chức vào ra (ỤO) của máy tính tuần

tự sẽ được giới thiệu trong mục này.

Kênh điều khiển

Kênh địa chỉ Kênh dữ liệu

cả các máy tính sau đó.

Bộ xử lý tru n g tâĩìỊ (C entral Procesing Unìt - CPU) là bộ não của máy tính,

gồm các phẩn chính sau đây:

+ Bộ điều khiển (Control Unit ■ CU) phiên dịch các lệnh thành vi lệnh (micro

operation) hoặc chuyển đổi thành các các tín hiệu diều khiển các tín hiệu khác trong máy tính, đồng thời dồng bộ và phối họp sự hoạt động của tất cả các bộ phận trong máy tính.

+ Bộ sô' học - logic (Arithmetic - logicơl Unit - ALV) được sử dụng để tính toán

các phép toán sô' học như cộng, trừ, nhân, chia được dịch thành số nhị phân, đóng thời thực hiện các phép toán iogic.

+ Ngoài hai bộ phân trên còn các thanh ghi (registers) là nơi lưu trữ tạm thời các

lệnh, các dữ liệu dang và sẽ thực hiện Chúng đóng vai trò trung gian giữa bô diều khiển và bộ số học - logic với các bộ phận khác trong máy tính Các thanh ghi này

có tốc độ truyền dữ liệu cực lớn

Bộ nhớ (Memory) được sử dụng để lưu trữ các dữ [iệu và các chương trình và các

kết quả trung gian trong quá trình thực hiện chương trình Bộ nhớ có hai loại chính:

+ ROM (Read Onìy Memory): loại bộ nhớ này chỉ dùng để đọc thông tin ra Nó

ihuờng được sử dụng để ghi các thông sô' của máy tính và các chương trình cơ sờ

để máy tính có thể hoạt động được Thông tin trong bộ nhớ này không bị mất đi khi bị mất điện hoặc khi tắt máy Bộ nhớ này thường có dung lượng nhỏ.

+ RAM (Random Access Memory}: là bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên, nghĩa là có

thể đọc và ghi vào bất kì vị trí nào trong bộ nhớ Nó thường được dùng để liru trữ các kết quả trung gian trong quá trình thực hiện một chương trình và lưu trữ các chương trình khi thực hiện Thông tin trong bộ nhớ sẽ bị xoá sạch khi mất điện hoặc tat máy Tốc độ của bộ nhớ RAM nhanh hơn tốc độ của bộ nhớ ROM Dung luợng của bộ nhớ RAM lớn hơn dung lượng của bộ nhớ ROM nhiều lần.

Giao diện vào/ra (ư o Interface): cho phép bộ nhớ nhận và truyền thông tin với các bộ phận bên ngoài như ổ đĩa, bàn phím, màn hình, máy in.

Hệ thống kènh truyền thồng tin (bus): Bộ xử lỹ trung tâm CPU thực hiện kết nối

và trao dổi thông tin với các bộ phận chức năng khác thông qua hệ thống kênh truyền thông tin v ề mặt vật lý, Bus là tập hợp các đường dây truyền tín hiệu điện, mỗi đường dây truyền được inột bit thông tin tại một thời điểnĩ Hộ thống kênh truyền thông tin của máy tính có ba loại, mỗi loại truyền một loại thông tin;

+ Kênh điểu khiển ịControl Bus): được sử dụng để truyền các tín hiệu điểu khiển

từ bộ xử lý đến các bộ nhớ hoặc các giao diện vào ra, đổng thời nó chuyển, các tín

hiệu phản hồi từ các bộ phận trên về bộ xử lý Ngoài ra nó còn được dùng để liên

kết các bộ phận bên trong bộ xử lý.

+ Kênh địa chỉ (Address Bus)\ được sử dụng để truyền các địa chỉ từ bộ xử lý đến

các thiết bị hoặc vùng bộ nhớ cần truy nhập Khi đó, các bộ giải mã so sánh địa chỉ này với địa chỉ của mình Nếu trùng thì cho phép truyền dữ liệu hoặc cho phép điều khiển.

+ Kênh dữ liệu iData Bus): được dùng để truyền dữ liộu từ bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi tới CPU và ngược lại.

Cấu trúc chung của một máy tính bao gồm các khối chức nãng chính sau đây;

1.2 1 N gu yên lý th ự c h iện m ột chương trìn h

Chức năng cơ bản của máy tính là thực hiện chương trình Chương trình là một tập hợp các lệnh được lưu trữ ưong bộ nhớ Bộ xử lý trung tâm thực hiện chương trình bằng cách lẩn lượt thực thi các lệnh trong chương trình Quá trình này được thực hiện theo hai bước: Tại một thời điểm, CPU nạp lệnh từ bộ nhớ và thực thi lệnh này Việc thực thi chưcrng trình thực chất là sự lặp lại quá trình nạp lệnh và thực thi lệnh

2 Sau khi chương trình đã nằm trong bộ nhớ thì hệ điều hành sẽ chuyển quyền xử

lý chương trình cho bộ nhớ bằng cách đưa bộ đếm chưoíig trình PC đến lệnh đầu tiên cùa chương trình muốn thực hiộn

3 Bộ xử lý bắt đầu thực hiộn lệnh này

4 Sau khi thực hiện xong một lệnh, bộ đếm chương trình sẽ tự động chuyển đến lệnh tiếp theo ừong chương trình và lặp lại quá trình trên Cứ như thế, máy tính sẽ thực hiện hết các lệnh cùa chưcmg trình và cuối cùng máy tính sẽ trả lại quyền điều khiển cho hồ điều hành

1.2.2 N gu yên lý thự c h iện m ột lệnh

Mỗi lệnh được thực hiện ưong một chu kì lệnh (Instruction Cycle) Chu kì iệnh là

khoảng thời gian từ khi nhận lênh đến khi thực hiện xong lênh Cắc chu kì lệnh không

nhất thiết phải dài bằng nhau Mỗi một chu kì lệnh xảy ra trên nhiểu chu kì nhịp đổng

hồ của CPU

Mỏi một lệnh được thực hiện theo nhiều giai đoạn, phụ thuộc vào loại lệnh Nĩi chung việc thục hiện lệnh thường trải qua 5 bưĂ: như sau:

1 N ạp lệnh (Pelch Instructỉon - FI): Bắt đầu mỗi chu kì lệnh, CPU nạp lệnh từ bộ

nhớ RAM vào tíianh ghi lệnh (Instruction Register - IR).

2 Gỉdi m ã lệnh (Decode ìnstruction -DI): Bộ điéu khiển giải mã lệnh để hiểu được

các ứiao tác cẩn phải thực hiện.

3 Nạp các tốn hạng (Fetch Operand - F 0 ): Nếu lệnh yêu cầu các tham số thì máy

tính sẽ thực hiện việc nạp các tốn hạng cho lệnh.

4 Thực hiệh ỉệnh (Execute Instruction- EI): dựa vào mã lệnh đã được giải mà CPU

thực hiện các cơng việc được yêu cẩu Cơng việc này thuộc một trong 4 loại sau đây:

- CPU - Memory. Truyén dữ liệu CPU đến bộ nhớ hoặc ngược lại.

- CPU - //ơ : ứuyén dữ liệu từ một thiết bị vào ra ự o tĩi CPU hoặc ngược lại.

- Data Processing: CPU xử lý dữ liệu bằng cách thực hiện một vài phép tốn^số

học và logic

- Control: điều khiển thứ tự thực thi lệnh.

5 Ghi kết quả (Write Operand - W 0): ghi kết quả thực hiện lệnh trở lại thanh ghi

Để máy tính thực hiện được nhiệm vụ cùa mình thì phải ữao cho nĩ chương trình và

dữ liệu Sau khi giải được bài tốn nĩ cẩn chuyển kết quả cho con người Vấn ăé đưa thổng tin vào (input) máy tính và lấy thơng tin ra (output) khỏi máy túih - gọi tắt là

vào/ra (inpuựótput -1 /0 ) Cĩ nhiều phương pháp tổ chức v o khác nhau, trong đĩ cĩ 4 phương pháp chính:

• HO được lập trình với việc luơn luơn đợi (Programmed n o with busy waiting): là phương pháp ĩ/o đơn giản nhất thường được sử dụng trong các hệ thống vi xử lý giá th^h thấp Trong quá trình hoạt động CPU thực hiện một vịng lặp và lần lượt

“phát hiện” ra các cổng nào đang cần nhận (Input) hoặc gửi (output) dữ liệu Các lệnh nhận/gửi dữ liệu được thực hiện theo từng byte một Nhược điểm của phương phấp này là CPU phải sử dụng hầu hết thời gian để kiểm tra các cổng kết nối với

' các thiệt bị I/O

• Phương pháp n o được điều khiển bởi ngắt (Interrupt - driven HO): để ữánh nhược điểm của phưcmg pháp toên, theo phương pháp vỊỉy CPU chỉ khỏi động sự làm việc của các uiiết bị ỹ õ khi c6 yêu cầu ngắt Khi thiết bị I/O hồn thành cơng việc của mình thì nĩ lại bắo lại cho CPU biết.