E278
(€3 —
Gido trình chuyên ngành kỹ thuật số :
Trang 5Phân giới thiệu
ÿ thuật số, một lĩnh vực tuy không còn mang tính thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn giấu vô số diéu bí ẩn và có sức hấp dẫn kỳ lạ, đã và đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhằm hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu về dé tài này, bộ "Giáo trình chuyên
ngành kỹ thuật số" lần đầu ra mat ban doc, hy vọng sé đáp ứng phần nào nhu cầu về tài liệu chuyên đề kỹ thuật số hiện nay côn khan
hiếm
"Giáo trình chuyên ngành ky thuật số" gồm 4 quyền, với các tựa đề ứng với nội dung "Kỹ thuật số căn bản", "Flip-flop, thanh ghi, bộ đếm", "Mạch logic", "Hệ thống máy vi tính, thiết bị nhớ, PLD" Các
bài học trong giáo trình có cấu trúc nhất quán cho bạn đọc dễ theo
dõi, gồm các chuyên mục:
Q DE CUONG Một dạng mục lục dành riêng cho từng bài đọc, giúp bạn sơ lược nội dung bài
Q MUC DICH Kiến thức ban sẽ thu thập được sau khi hoàn thành bài học
GIỚI THIỆU Dẫn nhập vào bài
3 vi DU Trinh bày ở dạng bài tập kèm theo lời giải, nhằm minh họa phần lý thuyết thảo luận ngay trước đó
Œä CÂU HỎI ÔN TẬP Các câu hỏi cúng cố kiến thức đã học, được
đưa ra cuối mỗi mục
Trang 6KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
G CÁC THUẬT NGU QUAN TRONG Danh sách những thuật ngữ thường xuất hiện trong bài, có kèm theo tiếng Anh tương đương Q BAI TAP Câu hỏi và bài toán cuối bài học được xếp theo loại Những bài tập nào yêu cầu người học vận dụng kiến thức đã học trong bài sẽ không được xếp vào loại cụ thể Ngoài ra, sẽ có 4 loại bài tập được chỉ định đặc biệt sau đây:
e C (Challenging) Bai tap thách thúc, đòi hỏi bạn phải động não và mất nhiều công sức hơn bài tập cơ bản, thường xuyên yêu
cầu bạn phối hợp kiến thức giữa nhiều bài học
e D (Design) Bai tap lien quan đến (hiết kế mach logic cho một ứng dụng cụ thể không được giới thiệu trong bài, hoặc yêu cầu
sửa đổi một mạch có trong bài để mạch này chuyển sang
(hoặc có thêm) chức năng khác
« N(New) Bài tập giới thiệu các khái niệm, kỹ thuật, ứng dụng
mới
e T (Troubleshootng) Bài tập đòi hỏi người học vận dụng kỹ thuật phân tích nhằm đò tìm va xử lý lỗi hiệu quả
ä ĐÁP ÁN Có hai phản: ĐÁP ÁN CÂU HỎI ÔN TẬP (tức câu hỏi cuối mỗi mục) và ĐÁP ÁN BÀI TẬP (cuối bài học) Chỉ nên tham
khảo đáp án để so sánh với kết quả bạn đã nỗ lực thu được sau
khi giải xong bài tập
Toàn bộ giáo trình cung cấp 200 ví dụ thực tiễn, trên 400 câu hỏi ôn tập, và trên 450 bài tập Mỗi chủ để được xử lý theo các bước: đầu tiên là giới thiệu nguyên lý vận hành; tiếp theo cúng cấp các ví dụ và ứng dụng giải thích thấu đáo, thường dựa vào cac IC thực; câu
hỏi ôn tập cuối mỗi mục; và cuối cùng là phần bài tập cuối tung bài học, được sắp xếp từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp, giúp giảng viên dé dang chon ra bài tập thích hợp cho học viên Mục đích
của bài tập còn là củng cố kiến thức đã học mà không cần lặp lại các nguyên lý Chúng đòi hỏi học viên phải áp dụng vào nhiều tình
huống khác nhau hằu chứng minh họ đã hiểu bài, qua đó giúp họ
Trang 7PHẦN GIỚI THIỆU 7
Quyển đầu tiên "Kỹ thuật số cơ bản" gồm 5 bài, giới thiệu và thảo
luận chỉ tiết các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực kỹ thuật số, các hệ thống số đếm, phép toán logic và đại số (đại số Boole), v.v Ngoài
ra Bài 4 còn bàn thêm về PLD (Programmable Logic Device) dùng
để xây dựng mạch logic thay cho các IC chuẩn, Bài 5 giới thiệu mạch tích hợp (IC) ALU, cách biểu diễn số có dấu theo hệ thập lục phân, các phép tính thực hiện trên số có dấu
Vì là lần đầu tiên khai thác một lĩnh vực hãy còn mới mẻ, nên
mặc dù nhóm đã bỏ ra rất nhiều tâm huyết, thời gian, và công sức,
nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sói Chỉ hy vọng rằng thiếu
sót, nếu có, sẽ không nghiêm trọng Rất mong nhận được ý kiến đóng
góp chân thành của bạn đọc gần xa
Trang 9Hai 1 Cac khai niém co ban O DE CUONG MỤC! Các dạng biểu diễn trị số - MỤC 2_ Hệ thống kỹ thuật số và hệ thống tương tự MỤC 3 Các hệ thống số trong kỹ thuật số MỤC 4 Biểu diễn các đại lượng nhị phân MỤC 5 Mạch số/Mạch logic MỤC 6 Truyền song song và truyền nối tiếp MỤC 7 Thuộc tính nhớ MỤC 8 Máy tính kỹ thuật số O MỤC ĐÍCH
Sau hhi hồn thành bài học này, bạn có thể:
e Phân biệt giữa dạng biểu thị tương tự và dạng biểu thị số
« Trình bày ưu, khuyết điểm của kỹ thuật số so với kỹ thuật tương
tự ‘
e Hiéu r6 sự cần thiết của bộ đổi tương tự-số (ADC) và bộ đổi
số-tương tự (DAC)
e Chuyển đổi qua lại giữa số thập phân và số nhị phân e Định nghĩa các loại tín hiệu số tiêu biểu
e Gidi thiéu vài công nghệ chế tạo mạch tích hợp
Trang 1010 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
e Phân biệt giữa truyền nối tiếp và truyền song song
e Mô tả thuộc tính của bộ nhớ
e Mô tả các bộ phận chính của máy tính kỹ thuật số và tìm hiểu
chức năng của chúng
e Phân biệt giữa máy vi tính, vi xử lý và vi điều khiển O GIớI THIEU
Ngày nay, thuật ngữ kỹ thudt sé (digital) da tré nén phé bién, bdi lé mạch số va kỹ thuật số đã được áp dụng rộng rãi trên hau nhu moi lĩnh vực của đời sống, như máy tính, tự động hóa, robot, y học, giao
thông vận tải, thám hiểm không gian và nhiều lĩnh vực khác nữa Bạn sắp sửa dấn thân vào cuộc hành trình kỳ thú hảu khám phá các nguyên lý, khái niệm và hoạt động cơ bản chung cho mọi hệ thống
số, từ cái công-tắc đơn giản đến chiếc máy tính phức tạp nhất Nếu đọc qua hết loạt "Giáo trình chuyên ngành kỹ thuật số", bạn sẽ nắm vững phương thức hoạt động của mọi hệ thống kỹ thuật số, và dễ dàng vận dụng hiểu biết này để phân tích và xử lý sự cố trong hệ thống kỹ thuật số bất kỳ
Đầu tiên, chúng ta hãy làm quen với các khái niệm cơ bản, vốn
dĩ rất quan trọng trong kỹ thuật số, được mở rộng trong những bai sau Ngoài ra, còn có nhứng thuật ngữ rất cản thiết sẽ gặp phải khi
chuyển sang lĩnh vực nghiên cứu mới, và chúng cũng được bổ sung vào mỗi bài
MUC1 CAC DANG BIEU DIEN TRI SỐ
Trong khoa học, kỹ thuật, kinh doanh, cũng như trong hầu hết lĩnh
vực, chúng ta thường xuyên bắt gặp từ đại lượng (quantity) Đại lượng
được đo lường, theo đơi, ghi lại, tính tốn, quan sát hoặc được sử dụng trong đa phản hệ thống vật lý Khi xử lý những đại lượng khác
nhau, điều quan trọng là phải có khả nang biểu diễn giá trị của chúng một cách chính xác và hiệu quả Về cơ bản, có hai cách biểu diễn
_ giá trị của đại lượng: tương tự (analog) và sé (digital)
Trang 11BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 11
Biểu diễn dạng tương tự:
Trong cách biểu diễn dạng tương tự (analog representation), một
đại lượng được biểu diễn bằng hiệu điện thế, cường độ dòng điện,
hay số đo chuyển động tương quan với giá trị của đại lượng đó Lấy
ví dụ: đồng hỗ đo vận tốc trong xe ô-tô Kim đo phải lệch tương ứng với tốc độ hiện tại của xe, và độ lệch này phải thay đổi tức thì khi vận tốc ô-tô tăng hay giảm
Ví dụ khác, ở máy ổn nhiệt phòng, độ cong của hai dải lưỡng kim tương ứng với nhiệt độ trong phòng Khi nhiệt độ trong phòng thay đổi thì độ cong của hai dải lưỡng kim cúng thay đổi tương thích
Một ví dụ khác về đại lượng tương tự là chiếc mi-crô quen thuộc
Trong thiết bị này, biên độ hiệu điện thé dau ra luôn tỉ lệ với cường
độ sóng âm tác động vào màng rung của mi-crô ở đầu vào
Các đại lượng tương tự có một đặc điểm rất quan trọng, đó là:
Đại lượng tương tự có thể thay đổi theo một khoảng giá trị liên lục Tốc độ của ô-tô có thể ở bất kỳ giá trị nào từ 0 đến 100m/s chẳng
hạn Tương tự, hiệu điện thế đầu ra của mi-crô có thể ở bất kỳ điểm
nào trong khoảng từ 0 đến 10mV
Biểu diễn dạng số
Trong cách biểu diễn dạng số (digital representation), đại lượng
không được biểu diễn bằng đại lượng tương ứng mà bằng các biểu tượng được gọi là ký số (digi Ví dụ như đồng hô hiện số (digital watch), hiển thị thời gian trong ngày như giờ, phút, giây dưới dạng số thập phân Tuy thời gian trong ngày thay đổi liên tục, nhưng số hiện của đồng hỗ số lại thay đổi từng bước, mỗi bước là một phút
hày một giây Nói cách khác, dạng biểu diễn thời gian theo số thay đổi từng bước rời rạc, so với cách biểu diễn dạng tương tự ở đồng
hồ tương tự, nơi số hiện thay đổi liên tục
Sự khác nhau chủ yếu giứa đại lượng số và đại lượng tương tự có thể được tóm tắt như sau:
Trang 1212 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
số = rời rạc (từng bước một)
— Vi tính rời rạc trong biểu diễn dạng số nên khi đọc giá trị của đại lượng số, không hề có sự mơ hở Trong khi đó, giá trị của đại lượng tương tự luôn cần diễn dịch
vi DU 1 : Trong các đại lượng dưới đây, đại lượng nào là đại lượng số và đại lượng nào là đại lượng tương tự?
(a) Công-tắc 10 vị trí
(b) Dòng điện truyền ra của một ổ cắm (c) Nhiệt độ trong phòng
(d) Số hạt cát trên bãi biển (e) Đồng hồ đo vận tốc của ô-tô
Lời giải
(a) Số (b) Tương tự
(c) Tương tự
(đ) Số Vì số lượng hạt cát chỉ có thể là những giá trị rời rạc chứ không phải là từng giá trị có thể có trong một
khoảng liên tục
(e) Tương tự, nếu là loại đồng hỗ kim; số, nếu là loại đồng hồ hiện số
v Cau hoi 6n tap
1 Hãy mô tả chính xác điểm khác biệt chính giữa đại lượng số uà đại lượng tương tự
‘MUC2 HE THONG KY THUAT SO VÀ HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ
Hệ thong ky thuat s6 (digital system) la tap hop thiết bị được thiết
Trang 13BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 13
Đây thường là các hệ thống điện tử nhưng đôi khi cúng có thé là hệ thống từ, cơ hay khí nén Một vài hệ thống kỹ thuật số ta thường gặp là: máy vi tính, máy tính tay, thiết bị nghe nhìn số và hệ thống điện thoại - là hệ thống số lớn nhất trên thế giới
Hệ thống tương tự (analog system) là thiết bị thao tác các đại
lượng vật lý được biểu diễn dưới dạng tương tự Trong hệ thống tương tự, các đại lượng có thể thay đổi trong một khoảng giá trị liên tục
Ví dụ, biên độ tín hiệu đầu ra của loa trong máy thu vô tuyến có thể
là giá trị bất kỳ giữa zero và giá trị giới hạn lớn nhất Một vài hệ thống tương tự thường gặp là: bộ khuếch đại âm tản, thiết bị thu phát băng tỪ, V.V
Ưu điểm của kỹ thuật số
Ngày càng có nhiều ứng dụng trong ngành điện tử, cũng như trong hầu hết các ngành kỹ thuật khác, vận dụng kỹ thuật số để thực hiện
các hoạt động mội thời được thực hiện bằng phương pháp số Những
lý do khiến kỹ thuật số được chuyển sang dùng nhiều là:
1 Nhìn chung, thiết bị số dễ thiết hế hơn Đó là do rnạch được sử
dụng là mạch chuyển, không đòi hỏi giá trị hiệu điện thế hay
cường độ dòng điện chính xác, chỉ có khoảng chúng rơi vào (cao
hay thấp) là quan trọng
2 Thông tin được lưu trữ dễ dàng Việc lưu trữ không còn phức tạp
nhờ vào một mạch chuyển chuyên dụng, mạch này khóa thông
tin và lưu trữ nó bao nhiêu lâu tùy vào nhu cầu
8 Tính chính xác oà độ tin cậy cao hơn Hệ thống kỹ thuật số tăng độ chính xác bằng cách thêm nhiều mạch chuyển Trong khi đó,
ở thiết bị tương tự, độ chính xác thường bị giới hạn trong 3 hay 4 ký số vì giá trị của hiệu điện thế và dòng điện phụ thuộc trực tiếp vào giá trị mạch điện thành phản, ngoài ra nó còn chịu tác
động bởi các xung nhiều
4 Có thể lập trình hoạt động của hệ thống kỹ thuật số Rất dễ thiết
Trang 1414 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
bằng một tập hợp lệnh gọi là chương trình Khi công nghệ phát
triển, việc này thậm chí còn trở nên dễ dàng hơn Hệ thống tương
tự cũng có thể lập trình, nhưng rất đơn giản và không đa dạng 8 Mạch số ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu Giá trị chính xác của dòng
điện trong mạch không quan trọng đối với hệ thống kỹ thuật số, nên nhiễu rất ít ảnh hưởng đến tín hiệu số, miễn là nhiễu không đủ lớn đến sự phân biệt nổi mức cao hay mức thấp
8 Nhiễu mạch số có thể được tích hợp trên một chip IC Thật ra
sự phát triển vượt bậc của công nghệ -IC cũng mang lại nhiều thuận lợi cho mạch tương tự, nhưng do mạch tương tự khá phức tạp và lại sử dụng những thiết bị không có hiệu quả kinh tế nên không thể đạt được kết quả mức độ tích hợp cao như mạch số Giới hạn của kỹ thuật số
Chỉ có một nhược điểm duy nhất khi ta sử dụng kỹ thuật số, đó là: Thế giới thực là thế giới tương tự
Hầu hết đại lượng vật lý đều có bản chất tương tự, và chính những
đại lượng này thường là đầu vào và đầu ra được một hệ thống theo dõi, xử lý và điều khiển Ví dụ như các đại lượng nhiệt độ, áp suất,
vị trí, vận tốc, mức chất lỏng, tốc độ trôi Chúng ta có thói quen số
hóa các đại lượng này, ví dụ khi nói nhiệt độ đang là 649, thực ra ta đã đưa ra một con số gản đúng cho đại lượng tương tự
Muốn tận dụng kỹ thuật số khi làm việc với đầu vào và đầu ra
dạng tương tự, ta phải thực hiện ba bước: 1 Biến đổi đầu vào tương tự thành dạng số.”
2 Xử lý thông tin số
8 Biến đổi đầu ra dạng số về lại dạng tương tự
Hình 1 là sơ đô khối biểu diễn ba bước nêu trên áp dụng cho hệ
thống điều khiển nhiệt độ Ở đây, nhiệt độ dưới dạng tương tự được
Trang 15BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM.CƠ BẢN 15
số) Kế đến đầu ra số được biến đối trở lại thành đại lượng tương tự
bằng bộ biến đổi số-tương tự (digital to analog converter-DAC) Cuối
cùng, đầu ra tương tự được đưa vào bộ điều khiển để tiến hành điều chỉnh nhiệt độ
Nhiệt đ iét dd Dụng cụ | (Tung ©) ung cu - xa LS , — xely 5
(Tuong tu) — do >ị ADC >{ thiệu số |)
< (Số)
el pao sọ „_ Điểu chỉnh:
y ” | điều khiến PP” - nhiệt độ
HìnhÍ Sơ đỗ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ đòi hỏi thi hành các biến
đổi tương tự/số để cho phép sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số Một ví dụ khác minh họa cho việc biến đổi từ tín hiệu tượng tự sang tín hiệu số là tiến trình thu âm Đĩa CD đã giúp ngành công nghiệp thu âm gặt hái thành công lớn vì chúng là phương tiện thu
phát âm nhạc rất hiệu quả Tiến trình này diễn ra như sau: (1) âm
thanh phát ra từ nhạc cụ hay tiếng người tạo ra một tín hiệu điện thế tương tự ở mi-crô; (2) tín hiệu tương tự này được biến đổi thành
tín hiệu số qua bộ biến đổi tương tự-số; (3) thông tin dạng số được
lưu trữ trên bê mặt của đia CD; (4) trong suốt quá trình phát, dau
phát CD lấy thông tin số từ bề mặt đĩa CD và biến đối thành tín
hiệu tương tự, sau đó khuếch đại và đưa ra loa để truyền đến tai người nghe
Việc phải biến đổi thông tin qua lại giữa dạng tương tự và dạng số có thể xem là khuyết điểm vì nó làm cho thiết bị thêm phức tạp _ và giá thành cao hơn Một nhân tố quan trọng khác là cần thêm thời
gian để thực hiện các biến đổi này Ở nhiều ứng dụng, nhứng bất
lợi nêu trên bị lấn lướt bởi vô số ưu điểm của kỹ thuật số, và do vậy
việc biến đổi giữa các đại lượng tương tự và số đã trở thành chuyện
Trang 1616 KY THUAT SO CAN BAN
Tuy nhiên, vẫn có một số trường hợp chỉ nên sử dụng kỹ thuật
tương tự, vì đơn giản hơn và có hiệu quả kinh tế hơn Ví dụ, dùng mạch tương tự để khuếch đại tín hiệu là giải pháp dễ dàng hơn cả
Để tận dụng ưu thế của cả hai loại, người ta thường dùng cả kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự trong cùng hệ thống Ở những hệ thống
lai ghép này, khâu quan trọng nhất trong giai đoạn thiết kế là quyết
định cho phản nào của hệ thống dùng kỹ thuật tương tự và phản nào
dùng kỹ thuật số
Tương lai là số
Một điều chắc chắn là trong tương lai, hằu hết (nếu không nói là tất cả) lĩnh vực công nghệ đêu có sự tham gia của kỹ thuật số Công nghệ số đã có những bước phát triển phi thưởng Hầu hết gia đình
ở Mỹ đều có máy tính cá nhân, con số tham gia Internet khá cao,
90% máy tính cá nhân có ổ đĩa CD Tất cả thiết bị máy móc đều có
dùng vi xử lý, từ lò nướng bánh, máy điều hòa nhiệt độ, máy trả lời , tự động, VCR, cho đến máy giặt Và tương lai còn hơn thế nữa Ngay dau thế kỹ 21, chiếc khuy cài cổ áo hoặc chiếc hoa tai của bạn có
thể giao tiếp với nhau bằng vệ tỉnh quỹ đạo thấp và có cơng suất
tính tốn cịn hơn cả cỗ máy vì tính hiện tại ở nhà hay ở văn phòng
Điện thoại sẽ có khả năng nhận, sắp xếp, không chừng còn trả lời các cuộc gọi đến chẳng khác chỉ một cô thư ký lành nghề Trẻ em
tha hé thu thập và chia sẽ thông tin với bạn bè khắp năm châu bốn
bể Khi xem TV, chương trình sé được truyền đến chưa đẩy Ì giây
và lưu vào bộ nhớ TV (hoặc máy tính) để bạn xem lúc nào tùy ý Và đó chỉ mới là bề nổi của tảng băng trôi
Kỹ thuật số sẽ tiếp tục phát triển với tốc độ cao trong các lĩnh vực đời sống cũng như sẽ mở ra những hướng mới mà thậm chí con
người chưa hề mơ tới
vw Cau héi 6n tap
Trang 17BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 17 MUC3 CAC HE THONG SO TRONG KY THUAT SO
Có nhiều hệ thống số đếm được sử dụng trong công nghệ số, thông dụng nhất là: hệ thập phân, nhị phân, bát phân, thập lục phân Trong
đó hệ thập phân gan gúi với chúng ta nhất vì nó được ta sử dụng
hàng ngày Tìm hiểu một vài đặc điểm của nó sẽ giúp dễ hiểu những
hệ thống số khác hơn ,
Hệ thập phân
Hệ thập phân (decimai system) bao gôm 10 chữ số hay còn gọi là
10 ký hiệu, đó là 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Dùng chúng như chứ số của một số, ta có thể biểu thị được đại lượng bất kỳ Hệ thập phân, còn gọi là hệ cơ số 70 vì có 10 chữ số, đã phát triển tự nhiên như sự kiện con người có 10 ngón tay Thật vậy, "digit" (ký số) phát sinh
từ từ Latin "finger" có nghĩa là "Ngo tay" ,
Hệ thập phân là một hệ thống theo vi trí, vì trong đó, giá trị của
một chứ số phụ thuộc vào vị trí cửa nó Ví dụ: xét số thập phân 453
Ta biết rằng chữ số 4 biểu thị 4 trăm, 5 biểu thị 5 mươi và 3 là 3
đơn vị Xét bản chất, 4 mang giá trị lớn nhất trong ba chứ số, được gọi là chứ số có nghĩa nhất (MSD) 3 mang giá trị bé nhất, gọi là chứ
số có nghĩa bé nhất (LSD)
Xét ví dụ khác, 27.35 Số này bằng 20 cộng 7 cộng 3/10 cộng 5/100 tức 2x10 + 7xI + 3x0.1 + 5x0.01 Dấu chấm thập phân được sử dụng
để phân chia phần nguyên và phần phân số của một số
Một cách cụ thế hơn, các vị trí tương quan với dấu chấm thập
phân có giá trị diễn đạt theo lũy thừa của cơ số 10 Hình 2 biểu diễn số 2745.214 Dấu chấm thập phân phân tách lũy thừa dương của 10 với lũy thừa âm Số 2745.214 vì thế bằng
(2x1013) + (7x1012) + (4x10) + (5x10) + (2x10)
+ (1x10?) + (4x103)
Nói chung, bất kTgĐjƯRG CÁOĐANGXÝỞTHuậáo tích giứa giá trị của
mỗi chữ số với giá ltrị vịkfíTEBRONG Tf.HỌMs sối của nó
A
Trang 1818 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN Giá trị vị trí (trọng số) ~ N 4 10310210140) 2 © 2 ,yye td HHHEBBHMMEI t Dấu chấm ff MSD thập phân LSD Nình2 ˆ Giá trị vị trí thập phân là lúy thừa của 10 Đếm thập phân
Khi đếm theo hệ thập phân, ta bắt đầu với 0 ở vị trí hành đơn vị, và đếm tăng từng đơn vị cho đến 9 Sau đó thêm số 1 vào vị trí kế tiếp
và quay trở lại số 0 ở hàng đơn vị (10) (xem Hình 3) Quá trình này
tiếp tục cho đến khi đếm đến 99 Ta lại thêm số 1 ở vị trí thứ ba,
Trang 19BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 19 Điều cân lưu ý là, trong phép đếm thập phân, vị trí hàng đơn vị tăng dẫn sau từng bước đếm, vị trí hàng chục tăng sau mỗi 10 bước đếm, vị trí hàng trăm tăng sau mỗi 100 bước đếm, và cứ tiếp tục như thế
Một đặc điểm khác của số thập phân là chỉ cản sử dụng hai chữ số, ta có thể đếm qua 10? = 100 số khác nhau (từ 0 đến 99) Với 3 chữ số ta có thể đếm 1000 số (0 đến 999) Nói chung, với W chữ số
ta có thể đếm qua 10Ÿ số khác nhau, từ 0 đến 10Ẻ - 1
Hệ nhị phân”
Hệ thống số thập phân không phải là công cụ phù hợp cho các hệ
thống kỹ thuật số Ví dụ, rất khó thiết kế một thiết bị điện tử làm việc với 10 mức điện thế khác nhau (mỗi mức đại diện cho một số
thập phân từ 0 đến 9) Ngược lại, rất dễ thiết kế một mạch điện tử
đơn giản, chính xác chỉ làm việc ở hai mức điện thế Vì lý do này, hàu hết thiết bị số đều sử dụng hệ nhị phân làm hệ thống số cơ bản cho các hoạt động của chúng, mặc dù các hệ thống số khác cũng
thường được dùng phối hợp với hệ thống số nhị phân
Trorig hệ thống nhị phân (binary system) chỉ có hai giá trị số là
0 và 1 Mặc dù vậy, hệ nhị phân có thể biểu diễn bất kỳ đại lượng nào mà hệ thập phân và các hệ khác có thể biểu diễn, tuy phải dùng nhiều số nhị phân hơn để biểu diễn đại lượng nhất định
Tất cả phát biểu về hệ thập phân đều có thể áp dụng được cho
- hệ nhị phân Hệ nhị phân: cũng là hệ thống số theo vị trí Mỗi số nhị phan déu có giá trị riêng, tức trọng số, là lũy thừa của 2 Trong Hình
4, phần bên trái dấu chấm nhị phân là lúy thừa dương của 2 và phản bên phải dấu chấm nhị phân là lũy thừa âm của 2
Dé tìm giá trị thập phân tương đương của số 1011.101., ta chỉ việc
tính tổng các tích giữa mỗi số (0 hay 1) voi gia tri vi tri cua nó 1011.101, = (1x2?) + (0x2?) + (1x2) + (1x2 + (1x2)
+ (0x22) + (1x23)
8+0+ 2+ l+05+0+0.125
Trang 2020 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN Giá trị vị trí Los 92 ạ 2A 4 Ị Dấu chấm nhị phân Hìnl4 Giá trị vị trí của số nhị phân là lúy thừa của 2
Lưu ý ở phép toán trước đó, chỉ số 2 và 10 dùng để biểu thị cơ
số cụ thể của hệ số tương ứng, nhằm tránh nhằm lẫn khi cùng lúc
có nhiều hơn mội hệ thống số được dùng
Trong hệ nhị phân, từ binary digit (cha s6 nhi phan) thuong duoc
viết tắt thành từ bịt Xem Hình 4, ta thấy co 4 bit nằm về bên trái dấu chấm nhị phân, biểu thị phản nguyên của số, và có 3 bit nằm
về bên phải bên dấu chấm nhị phân, biểu thị phản phân số của số Bit có nghĩa nhất (MSB) là bít nằm bên trái, ngoải cùng Bit kém nghĩa
nhất (LSB) là bit nằm bên phải ngoài cùng
Đếm nhị phân
Khi xử trí số nhị phân, ta thường bị giới hạn ở số bịt cụ thể Giới hạn này phụ thuộc vào mạch điện dùng để biểu diễn số nhị phân đó Hãy thử sử dụng số nhị phân 4 bit để ìm hiểu phương pháp đếm số
nhị phân
“Trình tự bắt đầu với tất cả các bit đều ở trạng thái 0; điều này gọi là đếm từ zero Cứ mỗi lần đếm, bít có trọng số là 1, tức 2? (hàng đơn vi), sé lat bit: dé là chuyén từ trạng thái 0 qua | hay ngược lại Mỗi lần bit có trọng số là 1 đổi từ 1 sang 0 thì biỨcó trọng số là 2
(2!) sẽ lật bít Mỗi lần bịt có trọng số là 2 đổi từ l sang 0 thì bit có
trọng số là 4 (2?) sẽ lật bit Cứ như vậy, quá trình này sẽ tiếp tục đến
Trang 21BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 21 Trọng số —> 23=8|22=4|21=2|20= 1 Số thập phân tương đương 9 0 0 0 ——> 0 0 0 0 1 —r—*> j 0 0 1 0 i 2 0 0 1 1 ' 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 I 5 0 1 1 0 6 “ 0 1 1 1 7 1 0 0 0 | 8 1 0 0 1 ' 9 1 0 1 0 10 1 0 1 1 | 11 1 1.) 0 0 ị 12 1 0 1 Ị 13 1 1 1 0 ——> - 14 1 1 1 1 ——> 15 † LSB HinhS = Trình tự đếm số nhị phân |
Tĩnh tự đếm nhị phân có một đặc điểm quan trong: bit đơn vị
(LSB) lật bit trong mối bước đếm Bit thứ hai ở trạng thái 0 trong 2: bước, sau đó chuyển qua trạng thái 1 trong hai bước kế tiếp v.v Cũng
như vậy, bit thứ ba ở trạng thái 0 trong 4 bước đếm, sau đó chuyển
qua trạng thái 1 ở 4 bước đếm kế tiếp Bit thứ tư ở trạng thái 0 trong 8 bước đầu và chuyển sang 1 trong 8 bước sau Nếu muốn đếm tiếp, ta thêm bít vào và phép đếm lại tiếp tục với những bit 0 và 1 luân - phiên nhau trong nhóm 2Ÿ-!, Vị dụ, xét bit thứ năm, bit này sẽ ở trạng thái 0 trong 16 bước đếm va l trong l6 bước kế tiếp
Như ta đã biết trong hệ thập phân và điều này cũng đúng trong
hệ nhị phân, đó là nếu sử dụng Ñ bit hoặc W chữ số thì ta có thé đếm được 2Ÿ số Ví dụ, với 2 bit ta có thế đếm được 2” = 4 số (00,
tới 11;) Với 4 bit ta có thể đếm được 2 = 16 số (0000, tới 1111,)
Ở bước đếm cuối cùng, tất cả các bit đều ở trạng thái 1 và bằng
Trang 2222 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN VÍ DỤ 2` Với 8 bit có thể biểu diễn được số lớn nhất là bao nhiêu? Lời giải ON = 28-1 = 255,, = 11111111,
vx Câu hỏi ôn tập
1 Giá trị thập phân tương đương của 1101011,?
2 Số kế tiếp của 10111 „ trong trình tự đếm nhị phân là gì?
3 Giá trị thập phân lớn nhất có thể biểu diễn uới 12 bịt nhị phân là bao nhiêu?
MỤC4 BIẾU DIỄN CÁC BẠI LƯỢNG NHỊ PHÂN
Trong hệ thống kỹ thuật số, thông tin được xử lý đêu biểu diễn ở
dạng nhị phân Bất kỳ thiết bị nào chỉ có hai trạng thái hoạt động
đều có thể biểu diễn được các đại lượng nhị phân Ví dụ, một công tắc chỉ hoạt động ở hai trạng thái là đóng hoặc mở Ta có thể quy định công-tắc mở biểu diễn nhị phân 0 và công tắc đóng biểu diễn
nhị phân 1 Với quy định này ta có thể biểu diễn số nhị phân bất kỳ
Như ở Hình 6(a), trạng thái của các công tắc biểu diễn số 10010
Trang 23
BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠBẢN 23
Có vô số thiết bị chỉ có hai trạng thái hoạt động, hay vận hành ở hai điều kiện đối lập nhau, như: bóng đèn tròn (tối/sáng), đi-ốt
(dẫn/không dẫn), rơ-e (ngắt/đóng), đĩa từ (từ hóa/giải từ), v.v Trong thiết bị điện tử số, thông tin nhị phân được biểu diễn bằng
hiệu điện thế (hay dòng điện) tại đầu vào hay đầu ra của các mạch
Thông thường, số nhị phân 0 và 1 được biểu diễn bởi hai mức điện
thế danh định Ví dụ, 0V có thể biểu diễn nhị phân 0 và +5V biểu diễn nhị phân I1 Trên thực tế, do các biến thể mạch, nên các số 0
hoặc l được biểu diễn bằng một khoảng điện thế quy định nào đó
Như trong Hình 7, điện thế từ 0 đến 0.8V biểu thị nhị phân 0 và điện thế từ 2V đến 5V biếu thị nhị phân 1 Tất cả tín hiệu vào và ra thường sẽ rơi vào một trong hai phạm vi điện thế này, ngoại trừ trong quá
trình chuyển từ mức này qua mức khác
Bây giờ ta xét đến một điểm khác biệt nữa giữa thiết bị số và thiết bị tương tự Trong thiết bị số, giá trị chính xác của hiệu điện
thế không quan trọng Ví dụ trong Hình 7(a), điện thế 3.6V và 4.3V có ý nghĩa như nhau Nhưng ở thiết bị tương tự, giá trị chính xác của
điện thế rất quan trọng Ví dụ nếu điện thế tỉ lệ với nhiệt độ đo được thì 3.6V sẽ chỉ ra một nhiệt độ khác với.4.3V Nói cách khác, giá trị
điện thế chuyển tải thông tin có nghĩa Đặc điểm này cho thấy thiết kế một mạch tương tự có độ chính xác cao thường khó hơn thiết kế mạch số rất nhiều, bởi lê giá trị hiệu điện thế chính xác luôn bị ảnh , hưởng bởi các biến thể trong giá trị thành phản, nhiệt độ, nhiễu (tức
đao động điện thế ngẫu nhiên) Tin hiệu số và sơ đồ thời gian
Hình 7(b) biểu diễn một tín hiệu số tiêu biểu và cách thức nó thay
đổi qua thời gian Thực ra đây là đô thị biểu diễn hiệu điện thế theo thời gian () và được gọi là sơ đồ thời gian (timing diagram) Thang thời gian là trục hoành và có gốc tọa độ tại /,„, kế đến là £,, í; Trong ví dụ sơ đồ thời gian ở đây, tín hiệu bắt đâu tại 0V (nhị phân 0) tại thời điểm /¿ và giữ nguyên đến í, Tại /,, tín hiệu chuyển lên 4V (nhị
phan 1) Tại ¿,, tín hiệu lại chuyến xuống mức 0V Những bước chuyển
Trang 2424 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN , Volts 1 1 4V VỊ - 2 Không 0,8VI——— sử dụng ovL- Mhipháno ovLO ” L° >t (a) (b) Hinh7 = (a) Các mức điện thế tiêu biểu trong thiết bị số; (b) sơ đồ định thời tín hiệu số điển hình
Sự chuyển tiếp trong sơ đô thời gian được vẽ ở dạng đường thẳng đứng, thế nên có vẻ như chúng chuyển tiếp tức khắc, tuy trong thực tế lại không như vậy Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, thời gian chuyển quá ngắn so với thời gian giứa các lần chuyển tiếp, đến độ ta có thể biểu diễn chúng ở dạng đường thẳng đứng trong sơ đô Sau này ta sẽ gặp những tình huống đòi hỏi biểu diễn các bước chuyển tiếp chính xác hơn trên thang thời gian mở rộng '
Sơ đồ thời gian được dùng để biếu diễn sự thay đổi theo thời gian
của lín hiệu số, đặc biệt là biểu điễn mối quan hệ giữa hai hay nhiêu
tín hiệu số trong cùng mạch hay hệ thống Bằng cách hiến thị một hay nhiều tín hiệu số trên máy hiện sóng (oscilloscope) hay máy phân
tích lô-gic (logic analyzer), ta có thể so sánh các tín hiệu qua so dé
thời gian của chúng Đây là khâu quan trọng trong thủ tục kiểm tra
và xử lý sự cố ở thiết bị số
MUC 5 MACH SO/MACH LOGIC
Mạch số (digital circuit) được thiết kế để tạo điện thế đầu ra rơi vào các khoảng điện thế 0 và I như minh họa ở Hình ? Bên cạnh đó,
mạch số còn được thiết kế để đáp ứng theo đúng dự kiến các mức điện thế đầu vào rơi vào khoảng điện thế 0 và 1 Điều này có nghĩa mạch số sẽ đáp ứng như nhau cho mọi mức điện thế đầu vào rơi vào khoảng 0 cho phép (0V-0.8V); tương tự, nó không phân biệt nổi các mức điện đầu vào nằm trong khoảng l cho phép (2V-5V)
Trang 25BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM COBẢN 25
Hình 8 minh họa một mạch số tiêu biểu có đầu vào ø, và đầu ra
ø¿„ Đầu ra ở đây ứng với hai dạng sóng tín hiệu đầu vào khác nhau
Lưu ý rằng 0¿ như nhau ở cả hai trường hợp, do hai dang song dau
vào, tuy khác nhau ở mức điện thế chính xác, nhưng lại ở cùng mức nhị phân Trường hợp 1 5V Vị 0V em 4V oO ` 0V Vị ——®> Mạch số |—> ve Trường hợp 3.7V Vị 0.5V ——————>|† 4V Vo ›
Hinh8 Mạch số đáp ứng theo mức nhị phân-(0 hoặc 1) của đầu vào chứ không
đáp ứng theo mức điện thế thực tế của nó
Mạch logic
Cách thức mạch số đáp ứng một đầu vào được goi la logic cua mach
Mỗi loại mạch số phải tuân theo tập hợp quy tắc logíc nhất định Vì
lý do này, mạch số cũng được goi la mach logic (logic circuit) Ta sẽ nghiên cứu tất cả các loại mạch logic đang được sử dụng
trong thiết bị số Đầu tiên, ta chỉ tập trung vào hoạt động logic do mạch logic thi hành - tức là mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của
Trang 2628 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
Mạch tích hợp số
Hàằu hết mạch số trong các hệ thống số hiện đại đều là mạch tích
hợp (IC) Tính đa dạng của các IC logic cho phép lắp ráp các thiết bị số phức tạp ở kích cỡ nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn và độ tin cậy cao
hơn các thiết bị rời rạc tương ứng
Nhiều công nghệ chế tạo mạch tích hợp được áp dụng để sản xuất IC số, phổ biến nhất là TTL, NMOS, CMOS, và ECL Mỗi loại khác nhau ở kiểu mạch dùng để cung cấp hoạt động logic mong muốn Ví dụ, TTL (Transistor-Transistor Logic) dùng transistor lướng cực làm
phần mạch chính cuia no, trong khi CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) sử dụng MOSFET ở chế độ tăng cường
làm phản mạch chủ yếu Ta sẽ nghiên cứu thêm nhiều loại công nghệ
IC, đặc điểm, các ưu khuyết điểm của chúng sau khi đã hiểu rõ các loại mạch logic căn bản
yt Câu hỏi on tap
1 Đúng hay Sai: Giá trị chính xác của điện thế đâu uào rất quan
trọng trong mạch số
2 Mạch số có thể tạo hiệu điện thế đâu ra như nhau cho các mức điện thế đâu oào bhác nhau hay không?
3 Mạch số còn được gọi là mạch
4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của một hay nhiêu tín hiệu số theo thời gian được gọi là
MUC6 TRUYEN SONG SONG VÀ TRUYEN NOI TIEP
Một trong những hoạt động thường xảy ra nhất trong hệ thống số là
việc truyền thông tin từ nơi này sang nơi khác Thông tin có thể chỉ,
truyền qua một khoảng cách rất ngắn, khoảng I phản inch trên cùng bảng mạch, hay truyền đi rất xa qua nhiều dặm như trong hoạt động giao tiếp của máy tính ở những công ty nằm khác thành phố Thông
Trang 27BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 27
"Hình 9 minh họa hai phương pháp cơ bản để truyền thông tin số:
song song (paralell) và nối tiếp (serial) (MSB) A,L>e' >| Ba Ag | pe —> Bg Mach AsL>e_ 1 Bo Mach Ay — >B¿ Ag L>eẹt > Bo (LSB) Truyén song song (a) Mach Mach A B- A »|B cu L IN 1 1 1 Aout 4 | Truyền nối tiếp (b)
Hinh$ (a) Truyén song song sử dụng một đường truyền cho mỗi bịt, và tất cả các bit được truyền cùng lúc; (b) truyền nối tiếp chỉ sử dụng một đường truyền và từng bit riêng lẻ được truyền nối tiếp nhau (mỗi lần một bit)
Trang 2828 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
Hình 9(a) minh họa cách truyền số nhị phân 10110 từ mach A sang mach B theo đường truyền song song Mỗi bit của số nhị phân này được biểu diễn bởi một trong những đầu ra của mạch A, với đầu ra
A, là MSB va A, la LSB Mỗi đầu ra của mạch A được nối với một dầu vào tương ứng của mạch ð, vì vậy cả 5 bit thông tin đều được
truyền cùng lúc (song song)
Trong Hình 9%), chỉ có một dây nối từ mạch A đến mạch 8 khi áp dụng phương pháp truyền nối tiếp Ở đây, đầu ra của mạch A sẽ tạo một tín hiệu số có mức điện thế thay đổi theo số nhị phân đang được truyền Đây là cách thông tin truyền đi mỗi lần một bit (nối tiếp) qua một đường truyền tín hiệu Sơ đô thời gian trong Hình 9(b) minh họa sự thay đối của tín hiệu theo thời gian Trong khoảng thời gian đầu tiên, 7ạ, tín hiệu ở mức 0; trong khoảng thời gian 7¡, tin hiệu ở mức 1, và cứ như vậy
Theo nguyên lý truyền nối tiếp và song song, tốc độ truyền là một trong những lý do để chọn phương pháp truyền nối tiếp hay song song cho mạch Dứ liệu truyền từ phần này qua phần khác của thiết bị sẽ nhanh hơn nhiều khi ta dùng phương pháp truyền song song, vì tất cả các bit đều được truyền cùng lúc Trong khi đó, phương pháp nối tiếp mỗi lần chỉ truyền được một bit Tuy nhiên, truyền song song đòi hỏi nhiều đường truyền tín hiệu giữa mạch gửi và mạch nhận dữ liệu nhị phân hơn sơ với truyền nối tiếp, có nghĩa là truyền song song luôn nhanh hơn, còn truyền nối tiếp thì tốn ít đường truyền hơn
Y Cau hỏi ôn tập
1, Mô tả ưu điểm của phương pháp truyền dữ liệu nhị phân nối tiếp
od song song
MUC7 THUỘC TÍNH NHỨ
Khi một tín hiệu đầu vào được áp vào hầu hết thiết bị hay mạch,
đầu ra sẽ hơi thay đổi để đáp ứng đầu vào, và khi tín hiệu đầu vào
Trang 29BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 29
- có thuộc tính nhớ Trong mạch số có thuộc tính nhớ, khi tín hiệu
đầu vào được áp vào mạch, đầu ra sẽ thay đối trạng thái để đáp ứng
đầu vào, nhưng đầu ra sẽ giữ nguyên trạng thái đáp ứng này ngay
cả khi đầu vào đã bị xóa đi Thuộc tính lưu giữ trạng thái đáp ứng
một đầu vào tức thời gọi là tính nhớ (memory) Hình 10 biểu diễn hoạt động ở mạch nhớ và mạch không nhớ l Mạch Ắ | | » không nhớ ™ | | tL Leh Hinh 10 So sánh hoạt động ở mạch nhớ và mạch không nhớ
Mạch nhớ và thiết bị nhớ đóng vai trò rất quan trọng trong hệ
thống kỹ thuật số, bởi vì chúng cho phép lưu trữ số nhị phân hoặc
tạm thời hoặc lâu dài, với khả năng thay đổi thông tin lưu trữ bất cứ lúc nào
MUCS MAY TINH KY THUAT SO
Kỹ thuật số đã thâm nhập vào vô số lĩnh vực công nghệ, nhưng tác
động nhiều nhất đến lĩnh vực máy tính kỹ thuật số tự động (máy
tính) Mặc dù máy tính kỹ thuật số ảnh hưởng rất nhiều đến đời sống
con người, nhưng còn ít người trong chúng ta biết chính xác máy tính làm việc như thế nào Nói một cách đơn giản, máy tính là một hệ
thống phân cứng thi hành các phép toán số học, thao tác dữ liệu (thường là dưới dạng nhị phân), uà đưa ra quyết định
Nói chung thì con người có thể làm được bất kỳ điều gì mà máy tính có thể làm, nhưng máy tính lại làm những điều này với tốc độ
và độ chính xác cực cao, mặc dù chúng thực hiện phép tính và thao tác theo từng bước mội Ví dụ, con người lấy danh sách 10 số và m
Trang 3030 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
lại, máy tính chỉ cộng được mỗi lằn 2 số, chính vì vậy việc cộng danh sách số này phải được thực hiện đến 9 bước Tất nhiên, việc máy _tính chỉ cần chưa đến 1 micrô giây để thực hiện 1 bước đã đủ bù
đắp cho tính kém hiệu quả ở phương pháp thực hiện
Máy tính làm việc nhanh hơn và chính xác hơn con người Nhưng không như con người, máy tính cần được cài các lệnh để chỉ ra một cách chính xác việc cần làm tại mỗi bước của tác vụ Tập hợp lệnh này, gọi là chương trình (progfam), được một người hay nhiều người soạn thảo cho mỗi công việc mà máy tính phải làm Chương trình được đặt trong bộ nhớ của máy tính dưới dạng má nhị phân, với mỗi
lệnh có một mã duy nhất Máy tính lấy mỗi làn một mã lệnh từ bộ
nhớ, và thực hiện tác vụ do mã lệnh quy định - Những bộ phận chính của máy tính
Có rất nhiều loại hệ thống máy tính, nhưng chúng đêu có chung các
đơn vị thành phần cơ bản Mỗi đơn vị thực hiện một chức năng riêng biệt, và tất cả đơn vị hợp lại với nhau để thực hiện lệnh chương trình Hình I1 mô tả 5 đơn vị chính của máy tính kỹ thuật số và sự phối
hợp của chúng Đường liền nét chỉ đường đi của dữ liệu và thông tin, đường đứt nét chỉ đường đi của tín hiệu điều khiển và tín hiệu định thời | CPU Bộ xử lý trung tâm ALU 1
Dữ liệu, aos Bộ 2 Dữ liệu,
Trang 31BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 31
Chức năng của mỗi đơn vị là:
1 Đơn vị đầu vào (input unit) Thong qua đơn vị này, một tập lệnh
hoàn chỉnh được đưa vào máy tính và vào bộ nhớ để lưu trữ khi cản thiết Thông tin đi vào đơn vị đâu vào từ bàn phím hay đĩa
2 Bộ nhớ (memory unit) Bộ nhớ lưu trữ lệnh và dữ liệu nhận được
từ đơn vị đầu vào; lưu trữ các kết quả tính toán nhận được từ ALU Ngoài ra nó cũng cung cấp thông tin cho đơn vị dau ra
3 Bộ điều khiển (control unit) Bộ điều khiển lấy mỗi lần một lệnh từ bộ nhớ, và giải mã lệnh đó Sau đó nó gửi các tín hiệu tương ứng đến tất cả đơn vị khác để cho một lệnh cụ thể được thi hành
4 Bộ số học/logic (arithmeticlogic unit - ALU) Tất cả phép toán
số học và quyết định logic đều được thực hiện trong đơn vị này
Sau đó kết quả được đưa đến bộ nhớ để lưu trữ
8 Đơn vị đầu ra (output) Đơn vị này lấy dữ liệu từ bộ nhớ và in ra,
hiển thị, hay xử lý, trong trường hợp máy tính điều khiển xử lý
Bộ xử lý trung tam (CPU)
Như minh họa ở Hình 11, bộ điều khiển và bộ số học/logic thường được xem như một đơn vị, gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) CPU chứa tất cả mạch cho phép tìm nạp và giải mã lệnh, cho phép điều
khiến và thi hành các tác vụ do lệnh yêu cầu
CÁC LOẠI MÁY TÍNH Tất cả máy tính đều cấu thành bởi các đơn
vị cơ bản đã nêu trên, nhưng cúng có thể khác nhau về kích cỡ vật
lý, tốc độ hoạt động, dung lượng nhớ, cơng suất tính tốn, cũng như
các đặc điểm khác Máy tính được phân loại theo kích cớ vật lý Có 3 loại máy tính cơ bản: máy vi tinh (microcomputer), mdy tinh mini
(minicomputer), mdy tinh lén (mainframe) Do may vi tính ngày càng mạnh mẽ, nên sự phân biệt giữa máy vi tính và máy tính mini giờ đây không còn nữa Người ta chỉ phân biệt hai loại, đó là loại nhỏ - loại để bàn hoặc xách tay - và máy tính lớn - loại có kích thước rất
Trang 3232 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN
Microcomputer là loại máy tính nhỏ nhất Nó thường sử dụng rất
nhiều chíp ïC, bao gồm: một chip vi xử lý (microprocessor), các chip
nhớ, chíp giao diện nhập/xuất cho mỗi thiết bị vào/ra, như bàn phím, màn hình, máy ín, ổ đĩa Máy vi tính phát triển nhờ vào vô số cải
tiến trong công nghệ chế tạo IC, cho phép tích hợp ngày càng nhiều mạch số trong một con chip nhỏ Ví dụ, chip vi xứ lý chứa tất cả các
mạch tạo nên CPU của máy tính
Chúng ta đã nhẫn mặt các loại máy vi tính của hãng IBM hay Apple Macintosh Tùy thuộc vào phản mềm (tức chương trình) chạy trên
máy tính mà nó có thể thi hành đủ loại tác vụ trong những ứng dụng khác nhau Có một loại máy vi tính chuyên dụng hơn, gọi là
microcontroller (bộ vi điều khiển) Đây không phải là loại máy tính đa dụng, nó được thiết kế để dùng như một bộ điêu khiển chuyên dụng Bộ điều khiển này giúp người ta quan sát và điều khiển hoạt động của máy móc, thiết bị hay một tiến trình Bộ vi điều khiển là
máy vi tính, vì nó cúng sử dụng một chip vi xử lý như CPU, nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với máy tính đa dụng, vì thiết bị vào/ra của nó thường rất nhỏ Thực vậy, thiết bị vào/ra, cúng như bộ nhớ, được tích hợp trên cùng con chip vi xử lý
Những bộ vi điều khiển một chip này được sử dụng rộng rãi trong
nhiều ứng dụng điều khiển như điều khiển thiết bị gia dụng, VCR (đâu video), máy phỏtocopy, các thiết bị y khoa, v.v
ve Cau hoi on tap
1 Trình bày sự khác nhau gitta mach nhé va mach kkéng nho 2 Kể tên 5 đơn 0ị chức năng chính của một máy tính,
3 Hai đơn 0ị nào cấu thành CPU?
_4 Một chíịp IC chứa một CPU được gọi là
TÓM TẮT
1 Hai cách biểu diễn gi tri của đại lượng vật lý là tương tự (liên
Trang 33BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 33
2 Hau hét dai lượng trong thực tế đều ở dạng tương tự, nhưng kỹ thuật số nói chung siêu cấp hơn kỹ thuật tương tu, va -hau hết tiến bộ công nghệ đều tập trung vào lãnh địa kỹ thuật số 8 Hệ thống số nhị phân -(0 và 1) là hệ thống số cơ bản dùng trong
kỹ thuật số
4 Mạch số và mạch logic vận hành trên những mức điện thế nằm trong các khoảng quy định biểu diễn hoặc 0 nhị phân hoặc ] nhị phân
5 Hai cách cơ bản để truyền dữ liệu số là song song (tất cả các bit được truyền cùng lúc) và nối tiếp (các bit được truyền lần
lượt)
8 Các bộ phận chính của máy tính là đơn vị đầu vào, bộ điều khiến, bộ nhớ, bộ số học/logic và đơn vị đầu ra
7 Kết hợp bộ số học/logic và bộ điều khiển tạo thành CPU (bộ xử
lý trung tâm)
8 Máy ví tính có CPU trên một con chip đơn lẻ gọi là bộ vì xử lý
9 Bộ vi điều khiến là mội máy vi tính được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điêu khiển chuyên dụng
CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG
_analog representation : dạng biểu diễn tương tự
digital representation :.dạng biểu diễn số digital sysfem : hệ thống kỹ thuật số analog system : hệ thống tương tự
analog-to-digital converter (ADC) : bộ biến đổi tương tự-số (ADC) digital-to-analog converter (DAC) : bộ biến đổi số-tương tự (DAC)
decimal system : hệ thống số thập phân binary system : hệ thống số nhị phân
Trang 3434 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN parallel serial digital computer program input unit memory unit contro} unit arithmetic/logic unit (ALU) output unit central processing unit (CPU) microcomputer microprocessor microcontroller BAI TAP : song song : nối tiếp : máy tính số : chương trình : đơn vị đầu vào : bộ nhớ : bộ điều khiển : bộ số học/logic (ALU) : đơn vị đầu ra : bộ xử lý trung tâm (CPU) : máy vi tính : bộ vỉ xử lý : bộ vi điều khiển MỤC 2 1 Đâu là đại lượng tương tự và đâu là đại lượng số trong số dưới đây:
(a) Tổng số nguyên tử trong một mẫu vật chất
(b) Độ cao của máy bay (c) Áp suất trong lốp xe (d) Dòng điện qua loa
Trang 35MỤC 4
MỤC 6
BÀI 1: CÁC KHÁI NỆM CƠBẢN 25
Sử dụng 6 bit, thực hiện trình tự đếm nhị phân từ 000000, đến
11111,
Dùng 10 bit, cho biết số lớn nhất có thé đếm được?
Cần bao nhiêu bit để đếm được đến 511?
Vẽ sơ đồ thời gian biểu diễn một tín hiệu số biến đổi liên tục
giữa 0.2V (bit 0) trong 2ms và 4.4V (bit 1) trong 4ms
Giả sử ta phải truyền các giá trị nguyên thập phân từ 0 đến l5
(a) Nếu truyền song song cần phải có bao nhiêu đường truyền? (b) Nếu truyền nối tiếp thì cần bao nhiêu đường?
MỤC 7 VÀ 8
Bộ vi xử lý khác với máy vi tính như thế nào? "Bộ vi điều khiển khác với máy vi tính như thế nào? ĐÁP ÁN CÂU HỎI ÔN TẬP MỤC 1 1 MỤC 2 1 MỤC 3
Đại lượng tương tự có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong một khoảng liên tục; đại lượng số chỉ nhận những giá trị roi rac
Ưu điểm của kỹ thuật số: dễ thiết kế hơn, dễ lưu trữ thông tin hơn, độ chính xác và độ tin cậy cao hơn, ít bị tác động bởi nhiễu
hơn; mức độ tích hợp cao hơn
Han chế chủ yếu của kỹ thuật số: tất cả đại lượng vật lý trong
thực tế đều ở dạng tương tự
Trang 3636 KY THUAT SO CAN BAN MUC 5 1 Sai 2 Được Với điều kiện cả hai mức điện thế đầu vào đều nằm chung khoảng mức logic 8 Logic 4 Sơ đỏ thời gian MỤC 6 1 Truyền song song nhanh hơn, truyền nối tiếp chỉ cần một đường truyền MỤC 8
1 Mạch nhớ có đầu ra thay đổi được và giữ lại trạng thái thay đối
đáp ứng lại thay đối ở tín hiệu vào
? Đơn vị đầu vào, đơn vị đâu ra, bộ nhớ, bộ số học/logic, bộ điều khiển 8 Bộ điều khiển và bộ số học/logïc 4 BỘ vi xử lý ĐÁP ÁN BÀI TẬP 1 (a) 25 (b) 9.5625 - (c) 1241.6875 4 1023 8, 9 bịt — 44V — 02V 2ms 4ms 2ms
Trang 37
Bài 2
Cac hé thong so dém va ma
O DE CUONG
MUC 1 Đổi từ nhị phân sang thập phân MỤC 2_ Đối từ thập phân sang nhị phân MỤC 3 Hệ thống sốbátphân - MỤC 4 Hệ thống số thập luc phan (hex) MUC5 Ma BCD MỤC 6 Phối hợp các hệ thống số MỤC 7 Byte MUC 8 Mã chữ-số MỤC 9_ Kiểm lỗi bằng phương pháp chẳn-lẻ MỤC 10 Ôn tập O MỤC ĐÍCH
Sau khi hồn thành bài học này, bạn có thể:
e Thực hiện các phép đổi qua lại giữa hệ thập phân và nhị phân
e Nắm được những ưu điểm của hệ thống số bát phân và thập lục phân
« Đối từ bát phân hay thập lục phân sang nhị phân hay thập phân
Trang 3838 ‘KY THUẬT SỐ CĂN BẢN
e Hiểu rõ sự khác biệt giữa mã BCD và mã nhị phân thông thường _e Hiểu rõ sự cần thiết của mã chữ-số, đặc biệt là mã ASCH
e Kiểm lỗi bằng phương pháp chẳn-lẻ
e Xác định tính chắn, lẻ (lẻ hay chắn) của dứ liệu số
O GIGI THIEU
Hệ thống số nhị phân có vai trò quan trọng nhất trong các hệ thống
số, tuy nhiên các hệ khác cũng rất quan trọng Hệ thập phân quan
trọng vì được dùng để biểu diễn các đại lượng bên ngoài thiết bị số
Vậy sẽ có trường hợp giá trị thập phân phải được đổi thành nhị phân
trước khi đưa vào thiết bị Ví dụ, khi bạn gõ số thập phân vào máy vi tính (hay máy tính bấm), hệ mạch bên trong thiết bị sẽ đổi số thập `
phân này sang giá trị nhị phân
Tương tự, cũng có trường hợp giá trị nhị phân tại đầu ra của › thiết
bị số phải được biến đổi thành thập phân trước khi hiển thị ra ngoài
Ví dụ, máy tính sử dụng số nhị phân để tính toán sau đó phải biến đổi kết quả thành số thập phân để hiển thị ra ngoài
Ngoài hệ thập phân và nhị phân, còn có hai hệ thống số khác rất thông dụng trong thiết bị số Hệ bát phân (octal) (cơ số 8) và thập lục phan (hexadecimal) (co s6 16) déu được sử dụng cho cùng mục đích: biểu diễn số nhị phân lớn Ta sẽ thấy cả hai hệ này đều dé
chuyển thành số nhị phân
Trong một thiết bị số, có thể dùng cùng lúc ba, bốn"hệ thống số Chính vì vậy, để hiểu thiết bị hoạt động như thế nào, cần phải có kha nang chuyển đối giữa các hệ thống số Khá năng này rất can
thiết khi nghiên cứu bộ vi xử lý
Ở đây cúng giới thiệu một vài loại mã nhị phân dùng để biểu diễn đủ loại thông tin Tuy chúng cúng sử dụng các ký số 1 và 0, nhưng
Trang 39BÀI 2: CÁC HỆ THỐNG SỐ ĐẾM VÀ MÃ 39
MỤC 1 ĐỔI TỪ NHỊ PHÂN SANE THẬP PHÂN
Như đã nêu ở bài học trước, hệ nhị phân là một hệ đếm theo vị trí
Mỗi ký số nhị phân (bit) có một trọng số dựa trên vị trí của nó tương quan với LSB Bất kỳ số nhị phân nào cúng đều có thể đổi thành số
thập phân tương đương bằng cách cộng các trọng số tại những vị trí : có bịt 1 Ví dụ: 1 1 0 1 l, , (nhị phân) 22 +22 +0 + 21+ 20 =16+8+2+1 = 27s (thập phân) Thử một ví dụ khác với số bit lớn hơn: 1 0 1 1 0 1 0 1, = 2+0 + 2 +2 +0 + 2+ OF 2 = 181,
Chú ý rằng thủ tục là tìm trọng số (tức lúy thừa của 2) ở mỗi vị - trí chứa bit 1, rồi cộng chúng lại với nhau Cũng chú ý rằng MSB có trọng số là 2” mặc dù nó ở vị trí thứ 8; bởi vì LSB là bit đầu tiên và
có trọng số là 20,
# Câu hỏi ôn tập
1 Đối 100011011011, sang số thập phân tương đương
2 Trọng số của MSB trong số 16 bít là bao nhiêu?
MỤC 2 _ ĐỔI TỪ THẬP PHÂN SANG NHI PHAN
Có hai cách chuyển đối một số thập phân sang số nhị phân tương
đương Phương pháp thứ nhất đi ngược lại quá trình đối từ nhị phân
Trang 4040 KỸ THUẬT SỐ CĂN BẢN Chú ý rằng, 0 được ghi vào các vị trí 2!:và 2! vì tất cả vị trí đều phải được tính Ví dụ khác: | 76, = 64+8+4=22+0+0 + 2 +27 +0 + 0 =1 00 t 1 0 8 Lặp lại phép chia |
Cách thứ hai giúp chuyển đổi số nguyên thập phân là dùng phương
pháp lặp lại phép chia cho 2 Ví dụ, với số thập phân 25,,, ta thuc
hiện phép chia số này cho 2 và ghi lại số dư sau mỗi lần chia cho đến khi thu được thương số bằng 0 Lưu ý rằng, kết quả nhị phân hình thành bằng cách viết số dư đâu tiên là LSB và số dư cuối cùng là MSB : 2 = 12+ dul 0 1 2
- Tiến trình này, biểu diễn bằng lưu đô ở Hình 1, cúng có thể dùng để
chuyển đổi từ hệ thập phân sang bất kỳ hệ thống số nào khác Nếu dùng máy tính bấm thực hiện phép chia cho 2, có thể lấy số dư bằng cách lưu ý xem thương có phản thập phân hay không Ví
dụ: 25/2 = 12.5; với 5 cho thấy số dư là 1 Voi 12/2 = 6.0 thì số dư