Bộ logic và số học

69 Bài 6: bộ logic và số học (Arithmetic and Logic Circuits) A. Phần tóm tắt lý thuyết Bộ logic và số học (ALU) là một mạch tổ hợp, thực hiện một số thuật toán logic và số học. Cấu tạo ALU bao gồm 1 bộ hợp kênh có các lối vào là các mạch thực hiện các thuật toán số học hoặc logic . Các đầu chọn S 0 , S 1 của hợp kênh làm nhiệm vụ chọn 1 thuật toán nào đó đợc thực hiện và cho kết quả ở lối ra của hợp kênh . Dới đây là một ví dụ về ALU 1 bit. Bằng 2 đầu chọn lọc S 0 , S 1 của hợp kênh 4 lối vào ta thực hiện đợc 1 thuật toán số học và 3 thuật toán logic : , Q 1 , Q 2 , Q 3 cho hai số nhị phân 1 bit . Hoạt động của bộ ALU này tuân theo bảng chân lý dới đây. Thuật toán số học nhờ mạch FA, các thuật toán logic nhờ cửa AND, OR và EXOR. Hợp kênh vào 4 ra 1 với hai đầu chọn lọc S 0 , S 1 sẽ dẫn thuật toán nào đến đầu ra Q. S 1 S 0 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 0 x x x 0 1 x x Q 1 x 1 0 x Q 2 x x 1 1 Q 3 x x x Q 1 Q 2 Q 3 Q Q3=AB+AB Q2=A+B Q1=A.B S0 S1 Ci B A 74LS153 I3a I2a I1a I0a S1 S0 I3b I2b I1b I0b Ea Eb Ya Yb FA Ci A B S Co 70 Bộ logic số học 4 bit 74LS382 thuộc họ 74. Với 3 đầu vào chọn lọc S 0 , S 1 , S 2 ta có thể thực hiện đợc 8 thuật toán cho hai số nhị phân 4 bit: (A = A 3 A 2 A 1 A 0 và B = B 3 B 2 B 1 B 0 ). ở đây kể cả hai thuật toán CLEAR (F = 0000) và PRESET (F = 1111) thì tổng số thuật toán thực hiện đợc là 8. C i dùng cho phép tổng , i C dùng cho phép hiệu. C 0 là đầu chuyển đi cho cả bộ ALU này (Carry in = C i , Carry out = C 0 ). F 3 , F 2 , F 1 , F 0 là các đầu ra chức năng. OVR là đầu ra vợt thang (OVERFLOW). Đầu ra OVR báo rằng kết quả của thuật toán số học hoặc lớn hơn +7 hoặc bé hơn 8. Minus : bớt đi hoặc trừ đi Plus : thêm vào hoặc cộng vào. BA : A hoặc tuyệt đối B A + B : A hoặc B A . B : A và B. Ví dụ: 0011 1010 0123 0123 == == BBBBB AAAAA = =+ = = 0010. 1011 0111min 1101 BB BA BusA BplusA Phép toán 8 bit: Với mỗi ALU 74LS382 ta thực hiện đợc các thuật toán hai số nhị phân Đầu vào S 2 S 1 S 0 Chức năng 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 F = 0000 (clear) F = B minus A minus 1 plus C i F = A minus B minus 1 plus C i F = A plus B plus C i F = A B F = A + B F = A . B F = 1111 (preset) A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over 74LS382 71 4-bit . Muốn thực hiện các thuật toán với hai số nhị phân 8bit. A = A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 và B = B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 thì phải ghép nối tiếp 2 ALU 74LS382. Ta làm nh sau: ADD/SUB C i là đầu chuyển vào của tầng thứ nhất. Đầu chuyển ra C 01 của tầng thứ nhất nối với đầu chuyển vào C i tầng thứ hai. Các đầu chọn S 0 , S 1 , S 2 mắc song song. Kết quả F là một số nhị phân 8-bit : 01234567 FFFFFFFFF = C 02 là đầu chuyển ra của tầng thứ hai. Co F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 SUB/ADD S0 S1 S2 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over 74LS382 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over 74LS382 72 B. Phần thực nghiệm 1. Nghiên cứu hoạt động của ALU 74LS382 ở phần này ta nghiên cứu hoạt động của bộ logic số học 74ls382. Ngoài ra sinh viên còn có thể tự nghiên cứu sự hoạt động của ALU 74ls181 ở địa chỉ: [Digital By Function/Arithmetic/74ls181]. Đây là bộ logic số học có thể thực hiện đợc 16 thuật toán. Sơ đồ thí nghiệm: S0 0V S1 0V S2 0V F0 F1F2F3C0 Ci 0V B3 0V B2 0V B1 0V B0 0V A3 0V A2 0V A1 0V A0 0V 74LS382 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 01 ALU 74ls382 [User defined/Macro/74ls382] 12 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 05 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) Bớc 2: Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào nh sau: A = 5 (10) = 0101 B = 6 (10) = 0110 Bớc 3: 73 - Bằng cách thay đổi các giá trị của S 0 , S 1 , S 2 để thực hiện các thuật toán khác nhau. Điền đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: Đầu ra Đầu vào C i = 0 C i = 1 S 2 S 1 S 0 Over C 0 F 3 F 2 F 1 F 0 Over C 0 F 3 F 2 F 1 F 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 - Giải thích kết quả thu đợc. 2. Thực hiện các phép toán với 2 số nhị phân 8 bit sử dụng ALU 74LS382 Mục đích là ta ghép 2 bộ ALU 4 bit (74LS382) để thực hiện các phép toán 2 số nhị phân 8 bit Sơ đồ thí nghiệm: ALU thứ hai ALU thứ nhất S0 0V S1 0V S2 0V A4 0V A5 0V A6 0V A7 0V B4 0V B5 0V B6 0V B7 0V Ci 0V B3 0V B2 0V B1 0V B0 0V A3 0V A2 0V A1 0V A0 0V Co F7 F6 F5 F3 F2 F1 F0 F4 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over 74LS382 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 Ci S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Over 74LS382 74 Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 02 ALU 74ls382 [User defined/Macro/74ls382] 20 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 09 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) Bớc 2: a. Thực hiện phép tổng 2 số nhị phân 8 bit: A = 57 10 , 28 10 . - Chuyển 2 số A = 57 10 và B = 28 10 sang hệ nhị phân: A = A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 = ( ) 2 B = B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 = ( ) 2 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: S 2 S 1 S 0 C i1 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 C 02 F 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 0 0 1 1 0 0 1 1 1 - So sánh kết quả: F = 57 10 + 28 10 = ( ) 10 F = F 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 0 = ( ) 2 b. Thực hiện phép hiệu 2 số nhị phân 8 bit: A = 57 10 , 28 10 . - Chuyển 2 số A = 57 10 và B = 28 10 sang hệ nhị phân: A = A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 = ( ) 2 B = B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 = ( ) 2 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: S 2 S 1 S 0 C i1 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 C 02 F 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 0 0 1 0 1 0 0 1 1 75 - Hãy giải thích kết quả trên: c. Thực hiện thuật toán logic A B với A = 57 10 , 28 10 . - Chuyển 2 số A = 57 10 và B = 28 10 sang hệ nhị phân: A = A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 = ( ) 2 B = B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 = ( ) 2 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: S 2 S 1 S 0 C i1 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 B 0 C 02 F 7 F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 0 1 0 0 0 1 0 0 1 - Hãy kiểm tra lại kết quả trên. 3. Kiểm tra kiến thức Hãy thiết kế mạch có sơ đồ sau: Chứng minh nó là ALU 4 bit hoạt động theo bảng chân lý sau: 76 S 1 S 0 C 1 F 0 0 0 F = B 1 0 0 F = B 0 1 0 F = A plus B 1 1 1 F = A minus B Ghi chú: Bộ tổng toàn phần FA ta có thể sử dụng IC 74LS183 ở địa chỉ: [User Difined/Macro/74LS183]. 77 C. Phô lôc Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng dông sö dông trong bµi thùc hµnh. 1. Bé logic vµ sè häc 4 bÝt (4 bit Arithmetic Logic Unit) Tªn IC: 74x181 (TTL) 78 2. Bé logic vµ sè häc 4 bÝt (4 bit Arithmetic Logic Unit) Tªn IC: 74x382 (TTL) [...]... tắt lý thuyết Mạch logic đợc phân làm hai loại : Mạch tổ hợp (Combinational circuits) và mạch dãy (Sequential circuits) Mạch logic tổ hợp là mạch mà đầu ra của nó chỉ phụ thuộc vào giá trị các đầu vào ở thời điểm hiện tại không phụ thuộc vào giá trị đầu vào ở thời điểm trớc đó Các cửa logic cơ bản, các phân kênh - hợp kênh, mạch giải mã, mạch số học là những mạch logic tổ hợp Mạch logic dãy là mạch... logic tổ hợp Mạch logic dãy là mạch mà mỗi đầu ra của nó không những chỉ phụ thuộc vào các đầu vào hiện tại mà còn phụ thuộc trạng thái quá khứ của các đầu vào Nh vậy trong mạch dãy có các phần tử nhớ (memory elements) Trigơ đợc xếp vào loại mạch dãy Trigơ có hai trạng thái cân bằng Khi có tín hiệu tác dụng vào đầu vào, trigơ sẽ ở một trong hai trạng thái cân bằng này Điều lý thú ở chỗ, khi ngừng tác... Điều lý thú ở chỗ, khi ngừng tác dụng tín hiệu trigơ vẫn duy trì trạng thái cân bằng cũ, nghĩa là có tính chất nhớ Trigơ chỉ chuyển trạng thái khi có tín hiệu thích hợp tác dụng vào đầu vào 1 Trigơ RS Sơ đồ logic, ký hiệu logic và bảng chân lý của trigơ RS xây dựng từ cửa không hoặc S Q S R Q _ Q Q R S 0 0 1 1 0 1 0 1 Q R Q Không đổi 0 1 1 0 Không xác định 80 . 69 Bài 6: bộ logic và số học (Arithmetic and Logic Circuits) A. Phần tóm tắt lý thuyết Bộ logic và số học (ALU) là một mạch tổ hợp, thực hiện một số thuật toán logic và số học. Cấu tạo. động của bộ logic số học 74ls382. Ngoài ra sinh viên còn có thể tự nghiên cứu sự hoạt động của ALU 74ls181 ở địa chỉ: [Digital By Function/Arithmetic/74ls181]. Đây là bộ logic số học có thể. Q Q3=AB+AB Q2=A+B Q1=A.B S0 S1 Ci B A 74LS153 I3a I2a I1a I0a S1 S0 I3b I2b I1b I0b Ea Eb Ya Yb FA Ci A B S Co 70 Bộ logic số học 4 bit 74LS382 thuộc họ 74. Với 3 đầu vào chọn lọc S 0 , S 1 , S 2 ta có thể thực hiện đợc 8 thuật toán cho hai số nhị phân 4 bit: (A = A 3 A 2 A 1 A 0 và B = B 3