Bài giảng kiến trúc máy tính chương 3 mạch logic số

MẠCH LOGIC SỐ VŨ NGỌC THANH SANG TRỊNH TẤN ĐẠT KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN ĐẠI HỌC SÀI GỊN Email: trinhtandat@sgu.edu.vn Website: https://sites.google.com/site/ttdat88 Nội Dung • Giới thiệu • Cổng Logic • Đại số Boolean • Biểu đồ Karnaugh • Mạch logic số • Mạch số học ALU • Mạch • Mạch nhớ Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính GIỚI THIỆU • Mạch máy tính xây dựng dựa nhánh toán học ký hiệu logic (được gọi Boolean Logic) • Boolean logic thực nguyên tắc để điều khiển hai giá trị logic True False (hoặc hai ký hiệu “0” “1”) Đồng thời xây dựng mạch thực phép tốn cộng, so sánh, tìm kiếm số • Cổng logic: giá trị đại diện cho dải điện áp thấp, giá trị đại diện cho dải điện áp cao • Mạch chuyển đổi: giá trị đại diện cho công tắc mở, đại diện cho công tắc đóng • sử dụng để đại diện cho hệ thống nhị phần • Transistor: Phần tử cấu tạo máy tính số ngày (phát minh năm 1947 John Bardeen Walter Brattain) Thường sử dụng thiết bị khuếch đại khóa điện tử Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic • Cổng logic (gate): o Các transistor ghép nối lại để tạo thành cổng logic thực phép toán logic bản: NOT, AND, OR, NAND (NOT AND) NOR (NOT OR) o Các cổng lại lắp ghép thành phần tử chức lớn mạch cộng bit, nhớ bit, … từ tạo thành máy tính hồn chỉnh Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic – Cấu tạo cổng logic • Cấu trúc cổng AND: Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic – Cấu tạo cổng logic • Bảng chân trị cổng AND (Truth table): o Trường hợp nhiều ngõ vào, ngõ X = khi: ngõ vào = Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic – Cấu tạo cổng logic • Cấu trúc cổng OR: Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic – Cấu tạo cổng logic • Bảng chân trị cổng OR (Truth table): • Trường hợp nhiều ngõ vào, ngõ X = khi: ngõ vào = Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính I Cổng Logic – Cấu tạo cổng logic • Cổng NAND: Trường hợp nhiều ngõ vào, ngõ X = khi: ngõ vào = • Cổng NOR: Trường hợp nhiều ngõ vào, ngõ X = khi: ngõ vào = Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính II Đại số Boolean (Boolean algebra) • Đại số Boole phát triển từ năm 1854 nhà bác học Geogre Boole làm sở cho phép tốn logic • Năm 1938, Claude Shannon chứng minh dung đại số Boolea để thiết kế mạch số máy tính • Đại số Boole dựa biến logic phép tốn logic: o Biến logic nhận giá trị (TRUE) (FALSE) o Phép toán logic bản: AND, OR NOT o Hàm logic gồm tập phép tốn biến logic Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – Mạch cộng bán phần (Half adder) • Mạch cộng bit để tạo tổng (sum) S bit nhớ (carry) C • Mạch cộng bán phần hạn chế sử dụng thực tế Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – Mạch cộng toàn phần (Full adder) • Mạch cộng bit với bit nhớ, để tạo tổng (sum) S bit đầu (carry-out) C Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – Mạch cộng hai số nhị phân bit • Để thực phép cộng hai số nhị phân bit ta sữ dụng Full adder (FA) nối tiếp với sơ đồ Ví dụ : Cơng hai số nhị phân bit sau: an = 11110000 bn = 11001100 Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – Mạch trừ • Mạch trừ: đổi sang số bù cộng • Có thể dùng chung mạch cộng để thực phép trừ Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – bit ALU F0 F OUTPUT 00 NOT A 01 A OR B 10 A AND B 11 A+B Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính V Các mạch số học ALU – bit ALU • Kết hợp mạch bit ALU để thành mạch bit Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VI Mạch • Mạch (Sequential Circuit) với ngõ xác định ngõ vào, thiết lập cổng trạng thái trước • Là mạch có nhớ, thực phân tử nhớ (Latch, Flip – Flop) kết hợp cổng logic • Ứng dụng làm nhớ, ghi, mạch đếm,… máy tính Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VI Mạch - Mạch chốt (Latch) • Dùng cổng NOR mắc nối tiếp với S, R ngõ vào, Q Q ngõ • Mạch latch gọi RS latch ngõ “RESET” thành “SET” thành • Q trạng thái Q = hay Q = S = R = • Set: S = ➔ Q = trạng thái trước • Reset: R = ➔ Q = trạng thái trước • Khi R = S = ➔ Q không đổi ➔ Q+ cũ Khoa Công Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VI Mạch - Mạch tạo xung Clock (Clocked RS Flip-Flops) • Cải tiến từ mạch RS để điều chỉnh trạng thái mạch chốt thời điểm xác định • Các đầu vào R’, S’ lấy từ ngõ vào R, S cổng AND kết nối với xung đồng hồ clock • Tín hiệu vào có tác dụng (R = R’, S = S’) xung clock = (mức cao) Khoa Công Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VI Mạch tuần tự- Mạch chốt D có xung Clock • Mạch thay đổi để khắc phục trạng thái không xác định S = R = Chỉ dùng tín hiệu vào đầu nối R với S qua cổng NOT • Đây mạch nhớ bit với D ngõ vào, Q ngõ Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VII.Mạch nhớ (Flip – Flop) • Mạch xung Clock thiết kế tác dụng theo cạnh (lên xuống) ➔ Có thể ghi nhớ khoảng thời gian định Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VII.Mạch nhớ- Mạch D Flip-Flop • Là mạch chốt D có xung Clock điều khiển Flip-Flop • Phân biệt: • Flip-flop: edge triggered • Latch: Level triggered • Cấu trúc mạch bao gồm ngõ vào D (Data), C (Clock) • Khi ngõ vào C = 1, mạch trạng thái “Clocking” • Khi mạch trạng thái “Clocked”, giá trị ngõ vào D giữ lại truyền tới ngõ Q, giá trị không đổi cho lần “clocked” Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VII.Mạch nhớ- Mạch D Flip-Flop Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính VII.Mạch nhớ- Mạch D Flip-Flop Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính THANK YOU FOR YOUR ATTENTIONS Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn Kiến Trúc Máy Tính