Đang tải... (xem toàn văn)
Với sự phát triển bùng nổ của thời đại Internet, công nghiệp 4.0 đã tạo ra thành tựu to lớn với những phát minh dựa trên nền tảng công nghệ và mang lại hiệu quả trong hầu kết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Công nghiệp 4.0 tập trung vào công nghệ kỹ thuật số với sự kết hợp trợ giúp kết nối thông qua Internet vạn vật (IoT). Việc xử lý các tín hiệu trong các thiết bị nói chung về bản chất đều dựa trên nguyên lý số. Do vậy, nhu cầu tìm hiểu về kỹ thuật số là rất lớn, không chỉ riêng đối với sinh viên khối kỹ thuật mà còn còn đối với các ngành nghề khác có liên quan. Giáo trình được biên soạn với mục trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật số, các phần tử cơ bản trong mạch điện tử số, các phương pháp phân tích, thiết kế mạch cơ bản, và sử dụng ngôn ngữ lập trình để mô phỏng và thiết kế các mạch phức tạp. Giáo trình gồm 14 chương chính: Chương 1: Các hệ thống số đếm Chương 2: Các cổng logic cơ bản và đại số Boole Chương 3: Các họ vi mạch số Chương 4: Mạch tổ hợp Chương 5: Mạch tuần tự Chương 6: Bộ đếm Chương 7: Thanh ghi Chương 8: Mạch số học Chương 9: Bộ nhớ bán dẫn Chương 10: Các vi mạch lập trình được Chương 11: Máy trạng thái đồng bộ Chương 12: Máy trạng thái thuật toán
ae (ueiq nuo) ONOG NYA NYOG ‘SL ro “ TS ĐOÀN VĂN ĐỔNG (Chủ biên) ThS TRAN KIM TAM KỸ THUẬT SỐ =] >a wv a5 Nÿ8 LynX HN IyL NVA ONOHL OVID us S ~ a” ISBN: 978-604-76-2703-5 =T| 9” 786047 "627035 Gié: 250.000 đồng NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG — - VẠN TÀI TS DOAN VAN DONG (Chi bién) ThS TRAN KIM TAM KY THUAT SO (Danh cho sinh vién dai hoc) + THANH PHO HO CHi MINH - NAM 2023 LOT NOI DAU Với phát triển bùng nồ thời dai Internet, công nghiệp 4.0 tạo thành tựu to lớn với phát minh dựa tảng công nghệ ¡ mang lại hiệu hầu kết lĩnh vực kinh tế kỹ thuật đời sống xã hội Công nghiệp 4.0 tập trung vào công nghệ kỹ thuật số với kết hợp trợ giúp kết nối thông qua Internet vạn vật (IoT) Việc xử lý tín hiệu thiết bị nói chung chất dựa nguyên lý số Do vậy, nhu cầu tìm hiểu kỹ thuật số lớn, không riêng sinh viên khối kỹ thuật mà cịn ngành nghề khác có liên quan Giáo trình biên soạn với mục trang bị cho sinh viên kiến thức kỹ thuật sỐ, phần tử mạch điện tử 86, phương pháp phân tích, thiết kế mạch bản, sử dụng ngơn ngữ lập trình để mơ thiết kế mạch phức tạp Giáo trình - Chương - Chương - Chương gồm 14 chương chính: 1: Các hệ thống số đếm 2: Các công logic đại số Boole 3: Các họ vi mạch số - Chương 4: Mạch tổ hợp - Chương 5: Mạch - Chương 6: Bộ đếm - Chương 7: Thanh ghi - Chương 8: Mạch số học - Chương 9: Bộ nhớ bán dẫn - Chương 10: Các vi mạch lập trình - Chương 11: Máy trạng thái đồng - Chương 12: Máy trạng thái thuật toán - Chương 13: Máy trạng thái bất đồng - Chương 14: Thiết kế & mô mạch dùng ngôn ngữ VHDL Do lần đầu biên soạn nên khơng tránh khỏi thiếu SĨI, mong nhận góp ý bạn đọc Mọi ý kiến đóng gop xin gui Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Xin trân trọng cảm ơn Thành phó Hỗ Chí Minh, tháng 02 năm 2023 TS Đoàn Văn Đồng MUC LUC LOUNOL DAU c.-caneccseneeseneeoceentseeannenctenunesusnrenennareeunnenneeatetseneeresnetien MUC LUC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MUC BANG BIEU “ CHƯƠNG I CÁC HỆ THÓNG SỐ ĐÉM 2222222222222 1.1 1.2 ccctrrrev 15 Biểu diễn thông số Hệ thống tương tự hệ thống só -¿-©22+cc+c2vvvcrcrres 16 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Ưu điểm hệ thống số 1.2.3 Nhược điểm hệ thống sỐ . -2222222c2222222vvvrrrrrrrrrrrrrcree 17 1.3 Các hệ thống số đếm 2¿-2222+221222211212221112227112 222711 ccxer 17 1:3.1 Hệ thập phân (đeGii8scossoeeiniiiadiiiiASG0014001561360011311566142681160356 17 1.3.2 Hé nhi phan (binary) 1.3.3 Hé bat phan (octal) 19 1.3.4 Hé thap luc phan (hecxadecimal) 1.4 Các mã thường sử dụng dé mã hóa số thập phân 2i 1.4.1 Mã BCD (Binary-Coded-Decimal) - c5 55vsxsxcrxsxerrree 22 14:27MBIBGD2421tuungoostiatoiioiGs,sgtusttsetoxgtyyngatsauausasl 22 0i) 22 T.4.4 MG Gray IS an cố 23 23 1.4.6 Mã | 10 1.4.7 Mã LED đoạn 1.4.8 Số dấu chấm động I*ẽ 1.6 oi 331 Các phép toán số học . 2¿-+222++++2222122122221122227112222212 cxer 27 1.6.1 Các phép tính hệ nhị phân . - ¿5 +c+c+cec+xeeexeeex+ 27 1.6.2 Cộng trừ s6 BCD 1.6.3 Cộng trừ số HEX 1.7 Truyén tín hiệu song song nối tiếp 1.8 Giới thiệu máy tính sỐ 2-2+2z+22EE++z+222EE+ztttEEErcrrrrrkr 40 CHUGONG CAC CONG LOGIC CO BẢN VÀ ĐẠI SỐ BOOLE 43 2.1 Biến đại số Boole scccccssssssesssssssessssssesesesseesesesseeseeese 46 2.2 Bảng thật (Chân trị) . s5+ sctetrerHrrrrrrrre 47 2.3 Các hàm logic công logic :-¿-5222ccccccvcvcsrcces 48 3:3:1 HaÙi OÑ sscczzsecgei408809180605906GW4t6Q8i8880 83358 0880888 8ml8g 48 2.3.2 Hàm AND cà + tt Hy 49 VN on 50 Gì 234 Ham NOR (NO TOR) wscosscenaesarsnescornevnnceiseesvecaneasoesermannevonerusneonetoocsnse 50 2.3.5 Ham NAND (NOT AND) 2.3.6 Hàm EX-OR (So sánh khác) 2.3.7 Hàm EX-NOR (So sánh bằng) 2.4 Các định lý đại số Boole . -2-:2222cc2ccvzccrerrxee 55 2.4.1 Quan hệ só -.22¿-22222222222221222112222112221221Xe2 55 2.4.2 Các định lý hàm l biên 2.4.3 Các định lý hàm nhiều biến -ss2s tt 1121121111 2111eErrer 55 24 ADIN WA Wi Allcucrnunanenmenennaaaanmen: 56 2.4.5 Quy tic thay thé ccccccccccscssseessssseeessssssessssseesessseessssssessessieesessneeeesssee 56 2.4.6 Quy tac tim dao 2.4.7 Dinh ly trién khai 2.5 Các phương pháp biểu diễn hàm Boole 2.5.1 Biểu diễn bảng thật (bảng chân trị, bảng trạng thái 2.5.2 Biểu diễn biểu thức đại sỐ .2cc:::c2222cvvvccrrrrrrrrrrccee 57 2.5.3 Biểu diễn bìa Karnaugh 22222222 222222231122222221112ece+ 60 2:6 Rút gonilWBG0ÌE6icsosssoseiioiosiirnoiiiiESdiniiEi140108188111620313120048886135 64 2.6.1 Phương pháp sử dụng bìa Karnaugih: .- -scccccccxsxercrxervev 65 2.6.2 Phuong phap Quine Mec-C ]usky -5-55 S+cssrerrerrerree 67 CHƯƠNG GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ VI MẠCH SÓ 74 3.1 Thông số kỹ thuật ÏC . -2c¿+2222+zztzvzzvccrrrres 74 3.1.1 Các thông số điện áp 3.1.2 Các thơng số dịng điện 3.1.3 Fan-out (Hệ số tải) 3.1.4 Trễ truyền đạt .- 2222222222 22222211111222211211112222111112 2.11 xe 74 3.1.5 DO mid 32 na ÔỎ 75 Ho vi mach TTL (Transistor — Transistor LogI€) 5+ 76 92.1 Đã HT s0 eeriesdeleDbiiendrilerooribtsinisssdlareue 76 3.2.2 Phân loại TT theo ngÕ 5-5 55t vExtertrtererxrrerrrrrrrk 76 3.2.3 Các loại vi mạch số họ TTL . :ccc222ctteeevettrrrrrieeerrre 78 3:3 Họ vi mạch CMOS (Complemantary Metal-Oxide Semiconductor LAN] it ceitiiix2s0xi120811014100260115001031800010120015012000538011450801861031018080103408181303004 78 818:1 ĐặEHẨHinnyarnsesatosgoottiottolt0ggtitf4SEASMIGEGS/1664338308634613/892003393002 3G su 78 33:2 Phân 10a1GMOSiHIEG HEỗ T.0i00s0ã62680808600313W900888ue)suag 79 3.3.3 Các loại vi mạch số họ CMOS - 22-2222z++222+2ztevzxvzzsrrrsee 80 3.4 Các thông số họ TTL CMOS 2:-:©2255cc2 81 3.5 Giao tiép IC 3.5.1 TTL lai CMOS cấp điện +5 tt nen 81 3.5.2 TTL lái CMOS cấp điện lớn +5V -c¿¿522szc+tczse+ 82 3.5.3 CMOS cap điện +5V lai TTL 3.5.4 CMOS cấp điện lớn +5V lái TTL CHƯƠNG MẠCH TÔ HỢP 41 42 6i 0.7 - §4 Phân tích mạch tơ hợp - -: ¿¿:22222++222+22222ESvzrettrvrrrrrrrrvee 84 ADA DAVE đề nong tntiSiSGGUGGAGGABGGIIGERGESRGRIGIIRS.IGOSRROiGBNEBA §4 (tê 43 85 Thiết kế mạch tổ hợp :¿ ©22222222+z+22222222222+rstrtrzrvseeccee 87 ABal Dati Ain OS covecosevonvsenvnssevsencorceccoenescescevevocevswstas nsesswrrevecceeesovescttroceeseeses 87 4.3.2 Phương pháp thiết kế miạch tổ HOP so 1n h0 0á ago 87 4.3.3 Thực hàm logic bang cdc mach logic 44 4.3.4 Thiết kế mạch nhiều đầu Các mạch tổ hợp thông dụng 4.4.1 Mạch giải mã (Decoder) 4.4.2 Mạch giải mã/lái BCD-sang-Decimal . .-5-55c5sc5+cc++s+> 97 4.4.3 Mạch giải mã/lái BCD-sang-LED đoạn . 5c scccse+ 97 4.4.4 Mạch mã hoá (0COđÄF) St StkéEk+téxtErrkirtetkkrrkrrirkerrrrkrree 98 4.4.5 Mạch dồn kênh (Multiplexer - MUX ) - c-: 5225csccccce2 102 4:4.6 Mạch phân kênh (EMUƯ) :c coi 1n0ngH2 ngữ 2200 ng 106 4.4.7 Mạch so sánh (CO/J04FđfF) 5-5-5555 SSe+terstsrerrrrrerrer 107 4.4.8 Mạch tạo kiểm tra chẵn, lẻ (Parity Generator & Checker) 109 GHƯNG bì JMAGH TUẦN TỦ nonhaeahgn to HD HH1 BH h ng HE 211 ngg 120 5.1.1 Đặc điỂm s22s 2t 2232211 2211271121112 120 120 5.1.2 Các phương pháp mô tả mạch . -.¿-cz+c-ss+ 122 5.2 _ Phần tử mạch -.¿¿2222+2ztzcczxscrrrrs 5.2.1 Flip-Flop loại D (D-FE) 5-5552 5+csckttirkerrrerrerree 5.2.2 Flip-Flop loai T (T-FF) (Toggle) §.2.3 Flip-Flop loai SR 5.2.4 Flip-Flop loai JK 5.2.5 Flip-Flop loại chủ - tớ (Master — ŠÏave) -5527cccccccccx 132 GHƯƠNG 6: BỘ ĐÊM (COUNTER Loa s6 dư uG 0882018 88404006 caaug 135 6.1 6.2 63 6.4 6.4.2 Thiết kế đếm đồng tổng quát CHƯƠNG THANH GHI (REGISTER) ft GIớIthiỆNuyosnsgpbinotndtoiantiotÐtISCBNGHAHGBSNGPSEUNGOESg 7.2 _ Thanh ghi dịch vào nối tiếp 7.2.1 Thanh ghi dịch vào nối tiếp — nối tiếp (SISO) 7.2.2 Thanh ghi dịch vào nối tiếp — song song (SIPO) 160 7.2.3 Thanh ghi dịch — dịch phải (shift righệ) . cccccc2ccccccrrr 160 7.2.4 Thanh ghi dịch — dich trái (shift left) -c-55-5c5++s+csrs+ccr+ 161 7.3 Thanh ghi dịch vào song song 7.3.1 Thanh ghi dịch vào song song - nôi tiêp (PISO) 7.3.2 Thanh ghi dịch vào song song - song song (PIPO) 7.3.3 Thanh ghi dich hai chiéu (Bidirectional universal shift registers) CHƯƠNG MACH SO HOC w.ecccccssssssssssssssssssesssssssseseensesesesenensenssesenenenese 167 8.1 Mach cong s6 nj phan Dit ccccccccsseecssssseesssssseeessssseeseesseeessesseess 167 8.1.1 Mạch cộng bán phan (Haft A dđer — HA) ccccccccccccccc: 167 8.1.2 Mạch cộng toàn phần -22222++22222222222ttt222EExerrrrrrrrrr 168 8.1.3 Mạch cộng song SONB ¿St net 169 §.1.4 Mạch cộng đốn trước số nhớ (Carry Lookahead Adder) 170 8.2 Chip vi mạch cộng 74x283 nen 172 8.2.1 Mach cong bits 8.2.2 Mach cOng 16 bits 8.3 Cac ing dung 8.3.1 Mach chuy CD sang ma qua 8.3.2 Mach tri (cOng DU 2) eee eeeseeeseeeeeseeneseersaeereacereneatereacseenserenenes 8.3.3 Mạch cộng 5-bit có đầu ::-222222222+t2222223122222222211122cccrrrrk 175 Su MlachisorsánlisssrsusesrsessrrinitiditiiriitltiaditrgitoitvCeidESEaLED000855024013980801 176 S4:1 NGUYÊH lỸtseasrriosgusrtotiotitgitsttgosg(GiISGgttsESvSA0stGSouxcesg 176 8.4.2 Mạch so sánh hai số nhị BHãñ | BÏE::sszzzecosoiittsttgqasagriseg 176 8.4.3 Mạch so sánh hai số nhị phan bi( ác sec 176 CHƯƠNG BỘ NHỚ BÁN DÄN . ccccccvccccrrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrie 178 QA Giối:thÍỆU:eenoinininnooiaooraibionriiRadtdgdiStiiibsBlit61120003718061683011450098006 9.2 Tổ chức nhớ 9.2.1 Bit nhớ 9.2.2 Từ nhớ 9.3 Hoạt động phân loại nhớ ¿©55+c++xcc++xvzxcrzxer 181 9.3.1 Quy trinh doc ghi ctla MG cesses eeeseseeeeseenesesteeessenseneneeees 181 9.3.2 Phân loại nhớ . ¿-¿¿+ xxx 183 93.3: BonhGibay hot (RAM) cviscscnavssesnasavecconswernesssensoneerancisonenvarsnoesnennen 185 9.4 Phương pháp thiết kế module nhớ 2z+222+2z++zz++ 189 9.4.1 Phương pháp tăng độ dài từ nhớ SRAM 4K x bit 189 9.4.2 Phương pháp tăng độ dài từ nhớ SRAM 4K x bít 190 95 Bộ nhớ đệm (Cachê):s-sssssooeososisrseibiihiiiiooeiiaSLE,LDO1A60216340012468.611 506: 191 9.5.1 Cấu tạo 9.5.2 Các phương pháp ánh xạ cache CHƯƠNG I0 CÁC VI MẠCH LẬP TRÌNH ĐƯỢC 198 {0,Ì Gối thiệHassssonrtosnntsosDllBgttÐlDtttGitrNEĐGUSSSRĐHStJnShetsetsn 198 10.2 Phan 0100 .aẽa 198 10.2.1 SPLD (Simple PCD) 2222222222222vv22vvvvccccrrrrrrrrrrrrrrrre 198 10.2.2 CPLD (Complex PCD) -22::222222222222+2222223312222222rxvev 201 10:2:3 FPGA:( Field PGA) cesisssssazevessersecessscernecvreenaareanenunesnencensseenees 203 CHƯƠNG I1 MÁY TRẠNG THÁI ĐỒNG BỘ -2-:2255ccccvcce2 204 TLD GiGi nh ố 11.1.1 Máy trạng thái Mealy 11.1.2 Máy trạng thái Moore 11.2 Ứng dụng ưu nhược điểm máy trạng thái hữu hạn 11.2.1 Ứng dụng chung 11.2.2 Ưu điểm máy trạng thái hữu hạn ccz+2css+ 207 11.2.3 Nhược điểm táy trạng thái Hữu hạ ¿.«sssseiceseiisaaossao 207 11.3 Thiết kế máy trạng thái đồng 2¿-222+2zrevzrsccrrrrx 207 l0) 0n 207 NYT B22 DERE 'sccssncssvesanensoceusnexoausatsvensesaneusanenesseneavanssuntenssusnecameusssencouswocuensenes 208 11.3.3 JIKSEP scscsssosssssivensnosenssivessnsvcnssonssensvenenetscvsuvansassavanencassceneaveatevaaonasees 209 11.4 Ứng dụng máy trang thái đồng . -cc-:¿¿2222ccvvccccczee 210 11.5 Trạng thái tương đương tối thiểu trạng thái máy trạng thái đồng bộ, .- 2222c 22221222222112222211222221112221111122111110.102 2.10 cce 213 11.5.1 Phương pháp tối giản số trạng thái hay rút gọn bảng trạng thái 214 11.5.2 Chuyên đổi từ Mealy sang Moore 22cccscccccvscccccee 218 CHƯƠNG 12 MÁY TRẠNG THÁI THUẬT TOÁN -:2: ©2522 222 PC on 222 12.2 Cấu trúc máy trạng thái thuật toán . :-¿cz+c+cc+2 222 12.2.1 Lưu đồ ASM 12.2.2 Các thành phần ASM mạch logic tương đương 12.3 Ứng dụng máy trang thái thuật toán CHƯƠNG 13 MÁY TRẠNG THÁI BÁT ĐÔNG 13.1 Giới thiệu 13.2 Khái quát đặc điêm ứng dụng :-cccccccrerrrerrer 14.8 Thiết kế VHDL tổng hợp cho mạch 14.8.1 Thiết kế đếm Mạch gồm T-FlipFlop cổng NAND ngõ vào, chương trình cân có mã cho cơng NAND-3 T-FlipFlop **Cổng NAND-3** Chương trình sau dùng mồ tả cổng NAND-3 cách dùng mệnh đề điều kiện Case When End LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; ENTITY B_NAND3 IS PORT ( 10, 11, 12 : IN STD_LOGIC; Out0 : OUT STD_LOGIC )s END ENTITY B_NAND3; ARCHITECTURE NAND3_archi OF B_NAND3 IS SIGNAL ABC : STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO BEGIN ABC Out0 Out0