Bài giảng kỹ thuật số-Chương 5 docx

Chng 5. H tun t Trang 101 Chng 5  TUN T 5.1. KHÁI NIM CHUNG ch sc chia thành hai loi chính : H t hp và h tun t. i vi h t hp: tín hiu ngõ ra  trng thái k tip ch ph thuc vào trng thái hin ti ca ngõ vào, mà bt chp trng thái hin ti ca ngõ ra. Nh vy, khi các ngõ vào thay i trng thái (b qua thi gian tr ca tín hiu i qua phn t logic) thì lp tc ngõ ra thay i trng thái. i vi h tun t: Các ngõ ra  trng thái k tip va ph thuc vào trng thái hin ti ca ngõ vào, ng thi còn ph thuc trng thái hin ti ca ngõ ra. Do ó, vn  thit k h tun t s khác so vi h t hp và c s thit k h tun t là da trên các Flip - Flop (trong khi vic thit k h t hp da trên các cng logic). ûc khác, i vi h tun t, khi các ngõ vào thay i trng thái thì các ngõ ra không thay i trng thái ngay mà chn cho n khi có mt xung u khin (gi là xung ng h Ck) thì lúc ó các ngõ ra mi thay i trng thái theo các ngõ vào. Nh vy h tun t còn có tính ng b và tính nh (có kh nng lu tr thông tin, lu tr d liu), nên h tun t là c s thit k các b nh. 5.2. BM 5.2.1. i cng m c xây dng trên c s các Flip - Flop (FF) ghép vi nhau sao cho hot ng theo t bng trng thái (qui lut) cho trc.  lng FF s dng là s hàng ca bm. m còn c s dng  to ra mt dãy a ch ca lnh u kin, m s chu trình thc hin phép tính, hoc có th dùng trong vn  thu và phát mã. Có th phân loi bm theo nhiu cách: - Phân loi theo c s các hm: m thp phân, bm nh phân. Trong ó bm nh phân c chia làm hai loi: + Bm vi dung lng m 2n. + Bm vi dung lng m khác 2n (m modulo M). - Phân loi theo hng m gm: ch m lên (m tin), mch m xung (m lùi), ch m vòng. - Phân loi mch m theo tín hiu chuyn: bm ni tip, bm song song, bm n hp. - Phân loi da vào chc nng u khin: + Bm ng b: S thay i ngõ ra ph thuc vào tín hiu u kin Ck. + Bm không ng b. c dù có rt nhiu cách phân loi nhng ch có ba loi chính: m ni tip (không ng ), m song song (ng b), m hn hp . Bài ging K THUT S Trang 102 5.2.2. Bm ni tip 1. Khái nim m ni tip là bm trong ó các TFF hoc JKFF gi chc nng ca TFF c ghép ni tip vi nhau và hot ng theo mt loi mã duy nht là BCD 8421. i vi loi bm này, các ngõ ra thay i trng thái không ng thi vi tín hiu u khin Ck (tc không chu su khin a tín hiu u khin Ck) do ó mch m ni tip còn gi là mch m không ng b. 2. Phân loi - m lên. - m xung. - m lên /xung. - m Modulo M. a. m lên Ðây là bm có ni dung tng dn. Nguyên tc ghép ni các TFF (hoc JKFF thc hin chc ng TFF)  to thành bm ni tip còn ph thuc vào tín hiu ng b Ck. Có 2 trng hp khác nhau: - Tín hiu Ck tác ng theo sn xung: TFF hoc JKFF c ghép ni vi nhau theo qui lut sau: Ck i+1 = Q i - Tên hiu Ck tác ng theo sn lên: TFF hoc JKFF c ghép ni vi nhau theo qui lut sau: Ck i+1 = i Q Trong ó T luôn luôn gi mc logic 1 (T = 1) và ngõ ra ca TFF ng trc ni vi ngõ vào Ck ca TFF ng sau.  minh ha chúng ta xét ví d v mt mch m ni tip, m 4, m lên, dùng TFF.  lng TFF cn dùng: 4 = 2 2 → dùng 2 TFF. Trng hp Ck tác ng theo sn xung (hình 5.1a): T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr Hình 5.1a Ck Chng 5. H tun t Trang 103 Trng hp Ck tác ng theo sn lên (hình 5.1b): Trong các s mch này Clr (Clear) là ngõ vào xóa ca TFF. Ngõ vào Clr tác ng mc thp, khi Clr = 0 thì ngõ ra Q ca FF b xóa v 0 (Q=0). Gin  thi gian ca mch  hình 5.1a : ng trng thái hot ng ca mch hình 5.1a: Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 H 5.1b Ck 1 2 3 4 5 7 8 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 Ck Q 1 Q 2 Hình 5.2a. Gin  thi gian mch hình 5.1a Bài ging K THUT S Trang 104 Gin  thi gian mch hình 5.1b : ng trng thái hot ng ca mch hình 5.1b : Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 b. m xung ây là bm có ni dung m gim dn. Nguyên tc ghép các FF cng ph thuc vào tín hiu u khin Ck: - Tín hiu Ck tác ng sn xung: TFF hoc JKFF c nghép ni vi nhau theo qui lut sau: Ck i+1 = i Q - Tín hiu Ck tác ng sn xung: TFF hoc JKFF c nghép ni vi nhau theo qui lut sau: Ck i+1 = Q i Trong ó T luôn luôn gi mc logic 1 (T = 1) và ngõ ra ca TFF ng trc ni vi ngõ vào Ck ca TFF ng sau. 1 2 3 4 5 7 8 1 1 1 10 0 0 0 00 00 11 1 1 Ck Q 1 Q 2 11 1 1 0 0 0 0 1 Q Hình 5.2b. Gin  thi gian mch hình 5.1b Chng 5. H tun t Trang 105 Ví d: Xét mt mch m 4, m xung, m ni tip dùng TFF.  lng TFF cn dùng: 4 = 2 2 ⇒ dùng 2 TFF.  mch thc hin khi s dng Ck tác ng sn xung và Ck tác ng sn lên ln lt c cho trên hình 5.3a và 5.3b : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr H 5.3b Ck Hình 5.3a Ck T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 Hình 5.4a. Gin  thi gian mch H 5.3a 1 2 3 4 5 7 8 Ck Q 1 Q 2 11 1 1 0 0 0 0 1 Q 0 0 00 11 1 1 0 0 Bài ging K THUT S Trang 106 ng trng thái hot ng ca mch hình 5.3a: Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 1 2 3 4 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 Gin  thi gian ca mch hình 5.3b: ng trng thái hot ng ca mch hình 5.3b : Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 1 2 3 4 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 c. m lên/xung: i X là tín hiu u khin chiu m, ta quy c: + Nu X = 0 thì mch m lên. + Nu X = 1 thì m xung. Ta xét 2 trng hp ca tín hiu Ck: - Xét tín hiu Ck tác ng sn xung: Lúc ó ta có phng trình logic: iii1i QXQX.QXCk ⊕=+= + - Xét tín hiu Ck tác ng sn lên: Lúc ó ta có phng trình logic: iii1i QXX.QQ.XCk ⊕=+= + Hình 5.4b. Gin  thi gian mch hình 5.3b 1 2 3 4 5 7 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Ck Q 1 Q 2 0 Chng 5. H tun t Trang 107 d. m modulo M: ây là bm ni tip, theo mã BCD 8421, có dung lng m khác 2 n . Ví d: Xét mch m 5, m lên, m ni tip.  lng TFF cn dùng: Vì 2 2 = 4 < 5 < 8 = 2 3 ⇒ duìng 3 TFF. y bm này s có 3 u ra (chú ý: S lng FF tng ng vi su ra). ng trng thái hot ng ca mch: Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 3 Q 2 Q 1 Q 3 Q 2 Q 1 1 2 3 4 5 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1/0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1/0 u dùng 3 FF thì mch có thm c 8 trng thái phân bit (000 → 111 tng ng 0→7). Do ó,  s dng mch này thc hin m 5, m lên, thì sau xung Ck th 5 ta tìm cách a t hp 101 v 000 có ngha là mch thc hin vic m li t t hp ban u. Nh vy, bm sm t 000 → 100 và quay v 000 tr li, nói cách khác ta ã m c 5 trng thái phân bit.  xóa bm v 000 ta phân tích: Do t hp 101 có 2 ngõ ra Q 1 , Q 3 ng thi bng 1 (khác vi các t hp trc ó) ( ây chính là du hiu nhn bit u khin xóa bm. Vì vy  xóa b m v 000: - i vi FF có ngõ vào Clr tác ng mc 0 thì ta dùng cng NAND 2 ngõ vào. - i vi FF có ngõ vào Clr tác ng mc 1 thì ta dùng cng AND có 2 ngõ vào. Nh vy s mch m 5 là s ci tin t mch m 8 bng cách mc thêm phn t cng NAND (hoc cng AND) có hai ngõ vào (tùy thuc vào chân Clr tác ng mc logic 0 hay mc logic 1) c ni n ngõ ra Q 1 và Q 3 , và ngõ ra ca cng NAND (hoc AND) sc ni n ngõ vào Clr ca bm (cng chính là ngõ vào Clr ca các FF). Trong trng hp Clr tác ng mc thp s mch thc hin m 5 nh trên hình 5.5 : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr T Ck 3 Q 3 1 Hình 5.5. Mch m 5, m lên Bài ging K THUT S Trang 108 Y 1 C1 R1 Y VCC 1 Hình 5.7. Mch Reset mc 0 Chú ý : Do trng thái ca ngõ ra là không bit trc nên  mch có thm t trng thái ban u là 000 ta phi dùng thêm mch xóa tng ban u  xóa b m v 0 (còn gi là mch RESET ban u). Phng pháp thc hin là dùng hai phn t thng R và C. Trên hình 5.7 là mch Reset mc 0 (tác ng mc 0). Mch hot ng nh sau: Do tính cht n áp trên t C không t bin c nên ban u mi cp ngun Vcc thì V C = 0 ( ngõ ra Clr = 0 và mch có tác ng Reset xóa bm, sau ó t C c np n t ngun qua n tr R vi thi ng np là τ = RC nên n áp trên t tng dn, cho n khi t C np y thì n áp trên t xp x ng Vcc ⇒ ngõ ra Clr = 1, mch không còn tác dng reset. Chú ý khi thit k: Vi mt FF, ta bit c thi gian xóa (có trong Datasheet do nhà sn xut cung cp), do ó ta phi tính toán sao cho thi gian t C np n t giá tr ban u n giá trn áp ngng phi ln n thi gian xóa cho phép thì mi m bo xóa c các FF. ch cho phép xóa bm tng (H 5.8) và bng tay (H 5.9): Ck Q 1 Q 2 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 2 3 4 5 7 8 9 106 0 0 0 0 00 00 1 Q 3 Hình 5.6. Gin  thi gian mch m 5, m lên T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 1 1 Ck Clr T Ck 3 Q 3 1 Y 1 R1 C1 Y VCC 1 Hình 5.8. Mch cho phép xóa bm tng Chng 5. H tun t Trang 109 T Ck 1 T Ck 2 Q 2Q 1 1 1 Ck Clr T Ck 3 Q 3 1 Y 1 R1 C1 Y VCC 1 Y 1 Hình 5.9. Mch cho phép xóa bm tng và bng tay u m ca bm ni tip: n gin, d thit k. Nhc m: Vi dung lng m ln, s lng FF s dng càng nhiu thì thi gian tr tích ly khá ln. Nu thi gian tr tích ly ln hn mt chu k tín hiu xung kích thì lúc by gi kt qu m s sai. Do ó,  khc phc nhc m này, ngi ta s dng bm song song. 5.2.3. Bm song song 1. Khái nim m song song là bm trong ó các FF mc song song vi nhau và các ngõ ra s thay i trng thái di su khin ca tín hiu Ck. Chính vì vy mà ngi ta còn gi bm song song là bm ng b. ch m song song c s dng vi bt k FF loi nào và có thm theo qui lut bt k cho trc. Vì vy,  thit k bm ng b (song song) ngi ta da vào các bng u vào kích a FF. 2. Mch thc hin i vi bm song song dù m lên hay m xung, hoc là m Modulo M (m lên/m xung) u có cách thit k chung và không ph thuc vào tín hiu Ck tác ng sn lên, sn xung, mc 0 hay mc 1. Các bc thc hin : - T yêu cu thc t xây dng bng trng thái hot ng ca bm. - Da vào bng u vào kích ca FF tng ng  xây dng các bng hàm giá tr ca các ngõ vào d liu (DATA) theo ngõ ra. - Dùng các phng pháp ti thiu  ti thiu hóa các hàm logic trên. - Thành lp s logic. Ví d : Thit k mch m ng b, m 5, m lên theo mã BCD 8421 dùng JKFF. Trc ht xác nh s JKFF cn dùng: Vì 2 2 = 4 < 5 < 8 = 2 3 ⇒ dùng 3 JKFF ⇒ có 3 ngõ ra Q 1 , Q 2 , Q 3 . Ta có bng trng thái mô t hot ng ca bm nh sau: Bài ging K THUT S Trang 110 Xung vào Trng thái hin ti Trng thái k tip Ck Q 3 Q 2 Q 1 Q 3 Q 2 Q 1 1 0 0 0 0 0 1 2 0 0 1 0 1 0 3 0 1 0 0 1 1 4 0 1 1 1 0 0 5 1 0 0 0 0 0  chng 3 chúng ta ã xây dng c bng u vào kích cho các FF và ã có c bng u vào kích tng hp nh sau: Q n Q n+1 S n R n J n K n T n D n 0 0 0 X 0 X 0 0 0 1 1 0 1 X 1 1 1 0 0 1 X 1 1 0 1 1 X 0 X 0 0 1 ó ta suy ra bng hàm giá tr ca các ngõ vào data theo các ngõ ra nh sau : Xung Trng thái hin ti Trng thái k tip vào Q 3 Q 2 Q 1 Q 3 Q 2 Q 1 J 3 K 3 J 2 K 2 J 1 K 1 1 0 0 0 0 0 1 0 X 0 X 1 X 2 0 0 1 0 1 0 0 X 1 X X 1 3 0 1 0 0 1 1 0 X X 0 1 X 4 0 1 1 1 0 0 1 X X 1 X 1 5 1 0 0 0 0 0 X 1 0 X 0 X [...]... p, 5 song song (hình 5. 11) Q1 1 Ck m 2n i Ck1 ti p J B Q2 Q3 Q4 B m 5 song song Ck2 K Clr Hình 5. 11 B m 2 n i ti p ghép v i b m 5 song song Bài gi ng K THU T S Trang 114 Q1 c a b m 2 gi vai trò xung Ck cho b m 5 song song Gi n th i gian c a 2 n i ti p 5 song song (hình 5. 12) : 1 4 3 2 5 6 7 9 8 10 Ck 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Q3 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 Q4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Q1 Q2 Hình 5. 12... 0 0 0 1 0 0 0 Q4 Q3 B m 5 song song Ck1 J B m2 n i ti p Ck2 K Clr Hình 5. 13 B Q3 c a b m 5 song song ghép v i 2 n i ti p m 5 song song gi vai trò xung Ck cho b m 2 Ch ng 5 H tu n t Gi n Trang 1 15 th i gian c a 5 song song n i ti p 2 1 4 3 2 5 6 7 8 9 10 Ck 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Q3 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Q4 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 Q1 Q2 Hình 5. 14 Gi n th i gian m 5 song song ghép 2 n i ti... t 3 → 8 Trên hình 5. 21 là s m ch gi i mã a ch dùng IC 74138 Ch ng 5 H tu n t Trang 121 Y0 ( CS / ROM Y1 ( CS / RAM1 Y2 ( CS / RAM2 Y3 ( CS / RAM3 IC 74138 A14 3 → 8 A 15 Hình 5. 21 M ch gi i mã n ) ) ) ) Y4 ( CS Y5 ( CS Y6 ( CS Y7 ( CS A13 ) ) ) ) / RAM4 / RAM5 / RAM6 / RAM7 a ch b nh c a h th ng: A 15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 a ch Hex 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 H 0... DSR1 A DSR2 DSR1 DSR3 DSR2 c n i v i ngõ vào d li u n i ti p DSR (hình 5. 18) Q4 C B A DSR1 Bài gi ng K THU T S Trang 118 Pr DSR J1 Pr Q1 Ck1 Ck K1 J2 J3 Q2 Ck2 Q1 K2 Pr Pr J4 Q3 Ck3 Q2 K3 Q4 Ck4 K4 Q3 Q4 Clr Hình 5. 18 Ta có b ng tr ng thái ho t Xung vào Tr ng thái hi n t i Q1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ây là m ch ng c a m ch hình 5. 18: Q2 0 0 1 1 1 1 0 0 Q3 0 0 0 1 1 1 1 0 Tr ng thái k Q4 0 0 0 0... t thì ôi lúc không ph i nh v y Ví d : K3 = 1, K3 = Q3 hay K3 = Q u úng, nh ng khi l p ráp th c t ta ch n K3 = Q logic: Hình 5. 10 J1 Q1 J2 Ck1 K1 Q3 Q2 Q1 Ck tránh dây n i dài gây nhi u cho m ch 2 J3 Q2 Ck2 Q1 K2 Q3 Ck3 K3 Q2 Q3 Clr Hình 5. 10 S m ch m lên m 5, m song song Q3 2 Bài gi ng K THU T S Trang 112 Gi i thích ho t ng c a b m: - Ban u dùng m ch RC xóa v 0 ⇒ Q1 = Q2 = Q3 = 0 J1 = K1 =1 ; J2 =... RAM5 8 13 8 RAM3 cs 13 RAM4 8 13 RAM2 cs 13 13 8 RAM1 cs cs 13 cs Hình 5. 20 T ch c b nh Gi s CPU hay µP có 16 ng a ch và 8 ng d li u N u dùng qu n lý b nh thì 16 qu n lý c dung l ng b nh t i a là 64 KBytes (2 = 64K) Gi s 64 KBytes phân thành các lo i sau: 1 ROM 8K, và 7 RAM 8K ch n l n l t t ng b nh xu t d li u và vì còn th a 3 d ng a ch là A13, A14, A 15 nên ta dùng m ch gi i mã t 3 → 8 Trên hình 5. 21... → D li u A c nh p vào FF Chú ý: Ph ng pháp này òi h i tr c khi nh p ph i xóa FF v 0 Pr Clr Load A Hình 5. 16 Ch ng 5 H tu n t Trang 117 Ví d : Xét m t thanh 4 bit có kh n ng d i ph i (hình 5. 17) A B C D Load Q1 DSR J1 Q1 Ck1 Ck K1 J2 Q2 Ck2 Q1 K2 Q4 Q3 Q2 J3 J4 Q3 Ck3 Q2 K3 Q4 Ck4 K4 Q3 Q4 Clr Hình 5. 17 Thanh ghi d ch ph i Trong ó: - DSR (Data Shift Right): Ngõ vào Data n i ti p (ngõ vào d ch ph i) -... = A→ d li u A c nh p vào FF Tuy nhiên, cách này ph i dùng nhi u c ng logic không kinh t và ph i dùng chân Clr là chân xóa nên ph i thi t k xóa ng b Pr Clr 3 2 Load 1 A Hình 5. 15 kh c ph c nh ng nh c m ó dùng m ch nh trên hình 5. 16 : - Chân Clr tr ng t ng ng v i m c logic 1 - Khi Load = 0 : c ng NAND khóa → Pr = Clr =1 → FF t do D li u không c nh p vào FF - Khi Load = 1 : c ng NAND m → Pr = A Gi s... J1= K1= Q 3 = 1; J2= K2= Q1= 0; J3 = Q2.Q1 = 0, K3 = 1 (Ho c K3 = Q3 = 0) : - Khi Ck5 J1 = K1 = 1 4 ⇒ Q1 = Q1 = 0 J2 = K2 = 1 ⇒ Q2 = Q 4 = 0 2 J3 = 0, K3 = 1 ⇒ Q3 =0 b t ch p tr ng thái tr ⇒ Q3 Q2 Q1 = 000 c ó Lúc ó: J1 = K1= Q 3 = 1; J2 = K2= Q1= 0; J3 = Q2.Q1 = 0, K3 = 1 ch tr v tr ng thái ban u c ó Ch ng 5 H tu n t 5. 2.4 Trang 113 m thu n ngh ch thi t k m ch cho phép v a m lên v a m xu ng, ta th... Q4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Q1 Q2 Hình 5. 12 Gi n th i gian 2 n i ti p ghép v i 5 song song Nh n xét: Cách ghép này dùng m th p phân, nh ng không dùng chia t n s ng tr ng thái mô t ho t ng c a m ch: Tr Xung vào Tr ng thái hi n t Ck Q4 Q3 Q2 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 1 0 6 0 1 0 7 0 1 1 8 0 1 1 9 1 0 0 10 1 0 0 ng h p 2: 5 song song, 2 n i ti p Q1 Q2 Ck i Q1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Q4 0 0 0 0 0 0 0 . mch thc hin m 5 nh trên hình 5. 5 : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr T Ck 3 Q 3 1 Hình 5. 5. Mch m 5, m lên Bài ging K THUT S Trang 108 Y 1 C1 R1 Y VCC 1 Hình 5. 7. Mch Reset mc. lt c cho trên hình 5. 3a và 5. 3b : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr H 5. 3b Ck Hình 5. 3a Ck T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 Hình 5. 4a. Gin  thi gian mch H 5. 3a 1 2 3 4 5 7 8 Ck Q 1 Q 2 11 1 1 0 0 0 0 1 Q 0 0 00. Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 H 5. 1b Ck 1 2 3 4 5 7 8 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 Ck Q 1 Q 2 Hình 5. 2a. Gin  thi gian mch hình 5. 1a Bài ging K THUT S Trang 104 Gin  thi gian mch hình 5. 1b : ng