Tiểu luận cuối kỳ thí nghiệm điện tử số

thức lý thuyết vào thực tế thông qua các thí nghiệm điện tử số.Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện thí nghiệm, em đã có được cái nhìn sâu sắc hơn về cách các mạch số hoạt động và ứng d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN LANGKHOA KỸ THUẬT – CƠ ĐIỆN – MÁY TÍNH

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

HO CHI MINH CITY, 2023ĐỀ BÀI:

1 Tìm hiểu lịch sử, cấu trúc của chương trình của ngôn ngữ VHDL dùng trong kỹ thuật số Vận dụng ngôn ngữ lập trình VHDL của các mạch số cơ bản viết cổng AND , cổng OR , NAND, NOR 3 ngõ vào.

2 Tìm hiểu mạch tổ hợp: mạch cộng, mạch mã hóa, mạch giải mã, mạch dồn kênh và mạch ghép kênh.

3 Tìm hiểu về cấu trúc máy tính và hệ điều hành.

Lời nói đầu

Kính thưa thầy Trong suốt quá trình học kỳ, em đã có cơ hội nắm bắt và áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế thông qua các thí nghiệm điện tử số.

Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện thí nghiệm, em đã có được cái nhìn sâu sắc hơn về cách các mạch số hoạt động và ứng dụng của chúng trong thế giới thực.

Em đã đặt ra câu hỏi nghiên cứu và thực hiện thí nghiệm để trả lời chúng, với mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào sự hiểu biết chung về lĩnh vực này.

Hy vọng rằng thông qua bài tiểu luận này, em đã trình bày một cách rõ ràng và chân thực về kết quả của mình em mong nhận được ý kiến đóng góp và phản hồi xây dựng từ quý thầy để từ đó còn học hỏi và hoàn thiện hơn trong tương lai.

Xin chân thành cảm ơn!

3 Mục lục

1.Tìm hiểu lịch sử, cấu trúc của chương trình của ngôn ngữ VHDL dùng trongkỹ thuật số Vận dụng ngôn ngữ lập trình VHDL của các mạch số cơ bản viết

cổng AND , cổng OR , NAND, NOR 3 ngõ vào 4

1.1 Lịch sử 4

1.2 Cấu trúc 4

1.3 Vận dụng ngôn ngữ lập trình VHDL của các mạch số cơ bản viết cổng AND , cổng OR , NAND, NOR 3 ngõ vào 7

2.1.1 Mạch Cộng Đơn (Half Adder): 10

2.1.2 Mạch Cộng Đầy Đủ (Full Adder): 10

3.Tìm hiểu về cấu trúc máy tính và hệ điều hành 16

3.1 Các thành phần cơ bản của máy tính 16

3.2 Hệ điều hành 18

4 TRÌNH BÀY:

1 TÌM HIỂU LỊCH SỬ, CẤU TRÚC CỦA CHƯƠNG TRÌNH CỦA NGÔNNGỮ VHDL DÙNG TRONG KỸ THUẬT SỐ VẬN DỤNG NGÔN NGỮLẬP TRÌNH VHDL CỦA CÁC MẠCH SỐ CƠ BẢN VIẾT CỔNG AND ,CỔNG OR , NAND, NOR 3 NGÕ VÀO.

1.1LỊCH SỬ

Vào năm 1983, VHDL được khai triển theo yêu cầu của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ để 

ghi lại hành vi của các mạch ASIC mà các công ty cung cấp linh kiện đang dùng trong thiết bị của họ Chuẩn MIL-STD-454N, Yêu cầu 64, Mục 4.5.1 "Ghi chép về ASIC 

bằng VHDL" có chỉ định rõ yêu cầu ghi chép tư liệu của "Các thiết bị Vi điện tử" bằng ngôn ngữ VHDL.

Ý tưởng giả lập các mạch ASIC chỉ từ thông tin trong các tư liệu trên cuốn hút đến nỗi các trình giả lập mạch logic được phát triển để đọc định dạng file VHDL này Bước phát triển tiếp sau đó là các công cụ tổng hợp mạch logic đọc mã VHDL và xuất ra cách cài đặt bằng phần cứng của mạch đã cho.

Do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ yêu cầu cú pháp của VHDL gần với Ada nhất có thể để tránh phải "phát minh lại" các khái niệm đã có sẵn và được thực nghiệm kĩ từ trước trong ngôn ngữ Ada, VHDL mượn khá nhiều khái niệm và cú pháp ngôn ngữ từ Ada.

1.2CẤU TRÚC

Tất cả các chương trình VHDL bao gồm ít nhất ba thành phần cơ bản sau đây:  Khai báo thư viện (LIBRARY): Chứa danh sách tất cả các thư viện sẽ được sử

dụng trong thiết kế Ví dụ: ieee, std, work, v.v.

 ENTITY (thực thể): Entity dùng để khai báo tên của thực thể, các port của thực thể và các thông tin liên quan đến

thực thể.

 ARCHITECTURE (kiến trúc): Kiến trúc mô tả chức năng cơ bản của thực thể và chứa nhiều phát biểu mô tả hành vi của thực thể Kiến trúc luôn luôn có liên quan đến thực thể và các mô tả hành vi của thực thể.

 Signal and Component Declarations: Trong phần architecture, bạn có thể khai báo các tín hiệu và components sẽ được sử dụng trong mạch.

 Body of Architecture: Trong phần này, bạn triển khai logic của mạch sử dụng các tín hiệu, components, và toán tử logic.

 Configuration (Optional): Configuration là một phần tùy chọn, được sử dụng để kết hợp nhiều entities và architectures lại với nhau.

Cấu trúc của chương trình VHDL như sau:

LIBRARY library_name;

USE library_name.package_name.package_parts;

ENTITY entity_name IS PORT (

port_name : signal_mode signal_type; port_name : signal_mode signal_type; …);

END entity_name;

Trong ví dụ trên, AND_GATE là tên của mô-đun VHDL, và nó có hai đầu vào (input1 và input2) và một đầu ra) (output) Kiến trúc (architecture) được gọi là "Behavioral," và trong quá trình (process) định nghĩa hoạt động của cổng AND.

Tương tự như ví dụ về cổng AND, trong mô-đun OR_GATE, có hai đầu vào (input1 và input2) và một đầu ra (output) Trong phần kiến trúc (architecture) được gọi là "Behavioral," quá trình (process) định nghĩa hoạt động của cổng OR.

1.3.3 Cổng NAND

this is a dataflow model of a 2-input NAND gate

entity NAND_gate định nghĩa các đầu vào (A và B) và đầu ra (Y) của cổng NAND architecture dataflow là phần trong đó chúng ta mô tả cách cổng NAND hoạt động Trong trường hợp này, nó được triển khai bằng cách sử dụng cổng NOT (not) để thực hiện phép toán NAND trên A và B.

entity NOR3_gate định nghĩa cổng NOR với 3 đầu vào (A, B, C) và một đầu ra (Y) architecture dataflow là phần trong đó chúng ta mô tả cách cổng NOR hoạt động Trong trường hợp này, nó được triển khai bằng cách sử dụng cổng NOT (not) và cổng OR (or) để thực hiện phép toán NOR trên A, B và C.

2 TÌM HIỂU MẠCH TỔ HỢP: MẠCH CỘNG, MẠCH MÃ HÓA, MẠCHGIẢI MÃ, MẠCH DỒN KÊNH VÀ MẠCH GHÉP KÊNH.

2.1MẠCH CỘNG

Mạch cộng, hay adder, là một mạch số học được thiết kế để thực hiện phép toán cộng giữa hai hoặc nhiều số Mạch cộng là một phần quan trọng trong các mô-đun xử lý của máy tính và các hệ thống số khác Có một số loại mạch cộng khác nhau, bao gồm mạch cộng đơn (half adder), mạch cộng đầy đủ (full adder), và các biến thể phức tạp hơn như carry-lookahead adder.

2.1.1 Mạch Cộng Đơn (Half Adder):

Mô Tả: Mạch cộng đơn thực hiện phép cộng giữa hai bit đầu vào và tạo ra hai bit đầu ra: một bit kết quả (sum) và một bit nhớ (carry).

Đầu Vào: A, B (2 bit)

Đầu Ra: Sum (A XOR B), Carry (A AND B)

2.1.2 Mạch Cộng Đầy Đủ (Full Adder):

Mô Tả: Mạch cộng đầy đủ cải tiến mạch cộng đơn bằng cách thêm một bit nhớ đầu vào và tạo ra hai bit đầu ra: một bit kết quả (sum) và một bit nhớ (carry).

11 Đầu Vào: A, B (2 bit), Carry In

Đầu Ra: Sum (A XOR B XOR Carry In), Carry Out (A AND B OR (Carry In AND (A XOR B)))

2.1.3 Carry-Lookahead Adder

Mô Tả: Carry-lookahead adder là một biến thể phức tạp hơn giúp giảm độ trễ trong quá trình cộng Nó sử dụng các mạch logic để tính toán trước các bit nhớ mà không cần chờ kết quả của các bit trước đó.

Ưu Điểm: Giảm độ trễ so với mạch cộng đầy đủ khi có nhiều bit cần cộng.

Một mạch cộng 4-bit có thể được xây dựng bằng cách sử dụng nhiều mạch cộng đầy đủ kết nối lại với nhau Mỗi bộ cộng sẽ cộng 4 bit đầu vào và bit nhớ từ bộ cộng trước đó.

2.2MẠCH MÃ HÓA

Mạch mã hóa, hay encoder, là một mạch số học được thiết kế để chuyển đổi một tập hợp các tín hiệu đầu vào thành một tín hiệu đầu ra duy nhất Chức năng chính của mạch mã hóa là giảm số lượng dữ liệu đầu vào bằng cách biểu diễn chúng dưới dạng ít bit hơn, thường là một đầu ra duy nhất.

 Cấu Trúc Mạch Mã Hóa:

Mạch mã hóa thường bao gồm nhiều đầu vào (IN), một đầu ra (OUT), và thỉnh thoảng một số bit kiểm soát để xác định trạng thái hoạt động của mạch.

 Chức Năng Hoạt Động:

Mạch mã hóa xác định một giá trị đặc biệt của các tín hiệu đầu vào và tạo ra một đầu ra duy nhất tương ứng với giá trị đó Nếu có nhiều tín hiệu đầu vào cùng có giá trị, mạch mã hóa thường chỉ chọn một giá trị duy nhất để đại diện.

 Ứng Dụng:

Mạch mã hóa thường được sử dụng để giảm số lượng dây truyền thông tin trong hệ thống và làm cho việc truyền thông tin trở nên hiệu quả hơn, đặc biệt trong các ứng dụng truyền thông và lưu trữ dữ liệu.

Một ví dụ đơn giản là mạch mã hóa 4-đầu vào (IN0, IN1, IN2, IN3) thành 2-đầu ra (OUT0, OUT1)

2.3MẠCH GIẢI MÃ

Mạch giải mã, hay decoder, là một mạch số học được thiết kế để chuyển đổi một tín hiệu đầu vào thành một tập hợp các tín hiệu đầu ra Chức năng chính của mạch giải mã là dịch ngược lại quá trình mã hóa, trong đó một số bit đầu vào được chuyển đổi thành một tập hợp lớn hơn các giá trị đầu ra.

 Cấu Trúc Mạch Giải Mã:

Mạch giải mã thường có nhiều đầu vào (IN), một số bit đầu ra (OUT), và thỉnh thoảng một tín hiệu kiểm soát để xác định trạng thái hoạt động của mạch.

 Chức Năng Hoạt Động:

Khi một tín hiệu đầu vào được đưa vào, mạch giải mã sẽ xác định giá trị của nó và kích hoạt một trong các tín hiệu đầu ra tương ứng Mỗi giá trị của tín hiệu đầu vào sẽ được ánh xạ đến một giá trị đầu ra cụ thể.

 Ứng Dụng:

Mạch giải mã thường được sử dụng trong các ứng dụng như bộ giải mã địa chỉ bộ nhớ (memory address decoder) trong hệ thống máy tính, hay trong việc chuyển đổi từ một định dạng đầu vào thành một định dạng đầu ra khác.

Một ví dụ phổ biến về mạch giải mã là mạch giải mã BCD-7 đoạn, nơi một số BCD (Binary Coded Decimal) 4-bit đầu vào được chuyển đổi thành tín hiệu 7 đoạn để hiển thị số từ 0 đến 9 trên một hiển thị LED 7 đoạn Mỗi giá trị BCD đầu vào (0000 đến 1001) sẽ được ánh xạ đến một trong 10 giá trị 7 đoạn tương ứng.

Mạch dồn kênh, hay multiplexer (mux), là một mạch số học được thiết kế để chọn một trong nhiều đầu vào và đưa ra một đầu ra dựa trên tín hiệu kiểm soát Nó thường được biểu diễn dưới dạng hình hộp với nhiều đầu vào và một đầu ra.

 Cấu Trúc Mạch Dồn Kênh:

Mạch dồn kênh thường bao gồm nhiều đầu vào (IN), một đầu ra (OUT), và một tín hiệu kiểm soát (SEL) để xác định đầu vào nào sẽ được chọn Số lượng đầu vào có thể là 2^n, với n là số bit của tín hiệu kiểm soát.

 Chức Năng Hoạt Động:

Khi tín hiệu kiểm soát thay đổi, mạch dồn kênh sẽ chọn một trong các đầu vào tương ứng để truyền thông tin từ đầu vào đến đầu ra Mỗi đầu vào có thể được xem như là một kênh riêng lẻ, và thông tin từ kênh được chọn sẽ được đưa ra đầu ra.

 Ứng Dụng:

Mạch dồn kênh thường được sử dụng để kết hợp nhiều nguồn thông tin và chuyển đổi giữa chúng dựa trên điều kiện xác định Ví dụ, trong việc chọn giữa nhiều đường dữ liệu đến một bộ xử lý hoặc bộ nhớ, mạch dồn kênh rất hữu ích.

 Công Thức Chọn Kênh:

Nếu n là số bit của tín hiệu kiểm soát, thì số lượng đầu vào của mạch dồn kênh sẽ là 2^n Công thức chọn kênh được sử dụng để xác định đầu vào nào sẽ được kích hoạt tại một thời điểm cụ thể:

Ví dụ về một mạch dồn kênh 4 đầu vào (IN0, IN1, IN2, IN3) và 1 đầu ra (OUT)

Mạch ghép kênh, hay demultiplexer (demux), là một mạch số học được thiết kế để chia một đường dữ liệu đầu vào thành nhiều đường dữ liệu đầu ra dựa trên tín hiệu kiểm soát Nó thường được biểu diễn dưới dạng hình hộp với một đường dữ liệu đầu vào và nhiều đường dữ liệu đầu ra.

 Cấu Trúc Mạch Ghép Kênh:

Mạch ghép kênh thường có một đầu vào (IN), một tín hiệu kiểm soát (SEL), và nhiều đầu ra (OUT) Số lượng đầu ra phụ thuộc vào bộ chọn (selector) hay tín hiệu kiểm soát Số lượng đầu ra có thể là 2^n, với n là số bit của tín hiệu kiểm soát.

 Chức Năng Hoạt Động:

Khi tín hiệu kiểm soát thay đổi, mạch ghép kênh sẽ chọn một trong các đầu ra tương ứng để truyền thông tin từ đầu vào đến Mỗi đầu ra có thể được xem như là một kênh riêng lẻ, và thông tin từ đầu vào sẽ được định tuyến tới một trong các kênh này.

 Ứng Dụng:

Mạch ghép kênh thường được sử dụng để phân tách một tín hiệu từ một nguồn đầu vào ra nhiều nguồn đầu ra khác nhau, giống như cách một truyền hình có thể chọn giữa nhiều kênh.

 Công thức chọn kênh:

Nếu n là số bit của tín hiệu kiểm soát, thì số lượng đầu ra của demux sẽ là 2^n Công thức chọn kênh được sử dụng để xác định kênh nào sẽ được kích hoạt tại một thời điểm cụ thể:

Ví dụ về một mạch ghép kênh 2 đầu vào (IN1, IN2) và 4 đầu ra (OUT0, OUT1, OUT2, OUT3):

3 TÌM HIỂU VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH.3.1CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH

Cấu trúc máy tính là cách mà các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính được tổ chức và kết nối với nhau để thực hiện các chức năng tính toán Cấu trúc máy tính bao gồm nhiều thành phần, trong đó có bộ xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi, và các đường truyền thông tin giữa chúng Dưới đây là một số khái niệm quan trọng trong cấu trúc máy tính:

Bộ xử lý (CPU): Là "trái tim" của máy tính, nơi thực hiện các phép tính toán và quản lý các tác vụ khác Bộ xử lý thường bao gồm một bộ điều khiển (control unit) và một bộ logic (ALU - Arithmetic Logic Unit).

chính là bộ nhớ chính (RAM - Random Access Memory) và bộ nhớ lưu trữ (ví dụ: ổ cứng).

thành phần khác nhau của máy tính, bao gồm bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus kiểm soát.

máy in, và các thiết bị lưu trữ ngoại vi.

của máy tính và điều khiển nguồn vào các phần khác nhau.

thành phần khác nhau của máy tính, bao gồm việc đọc lệnh từ bộ nhớ, giải mã chúng và thực hiện các hành động tương ứng.

cách kiểm soát việc nhảy đến các địa chỉ khác nhau trong bộ nhớ dựa trên các điều kiện.

3.2HỆ ĐIỀU HÀNH

Hệ điều hành (Operating System - OS) là một phần mềm quản lý và điều khiển tài nguyên của máy tính hoặc thiết bị điện tử khác Nó cung cấp một giao diện giữa phần cứng và phần mềm ứng dụng, giúp người dùng và các ứng dụng tương tác với tài nguyên hệ thống Dưới đây là một số khái niệm quan trọng về hệ điều hành:

CPU, thiết bị đầu vào/đầu ra (I/O devices), và các tài nguyên khác Nó đảm bảo rằng tất cả các ứng dụng và tiến trình có thể sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả và không xung đột.

người dùng Có hai loại giao diện chính là giao diện đồ họa (GUI - Graphical User Interface) và giao diện dòng lệnh (CLI - Command Line Interface).

quản lý bộ nhớ chính (RAM) và có thể tạo ra các không gian bộ nhớ ảo để mở rộng dung lượng lưu trữ.

tổ chức và truy cập dữ liệu một cách hiệu quả.

threads) để đảm bảo thực hiện đồng thời và hiệu quả của các tác vụ.

nguyên hệ thống được bảo vệ và chỉ có những người dùng được ủy quyền mới có thể truy cập.

trình có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau Ví dụ về một số hệ điều hành:

Một hệ điều hành (Operating System - OS) là một phần mềm quản lý tài nguyên và cung cấp giao diện giữa người dùng và phần cứng máy tính Dưới đây là một ví dụ cụ thể về một hệ điều hành phổ biến - Microsoft Windows:

Hệ Điều Hành: Microsoft Windows 10 Kernel:

 Windows 10 sử dụng kernel làm trung tâm của hệ điều hành Kernel quản lý tài nguyên hệ thống như bộ nhớ, tiến trình, tệp tin, và giao tiếp với phần cứng Giao Diện Người Dùng:

 Windows 10 cung cấp một giao diện người dùng đồ họa, có tên là Desktop, cho phép người dùng tương tác với hệ điều hành bằng cách sử dụng chuột, bàn phím, và màn hình cảm ứng.

Quản Lý Tài Nguyên:

 Hệ điều hành Windows quản lý bộ nhớ và tài nguyên hệ thống để đảm bảo ổn định và hiệu suất cao cho các ứng dụng và tiến trình.

Hệ Thống Tệp Tin:

 Windows sử dụng hệ thống tệp tin NTFS để quản lý và tổ chức dữ liệu trên đĩa cứng Nó hỗ trợ nhiều chức năng như quản lý quyền truy cập và mã hóa tệp tin Mạng:

 Hệ điều hành Windows hỗ trợ kết nối mạng và cung cấp các giao thức như TCP/IP để truyền dữ liệu qua mạng.

Phần Mềm Ứng Dụng:

 Windows hỗ trợ nhiều ứng dụng và chương trình ứng dụng đa dạng như Microsoft Office, trình duyệt web, phần mềm giải trí, và nhiều ứng dụng khác Bảo Mật:

 Windows cung cấp các tính năng bảo mật như tường lửa, Windows Defender (phần mềm chống virus và malware), và các cập nhật bảo mật định kỳ Quản Lý Tiến Trình và Dịch Vụ:

 Kernel của Windows quản lý các tiến trình và dịch vụ chạy trên hệ thống, đảm bảo chúng hoạt động một cách hiệu quả.

Giao Tiếp Với Phần Cứng:

 Windows tương tác với phần cứng thông qua các trình điều khiển (drivers), đảm bảo tính tương thích và sự ổn định.

Windows 10 là một ví dụ tiêu biểu về hệ điều hành máy tính dành cho người dùng cá nhân và doanh nghiệp, và nó thường được cài đặt trên nhiều loại máy tính từ máy tính