Bài giảng kỹ thuật số ứng dụng - Chương 4 pptx

Chng 4. H tun t Trang 75 Chng 4  TUN T 4.1. 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 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,  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). 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 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. 4.2. BM 4.2.1. 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 (quy lut m) 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 2 n . + Bm vi dung lng m khác 2 n (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 b), § m song song (ng b), § m hn hp m song song ghép ni tip nhau). Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 76 4.2.2. 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 - Tín 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 4.1a): T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr Hình 4.1a Ck Chng 4. H tun t Trang 77 Trng hp Ck tác ng theo sn lên (hình 4.1b): 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 m  hình 4.1a c cho: ng trng thái hot ng ca mch hình 4.1a: 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 4.1b 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 4.2a. Gin  thi gian mch hình 4.1a Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 78 Gin  thi gian mch hình 4.1b : ng trng thái hot ng ca mch hình 4.1b : 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. 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. 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 4.2b. Gin  thi gian mch hình 4.1b Chng 4. H tun t Trang 79  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 4.3a và 4.3b : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr H 4.3b Ck Hình 4.3a Ck T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 Hình 4.4a. Gin  thi gian mch H 4.3a 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 Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 80 ng trng thái hot ng ca mch hình 4.3a: 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 4.3b: ng trng thái hot ng ca mch hình 4.3b : 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 4.4b. 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 4. H tun t Trang 81 d. m modulo M: ây là bm ni tip, theo mã BCD 8421, có dung lng m 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 4.5 : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr T Ck 3 Q 3 1 Hình 4.5. Mch m 5, m lên Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 82 Y 1 C1 R1 Y VCC 1 Hình 4.7. 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 4.7 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 4.8) và bng tay (H 4.9): 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 4.6. 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 4.8. Mch cho phép xóa bm tng Chng 4. H tun t Trang 83 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 4.9. 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. 4.2.3. 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: Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 84 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 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 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 [...]... c khi nh p ph i xóa FF v 0 Pr Clr Load A Hình 4. 16 Ch ng 4 H tu n t Trang 91 Ví d : Xét m t thanh 4 bit có kh n ng d i ph i (hình 4. 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 4. 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) - Q1, Q2,Q3, Q4 : các ngõ ra song song gi i thích ho t ng c... Pr J4 Q3 Ck3 Q2 K3 Q4 Ck4 K4 Q3 Q4 Clr Hình 4. 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 4. 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 1 1 1 1 Q1 1 1 1 1 0 0 0 0 Q2 0 1 1 1 1 0 0 0 Q3 0 0 1 1 1 1 0 0 Q4 0 0 0 1 1 1 1 0 c ng d ng nhi u trong th c t 4. 3.3 B nh 1 Các khái ni m - - - bào nh (Memory cell)... (hình 4. 11) Q1 1 Ck J B m 2n i Ck1 ti p Q2 Q3 Q4 B m 5 song song Ck2 K Clr Hình 4. 11 B m 2 n i ti p ghép v i b m 5 song song Khoa TVT – HBK N – Tháng 08.2006 Trang 88 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 4. 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 4. 12 Gi... = C, Q4 = D Ho t ng d ch ph i c a thanh ghi: - Xét FF1: D = DSR1, Q1 = A u DSR1 = 0 → Q = 0 ; n u DSR1 = 1 → Q = 1 t lu n: Sau m t xung Ck tác ng s n xu ng thì Q1 = DSR1 - Lúc ó FF2, FF3,FF4 : Q2 = A, Q3 = B, Q4 = C c là sau khi Ck tác ng s n xu ng thì n i dung trong thanh ghi Sau 4 xung, d li u trong thanh ghi c xu t ra ngoài và n i dung DFF li u t ngõ vào DATA n i ti p DSR1, DSR2, DSR3, DSR4 Ta có... vào d li u: - Ngõ vào d li u n i ti p - Ngõ vào d li u song song: Song song không ng b , song song ng b Phân lo i theo ngõ ra: - Ngõ ra n i ti p - Ngõ ra song song - Ngõ ra v a n i ti p v a song song 3 Gi i thi u m t s thanh ghi d ch Ph ng pháp nh p d li u vào FF b ng chân Preset (Pr): - Khi Load = 0 : C ng NAND 3 và 2 khóa → ngõ vào Pr = Clr = 1 c FF → FF t do → d li u A không nh p vào - Khi Load... thay i trong các lo i máy tính t 4 n 64 bit Byte: t nhóm t nh 8 bit Dung l ng b nh Dung l ng b nh ch kh n ng l u tr c a b nh Ví d : 1K = 210 ; 2K = 211; 4K = 2 12 ; 1M = 2 20 a ch Dùng xác nh các vùng c a các t trong b nh Xét b nh g m 16 ng n nh t ng ng 16 t , ta c n dùng 4 ng a ch ( 24 = 16 → có 4 ng a ch ) Nh v y có m i quan h gi a a ch và dung l ng b nh Ch ng 4 H tu n t Trang 93 Ví d : qu n lý... 1 2 3 4 Tr ng c a m ch: Tr ng thái hi n t i Q1 Q2 Q3 Q4 A B C D DSR1 A B C DSR2 DSR1 A B DSR3 DSR2 DSR1 A ng h p ngõ ra Q c d i sang ph i 1 bit c thay th b ng các d Q1 DSR1 DSR2 DSR3 DSR4 Tr ng thái k Q2 Q3 A B DSR1 A DSR2 DSR1 DSR3 DSR2 c n i v i ngõ vào d li u n i ti p DSR (hình 4. 18) Q4 C B A DSR1 Khoa TVT – HBK N – Tháng 08.2006 Pr DSR J1 Pr Q1 Ck1 Ck K1 Trang 92 J2 J3 Q2 Ck2 Q1 K2 Pr Pr J4 Q3 Ck3... 5 song song n i ti p 2 1 4 3 2 5 m 2 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 4. 14 Gi n th i gian Nh n xét: Cách ghép này không c dùng ns ng tr ng thái mô t ho t ng c a m ch : Xung vào Ck 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 m 5 song song ghép 2 n i ti p m th p phân, nh ng l i thích h p cho vi c chia Tr ng thái hi n t i Q4 Q3 Q2 Q1 0 0 0 0 0 0 0... 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tr Q4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Tr ng thái hi n t Q3 Q2 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 i Q1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Q4 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 Tr ng thái k ti p Q3 Q2 Q1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 ng h p 2: 5 song song, 2 n i ti p Q1 Q2 Ck Q4 Q3 B m 5 song song Ck1 J B m2 n i ti p Ck2 K Clr Hình 4. 13 B m 5 song song ghép n i ti p v i b m 2 Ch ng 4 H tu... 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 4. 15 kh c ph c nh ng nh c m ó dùng m ch nh trên hình 4. 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 ban u : Q = 0 u A = 0 → Pr = 1, Clr = 1 ⇒ Q = Q0 = 0 u A = 1 → Pr . 4. 18). Ck 1 Q 1 1 Q J 1 K 1 Ck 2 Q 2 2 Q J 2 K 2 Ck 3 Q 3 3 Q J 3 K 3 Load Q 2 Q 1 C k Clr Ck 4 Q 4 4 Q J 4 K 4 Q 3 Q 4 A B C D DSR Hình 4. 17. Thanh ghi dch phi Khoa TVT – HBKN – Tháng 08.2006 Trang 92 Ta có bng trng thái hot ng ca mch hình 4. 18: Trng thái. nh. Ck 1 Q 1 1 Q J 1 K 1 Ck 2 Q 2 2 Q J 2 K 2 Ck 3 Q 3 3 Q J 3 K 3 PrPr C k Clr Ck 4 Q 4 4 Q J 4 K 4 Pr Pr DSR Hình 4. 18. Chng 4. H tun t Trang 93 Ví d :  qun lý c b nh có dung lng là 8 KB thì cn 13 ng a ch vì 2 13 = 8192 bytes = 8KB. - Hot ng. 4. 3b : T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr H 4. 3b Ck Hình 4. 3a Ck T Ck 1 T Ck 2 Q 2 Q 1 11 Ck Clr 1 Q Q 2 Hình 4. 4a. Gin  thi gian mch H 4. 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