MỤC LỤC Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic.1.1Khảo sát IC tách kênhgiải mã tiêu biểu 74LS138 1.2Ứng dụng IC 74138 vào thiết kế mạch thực hiện chức năng logic. Bài 2: Thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ 2 số nhị phân 4 bit. 2.1 Tìm hiểu IC 74LS83 2.2 Thiết kế mạch cộng trừ sử dụng IC 74LS83 Bài 3: Thiết kế mạch thực hiện chức năng nhân 2 số nhị phân 4 bit. 3.1 Nhân hai số nhị phân 3.2 Mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit dùng 3 IC 74LS38 thiết kế như hình Bài 4: Thiết kế mạch thực hiện chức năng chia 2 số nhị phân 4 bit. 4.1 Chia 2 số nhị phân Bài 5: Tìm hiểu cấu tạo,tính năng của IC 74LS181 và khối ALU 4 bit. 5.1 Mục đích 5.2 Thiết kế ALU Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR .1.1 :Khảo sát IC tách kênhgiải mã tiêu biểu 74LS138•74LS138 là IC MSI giải mã 3 đường sang 8 đường hay tách kênh 1 đường sang 8 đường thường dùng và có hoạt động logic tiêu biểu, nó còn thường được dùng như mạch giải mã địa chỉ trong các mạch điều khiển và trong máy tính.•Sơ đồ chân và kí hiệu logic như hình dưới đây : Hình 1: Kí hiệu khối và chân ra của 74LS138•Trong đó
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN
ĐIỆN TỬ SỐ
Bài số 11: Thiết kế 1 khối ALU 4 bit thực hiện các phép tính toán học và logic
Mô hình hệ thống
Thực hiện chức năng logic: AND,OR,NOT,NAND,NOR,XOR,XNOR
Thực hiện các phép toán: cộng, trừ, nhân, chia.
Giảng viên hướng dẫn: ThS TRẦN THÚY HÀ
Nhóm Sinh viên thực hiện: TRỊNH CÔNG THỨC
NGUYỄN VĂN HUY MAI XUÂN DUY NGUYỄN VIỆT TIẾN
Trang 2MỤC LỤC
Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic.
1.1 Khảo sát IC tách kênh/giải mã tiêu biểu 74LS138
1.2 Ứng dụng IC 74138 vào thiết kế mạch thực hiện chức năng logic.
Bài 2: Thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ 2 số nhị phân 4 bit.
2.2 Thiết kế mạch cộng trừ sử dụng IC 74LS83
3.1 Nhân hai số nhị phân
3.2 Mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit dùng 3 IC 74LS38 thiết kế như hình
Bài 4: Thiết kế mạch thực hiện chức năng chia 2 số nhị phân 4 bit.
4.1 Chia 2 số nhị phân
Bài 5: Tìm hiểu cấu tạo,tính năng của IC 74LS181 và khối ALU 4 bit.
5.1 Mục đích
5.2 Thiết kế ALU
Trang 3Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR,
XOR, XNOR
1.1 :Khảo sát IC tách kênh/giải mã tiêu biểu 74LS138
thường dùng và có hoạt động logic tiêu biểu, nó còn thường được dùng như mạch giải mã địa chỉ trong các mạch điều khiển và trong máy tính.
Hình 1: Kí hiệu khối và chân ra của 74LS138
Trang 41 1
U86 OR
U87 AND
A 1 B 2 C 3
E1 6 E2 4 E3 5
Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7U88
74LS138
1 0 0 1
U89 NOT
A1B1
IC 74LS138
OR
U90 AND
U91 AND
U92 AND
U93 OR
U94 OR
U95 OR
A2B2 A3B3 A4B4
T1 T2 T3 T4
Hình 3: mạch thực hiện chức năng logic OR sử dụng IC 74138
Trang 5U13 AND U14 AND U15 AND U16 AND
U18 OR U19 OR U20 OR U25 OR
1 1 0 1
1
A3 B1 B3
U26 AND U27 AND U28 AND U29 AND
U30 AND U31 AND U32 AND U33 AND
U34 NOT U35 NOT U36 NOT U37 NOT
U38 AND U39 AND U40 AND U41 AND
U43 NAND U42 NAND U44 NAND U45 NAND
U46 AND U47 AND U48 AND U49 AND
U50 NOR_2 U51 NOR_2 U52 NOR_2 U53 NOR_2
U54 AND U55 AND U56 AND U57 AND
U58 XOR U59 XOR U60 XOR U61 XOR
U62 AND U63 AND U64 AND U65 AND
U66:A 4077
U66:B 4077
U66:C 4077
U66:D 4077
U67 AND U68 AND U69 AND U70 AND
IC giai ma dia chi
Hình 4: Mạch thực hiện chức năng logic
Bài 2: Thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ 2 số nhị phân 4 bit.
Để thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ ta sử dụng IC 74LS83
Hình 5:Kí hiệu khối và chân ra 74LS83
Trong đó 2 số 4 bit vào là A 4 A 3 A 2 A 1 và B 4 B 3 B 2 B 1
Số nhớ ban đầu là C 0
Vậy tổng ra sẽ là C 4 S 4 S 3 S 2 S 1 , với C 4 là số nhớ của phép cộng
Trang 7Đây là một mạch cộng song song vì các hàng được cộng cùng một lúc tuy nhiên như cấu trúc mạch ở trên thì các bit ra của tổng không phải là đồng thời bởi vì các phép cộng ở các bit cao thì chậm hơn do phải chờ bit nhớ ở phép cộng trước đưa tới Tức là đã có trì hoãn làm giảm tính đồng bộ của mạch Nếu thêm vào mạch cho phép cung cấp sẵn các bit nhớ để phục vụ cho các phép cộng ở các hàng được cùng lúc thì sẽ khắc phục được điểm này Với công nghệ tích hợp cao, việc thêm mạch cung cấp sẵn các bit nhớ trở nên dễ dàng hơn khi đó mạch trở thành mạch cộng có số nhớ nhìn trước.
Mạch trừ 4 bit:
Sơ đồ 2: mạch trừ 4 bít
Mạch cộng trừ kết hợp
Trang 8Bây giờ nếu thêm vào một số cổng logic cần thiết ta đã có 1 mạch có thể
cộng hay trừ tuỳ theo ngõ vào điều
khiển CT
Khi CT = 0, các cổng XOR có 1 ngõ ở thấp nên cho số B qua không bị
đảo, tức là mạch thực hiện phép cộng
Khi CT = 1, các cổng XOR có 1 ngõ ở cao nên hoạt động như 1 cổng
NOT, số B bị đảo, khi này mạch thực
để thực hiện phép toán trừ nhị phân kể
cả số có dấu Cách này được sử dụng
phổ biến ở VXL và máy tính.
Hình bên là mạch cộng trừ 2 số 4 bit dùng bù 2 Để ý là mạch khá giống
như nó ở cách dùng bù 1 nhưng bit nhớ
ra cuối cùng không cần đem về tầng
đầu Tổng hay hiệu ra ở dạng bù 2,
muốn lấy đúng kết quả thì phải chuyển
trở lại.
Khi đó mạch cộng trừ nhị phân 4
Ta có mạch cộng trừ 2 số 4 bít được mô phỏng bởi proteus như hình vẽ:
Trang 99 S2 A2 8
6 S3 A3 3
2 S4 A4 115 B1 11B2 7B3 4B4 16 C0 13 C4 14
Dieu Khien Cong (M=0) Va Tru (M=1)
Ket Qua Cong / Tru
Bài 3: Thiết kế mạch thực hiện chức năng nhân 2 số nhị phân 4 bit.
3.1 Nhân hai số nhị phân
Phép tính nhân trong hệ nhị phân cũng tương tự như phương pháp làm trong hệ thập phân Hai số A
và B được nhân với nhau bởi những tích số của các kí số 0 và 1 của A và B: với mỗi con số ở B, tíchcủa nó với số một con số trong A được tính và viết xuống một hàng mới, mỗi hàng mới phải chuyểndịch vị trí sang bên trái 1 bit Tổng của các tích cục bộ này cho ta kết quả tích số cuối cùng
Ví dụ: 9 x 6 = 54 (1001 x 110 = 110110)
Để dễ hiểu, bạn xem 2 hình dười đây, hình thứ nhất biểu diễn cách nhân 2 số thập phân và hình thứ 2
là cách nhân 2 số nhị phân
Trang 10Nhân 2 số thập phân
Nhân 2 số nhị phân
Trang 113.2 Mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit phải dùng 3 IC 74LS38 được thiết kế như hình sau:
A4A3A2A1
A1 S1
9 S2 A2 8
6S3 A3 3
2S4 A4 1 B1 7 B3 4 B4 C4 U1
74LS83
A1 S1
9S2 A2 8
6S3 A3 3
2 S4 A4 1 B1 7 B3 4 B4 C4 U2
74LS83
A1 S1
9 S2 A2 8
6 S3 A3 3
2 S4 A4 1 B1 7 B3 4 B4 C4 U3
74LS83
U4 AND U5 AND U6 AND U7 AND U9 AND U10 AND U11 AND U8 AND
U12 AND
U21 AND
U22 AND
U23 AND
U24 AND U83 AND U84 AND U85 AND
Phép chia số nhị phân tương đối phức tạp hơn phép cộng, trừ và nhân Cách chia số nhị
phân cũng giống như chia 2 số thập phân, do đó các bạn cần nắm vững cách chia trên số thập phân,đồng thời cần nắm vững cách trừ 2 số nhị phân Đầu tiên hãy xem hình 1 để nhớ lại cách chia 2 sốthập phân, sau đó xem hình 2 các bạn sẽ hiểu cách chia số nhị phân
Trang 12Chia 2 số thập phân
Trang 13Chia 2 số nhị phân
Bài 5: Tìm hiểu cấu tạo,tính năng của khối ALU 74LS181.
5.1 Mục đích
-Thực hiện chức năng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR
- Độ dài các toán hạng là 4-bit
- Các ngõ nhập function-select gồm có: M , S0 ,S1 ,S2 ,S3
- Các tác vụ ALU thực hiện được cho trong bảng 1
Trang 14N OT
N AND
~(A+B )
N OR
X OR
~(Ai (+) Bi)
X NOR
Bảng 4: Bảng chức năng của ALU cần thiết kế
Sơ đồ 5:Sơ đồ khối của một ALU 4-bit
5.2 Thiết kế ALU
Ta dùng nguyên tắc "chia để trị" để thiết kế ALU Các này module hoá bản thiết kế thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn và có thể tái sử dụng Cách tiếp cần này giúp mọi thứ có tính hệ thống hơn và có thể phát triển những hệ thống phức tạp
ALU 4-bit là 4 ALU 1-bit
Nếu xét về cấu trúc, ta có thể xem một ALU n-bit được cấu thành từ n ALU 1-bit Như vậy để thiết kế một ALU 4-bit, ta chỉ cần thiết kế một ALU 1-bit Sau đó, có thể ghép nối 4 ALU 1-bitnày lại với nhau để tạo thành ALU 4-bit Mỗi ALU 1-bit như vậy được gọi là một bit-slice Cách này có tính sử dụng lại rất cao và được dùng khá nhiều trong kỹ thuật thiết kế phần cứng,chẳng hạn thiết kế bộ nhớ
Để thiết kế một bit-slice, có nhiều cách khác nhau Một cách có thể là viết bảng sự thật để thiết
kế Bảng này có 8 ngõ nhập (M, S3 , S2 , S1, S0, C0, Ai, Bi) và hai ngõ xuất là Fi và Ci+1 Cách này nếu viết bằng tay thì khá công phu, nhưng hiệu quả
ALU gồm A v L
Nếu xét về chức năng, ta có thể phân ALU thành hai phần chuyên biệt, một về logic và một về toán học Sau đó, có thể dùng một MUX 2:1 để kết hợp hai khối này Cách này có ưu điểm là
Trang 15thiết kế từng khối nhỏ sẽ dễ hơn so với thiết kế một bit-slice, vốn cần thiết kế một ALU hoàn chỉnh Hình sau thể hiện sơ đồ khối của một bit-slice ALU thực hiện theo ý tưởng này:
Sơ đồ 6:Sơ đồ khối của một ALU phân theo chức năng
Những việc cần làm:
Thiết kế MUX Những việc sau đây nên làm trước:
Thiết kế MUX: bộ phận này được dùng nhiều và nên được thiết kế sẵn Sau khi thiết kế, ghi lạichi tiết vào bản báo cáo thí nghiệm
Thiết kế bộ phận xử lý logic: có thể lựa một trong các cách sau, tuy nhiên phải nêu được nguyên nhân tại sao lại chọn cách đó
Sử dụng các cổng logic và MUX 4:1
Thiết kế bộ phận xử lý toán học: vẫn có thể dùng nhiều cách khác nhau Cách khá hay là dùng lại các module thiết kê trước đây như bộ Full Adder Khi đó chỉ cần quan tâm đến xử lý đầu vào dùng cho bộ cộng này Như hình 3, ta chỉ cần thiết kế thêm hai thành phần A logic và B logic Hai hành phần này có chức năng đưa ra các tín hiệu thích hợp tùy thuộc tín hiệu nhập S1
và S0 Để thiết kế hai thành phần này, cách thông dụng là dùng bảng sự thật, sau đó dùng bảng Karnaugh để tối ưu hóa hàm kết quả, và hiện thực trong Verilog với dạng instance các cổng
Trang 16Sơ đồ 7: Sơ đồ khối của bộ xử lý tóan học
S1
S0
Ai
X
i (A logic )
S1
S0
Bi
Y
i ( B logic )
A 0 – A 3 : dữ liệu nhị phân 4 bit vào (A = A 3 A 2 A 1 A 0 )
B 0 – B 3 : dữ liệu nhị phân 4 bit vào (B= B 3 B 2 B 1 B 0 )
C YN : số nhớ ban đầu vào (tác động ở mức thấp)
S 0 – S 3 : Mã số chọn (S = S 3 S 2 S 1 S 0 ) để chọn chức năng của ALU.
M điều khiển kiểu (chế độ) hoạt động logic (M =1) hay số học (M = 0).
Q 0 – Q 3 : dữ liệu nhị phân 4 bit ra tác động ở thấp (Q = Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 ).
C YN + 4 số nhớ ra (tác động thấp) Ở phép trừ nó chỉ dấu của kết quả :
Hình 9:Khối ALU 74LS181
Trang 17o Logic 0 chỉ kết quả dương.
o Logic 1 chỉ kết quả âm ở dạng số bù 2.
Ngõ số nhớ vào Cn và ngõ số nhớ ra CYN+4 cho phép nối chồng nhiều IC 74LS181.
A = B : logic 1 ở ngõ vào này chỉ A = B, logic 0 chỉ A ≠ B.
G (carry generate output) và P (carry propagate input) : hai ngõ này được dùng khi nối chồng các IC 74LS181.
Hoạt động logic của 74181 được trình bày ở bảng chức năng dưới đây
Trang 18A0 2 A1 23 A2 21 A3 19 B0 1 B1 22 B2 20 B3 18 CN 7 S0 6 S1 5 S2 4 S3 3 M 8
F0 9F1 10F2 11F3 13A=B 14CN+4 16
1 0 0 1
0 0 1 1
0
A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3
S0 S1 S2 S3
Trang 20BỔ SUNG HOÀN THIỆN MẠCH:
U13 AND U14 AND U15 AND U16 AND
U38 AND U39 AND U40 AND U41 AND
U43 NAND U42 NAND U44 NAND U45 NAND
U46 AND U47 AND U48 AND U49 AND
U50 NOR_2 U51 NOR_2 U52 NOR_2 U53 NOR_2
U54 AND U55 AND U56 AND U57 AND
U58 XOR U59 XOR U60 XOR U61 XOR
U62 AND U63 AND U64 AND U65 AND
U66:A 4077
U66:B 4077
U66:C 4077
U66:D 4077
U67 AND U68 AND U69 AND U70 AND
U12B AND U21B AND U22B AND U23B AND
U24C AND U83C AND U84C AND U85C AND
A4A3A2A1
B4 B3B2B1
MACH NHAN 2 SO 4 BIT
A1 B4 U7P 74LS83
A1 4 C013 14UAP 74LS83 UBE XORUCE XORUDE XORUEE XOR
7 QA=B A=B 3
6 QA>B A>B 4 5U109P 74LS85 U14E NOT U15E NOT U16E NOT
A-B
B-A
U17EAND_3 U18E AND_3 U19E AND_3 U20E AND_3 U21E AND_3 U22E AND_3 U23E AND_3 U24E AND_3
U25D AND U26D AND U27D AND U28D AND
U29E AND_3 U30E AND_3 U31E AND_3 U32E AND_3
U33E AND_3
U341 AND
MACH TRU 2 SO 4 BIT
A4A3A2A1 B4B3B2B1
U91 NOT U92 NOT U93 NOT U94 NOT
U96 AND U95 AND U97 AND U98 AND U99 AND U100 AND U101 AND U102 AND
U103T AND U104T AND U105T AND U106T AND U107T AND U108T AND U109T AND U110T AND
U111 AND U112 AND U113 AND U114 AND U115 AND U116 AND U117 AND U118 AND
Logic Tru Nhan
Y0 Y3
IC GIAI MA DIA CHI 2 VAO 4 RA
Trang 21
A1 10S1
9 A2
8 S2
6 A3
3 S3
2 A4
1 S4
15
B1 11B2 7B3 4B4 16
C0 13C4
9S2 A2 8
6S3 A3 3
2S4 A4 1 B1 11 B2 7 B3 4 B4 16 C0 13 C4 14 U78
74LS83
U7 XOR U8
XOR U9 XOR U10 XOR
A1 S1
9S2 A2 8
6 S3 A3 3
2S4 A4 1 B1 7 B3 4 B4 C0 13 C4 UA
74LS83
UB XOR UC XOR UD XOR UE XOR
7QA=B A=B 3
6QA>B A>B 4 5 U1
74LS85
U14 NOT U15 NOT U16 NOT
A-B
B-A
U17 AND_3 U18 AND_3 U19 AND_3 U20 AND_3 U21 AND_3 U22 AND_3 U23 AND_3 U24 AND_3
U25 AND U26 AND U27 AND
U28 AND
U29 AND_3 U30 AND_3 U31 AND_3
U32 AND_3
U33 AND_3
U34 AND
MACH TRU 2 SO 4 BIT
IC 7495 SO SANH
R1 1k R2 1k R3 1k D1 LED-YELLOW D2 LED-YELLOW D3 LED-YELLOW
A>B A=B A<B
Trang 221 S4 15
3 S3
1 S4 15
3 S3
1 S4 15
MACH NHAN 2 SO 4 BIT
0 0 0
0
0
0 0
0 0 0
Logic Cong Tru Nhan
Y0 Y1 Y2 Y3
IC GIAI MA DIA CHI 2 VAO 4 RA
IC 74LS155
Trang 23 Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí IC 74LS155
Mạch tách kênh 1 sang 4
Hình: Mạch tách kênh 1 sang 4
Mạch tách kênh từ 1 đường sang 4 đường nên số ngõ chọn phải là 2
Khi ngõ cho phép G ở mức 1 thì nó cấm không cho phép dữ liệu vào được truyền ra ở bất
kì ngõ nào nên tất cả các ngõ ra đều ở mức 0
Như vậy khi G = 0 BA = 00 dữ liệu S được đưa ra ngõ Y0, nếu S = 0 thì Y0 cũng bằng 0 và nếu S = 1 thì Y0 cũng bằng 1,tức là S được đưa tới Y0; các ngõ khác không đổi
Tương tự với các tổ hợp BA khác thì lần lượt ra ở S sẽ là Y1, Y2, Y3
Biểu thức logic của các ngõ ra sẽ là : Y0 = G.B.A.S Y1 = G.B.A.S Y2 = G.B.A.S Y3 = G.B.A.S
Từ đây có thể dùng cổng logic để thiết kế mạch tách kênh
Hình: Cấu trúc
Trang 24
Ví dụ : Khảo sát IC 74LS155
Hình: Kí hiệu khối và chân ra của 74LS155
Trong cấu trúc của nó gồm 2 bộ tách kênh 1 sang 4, chúng có 2 ngõ chọn A0A1 chung, ngõ cho phép cũng có thể chung khi nối chân 2 nối với chân 15) Một lưu ý khác là bộ tách kênh đầu có ngõ ra đảo so với ngõ vào (dữ liệu vào chân 1 không đảo) còn bộ tách kênh thứ 2 thì ngõ vào
và ngõ ra như nhau khi được tác động ( dữ liệu vào chân 14 đảo).
Cấu trúc logic của mạch không khác gì so với mạch đã xét ở trên ngoài trừ mạch có thêm ngõ cho phép
Bảng sự thật của 74LS155
IC 7485 SO SÁNH
So sánh 2 số 1 bit
Trang 25Nhận thấy
Trường hợp A = B là ngõ ra của 1 cổng EXNOR 2 ngõ vào A và B
Trường hợp A < B là ngõ ra của 1 cổng AND 2 ngõ vào A v
Trường hợp A > B là ngõ ra của 1 cổng AND 2 ngõ vàoĠ và B
Đây được gọi là mạch so sánh độ lớn 1 bit Cấu trúc mạch sẽ như sau :
Hình: Khối so sánh 1 bit Hình: Mạch so sánh 1 bit
Bây giờ dạng tín hiệu vào mạch so sánh không phải chỉ có mức cao hay mức thấp (1 bit) mà là một chuỗi các xung vuông thì mạch khi này phải là mạch so sánh độ lớn nhiều bít.
Hình thức so sánh của mạch 4 bit cũng giống như mạch 1 bit và rõ ràng là phải so sánh bit MSB trước rồi mới lùi dần.
7485/LS85 là 1 IC tiêu biểu có chứa mạch so sánh 4 bit
Kí hiệu khối của IC như hình, còn sơ đồ chân có thể xem trong phần datasheet