Ứng dụng vi mạch số lập trình

Ứng dụng vi mạch số lập trình

nguyenvanbientbd47@gmail.com LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH LỜI MỞ ĐẦU Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lónh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng các mạch điều khiển được lắp ráp từ các linh kiện rời như kích thước mạch nhỏ, gọn, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy và công suất tiêu thụ thấp . Ngày nay lónh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bò, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử . nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn. Đề tài ứng dụng vi mạch số lập trình rất phong phú đa dạng, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp. Do tài liệu tham khảo tiếng việt hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tiễn còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được nhận những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân tình, quý báu của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên. Tháng 2 năm 1999 Trương Phước Toàn MỤC LỤC nguyenvanbientbd47@gmail.com Trang PHẦN I LÝ THUYẾT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNGI GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN . . . . . . . . . . . 2 I/ CỔNG LOGIC VÀ (AND) ,HOẶC (OR) ,KHÔNG (NOT) . . . . . . . . 2 1/ Cổng logic VÀ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2/ Cổng logic HOẶC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3/ Cổng logic KHÔNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 II/ CỔNG LOGIC KHÔNG-VÀ (NAND) ,KHÔNG-HOẶC (NOR). . . . . 4 1/ Cổng NAND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2/ Cổng NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 III/ CỔNG LOGIC EXOR ,EXNOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1/Cổng EXOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2/Cổng EXNOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 IV/ BIẾN ĐỔI CÁC HÀM QUAN HỆ RA HÀM LOGIC NAND, NOR . 6 CHƯƠNG II MẠCH LOGIC TỔ HP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 I/ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MẠCH TỔ HP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 II/ PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỊ VÀ PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG LOGIC 8 III/ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LOGIC MẠCH TỔ HP . . . . . . . . . . . .9 1/ Phân tích yêu cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2/ Lập bảng sự thật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 3/ Tiến hành đơn giản hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH . . . . . . . . . .12 1/ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH . . . . . . 12 2/ CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA CÁC HỌ VI MẠCH LẬP TRÌNH . . . .16 3/ CÁC PHẦN MÈM HỔ TR CỦA PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4/ GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SYNARYO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 PHẦN II THI CÔNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 PHẦN III KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 Trang 2 nguyenvanbientbd47@gmail.com PHẦN I LÝ THUYẾT Trang 3 nguyenvanbientbd47@gmail.com CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN I/ HÀM LOGIC VÀ (AND) , HOẶC (OR) ,KHÔNG (NOT). 1/ Cổng logic . Gọi A là biến số nhò phân có mức logic là 0 hoặc 1, và Y là một biến số nhò phân tùy thuộc vào A: Y= f(A). Trong trường hợp này có hai khả năng xảy ra: - Y = A, A= 0 thì Y = 0 hay A= 1 thì Y = 1 - Y = A A= 0 thì Y = 1 hay A= 1 thì Y = 0 Khi Y tùy thuộc vào hai biến số nhò phân A, B  Y = f(A,B) Vì biến số A,B chỉ có thể là 0 hay 1 nên A và B chỉ có thể tạo ra 4 tổ hợp khác nhau là: A B 0 0 0 1 1 0 1 1 Bảng liệt kê tất cả các tổ hợp khả dó của các biến số và hàm số tương ứng gọi là bảng sự thật. Khi có 3 hay nhiều biến số (A,B ,C) số lượng hàm số khả dó tăng nhanh. Mạch điện tử thực hiện quan hệ logic : Y = f(A ) hay Y = f(A,B). gọi là mạch logic, trong đó các biến số A,B là các ngỏ vào và hàm sốY là các ngỏ ra. Một mạch logic diễn tả quan hệ giữa các ngỏ vào và ngỏ ra nghóa là thực hiện được một hàm logic, do đó có bao nhiêu hàm số logic thì có bấy nhiêu mạch logic . Lưu ý rằng khi biểu diễn mối quan hệ toán học ta gọi là hàm số logic còn khi biểu diễn mối quan hệ về mạch tín hiệu ta gọi là cổng logic. 2/ Cổng logic VÀ (AND). Hàm logic VÀ được đònh nghóa theo bảng sự thật sau: Bảng sự thật: A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 Trang 4 A B Y=A.B ØMạc h A B Y nguyenvanbientbd47@gmail.com 1 1 1 Ký hiệu toán học của hàm số VA.Ø Kí hiệu cổng VÀ (AND) Y = A.B 3/ Cổng logic HOẶC (OR). Hàm số HOẶC của hai biến số A,B được đònh nghóa ở bảng sự thật sau: Bảng sự thật: A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Kí hiệu cổng HOẶC Ngỏ ra Y là 1 khi có ít nhất một biến số là 1, do đó chỉ bằng 0 ở trường hợp khi cả hai biến số bằng 0. Ký hiệu toán học của cổng HOẶC là: Y = A+B 4/ Cổng logic KHÔNG (NOT). Hàm VÀ và hàm HOẶC tác động lên hai hay nhiều biến số trong khi đó hàm KHÔNG có thể xem như chỉ có thể tác động lên một biến số. Bảng sự thật : A Y 0 1 1 0 Kí hiệu cổng NOT Hàm KHÔNG có tác động phủ đònh hay đảo .Sở dó có sự đồng hóa này là vì ta đang liên hệ vớisố nhò phân có hai trạng thái 0 hay 1. Do đó phủ đònh của 0 là1. Trang 5 Y A Y = A A B Y nguyenvanbientbd47@gmail.com II/ CỔNG LOGIC KHÔNG -VÀ (NAND) , KHÔNG-HOẶC (NOR). 1/ Cổng logic NAND . Xét trường hợp có hai biến số A,B ngỏ ra ở cổng VÀ Y = A.B nên ngỏ ra ở cổng KHÔNG là đảo của Y: Y = A.B Về hoạt động của cổng NAND thì từ các tổ hợp của A,B ta lập bảng trạng thái rồi lấy đảo để có Y đảo. Tuy nhiên có thể đi trực tiếp bằng cách lập bảng sự thật sau: Bảng sự thật : A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Kí hiệu cổng NAND. 2/ Cổng NOR. Xét trường hợp hai ngỏ vào là A,B .Ngỏ ra ở cổng NOR là : Y = A+B nên ngỏ ra ở cổng đảo sẽ là : Y = A+B. Bảng sự thật : A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Kí hiệu cổng NOR. III/ HÀM LOGIC EXOR VÀ EXNOR. 1/ Cổng logic EXOR. Hàm HOẶC được gọi là HOẶC bao gồm vì nó không giải quyết được bài toán cộng nhò phân. Lý do là khi cả hai biến số đều là 1 thì Y = 1 thay vì là 0. Mặc dù HOẶC như vậy vẫn có ý nghóa thực tế nên vẫn được dùng, nhưng người ta phải đònh nghóa một cổng logic khác là HOẶC LOẠI TRỪ (EXOR) cổng này có ý nghóa là loại trường hợp khi A,B đồng thời là 1 thì Y = 0 Ký hiệu : Y = A B Bảng sự thật: Trang 6 A Y A B & Y B nguyenvanbientbd47@gmail.com A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Kí hiệu cổng EXOR. 2 / Cổng EXNOR. Hàm EXNOR được thực hiện bằng cách thêm cổng NOT sau cổng EXOR, do đó hoạt động logic của EXNOR là đảo so với EXOR. Ký hiệu : Y = A  B Bảng sự thật: B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Trang 7 A B Y A B Y nguyenvanbientbd47@gmail.com IV/ BIẾN ĐỔI CÁC HÀM QUAN HỆ RA HÀM LOGIC NAND , NOR. Mối liên hệ cơ bản giữa ba cổng AND, OR, NOT không những có thể thay bằng các cổng NAND mà còn có thể biến thành cổng NOR với cùng một chức năng logic, việc làm này rất thường được áp dụng khi thực hiện các mạch logic. Trong thực tế vì toàn bộ sơ đồ nếu được kết hợp cùng một loại cổng duy nhất thì sẻ giảm được số lượng vi mạch cần thiết. Quá trình biến đổi này dựa trên một nguyên tắc được trình bày như sau: + Cổng NOT được thay bằng cổng NAND và cổng NOR. - Dựa vào bảng sự thật của cổng NAND suy ra trường hợp là khi cả A,B đồng thời bằng 0, thì Y = 1 và A =1, B =1 thì Y = 1. Sơ đồ minh họa : Tương tự dựa vào bảng sự thật của cổng NOR suy ra : A = 0, B = 0  Y = 1 và A= 1, B= 1  Y = 0 Sơ đồ minh họa : + Cổng AND đïc thay bằng cổng NAND và cổng NOR. Tương tự như các trường hợp trên, dựa vào bảng sự thật: - Ngõ ra của cổng AND Y= A+B còn cổng NAND Y' = A+B  đảo Y' = Y Sơ đồ minh họa: - Ngỏ ra của cổng NOR Y = A.B . Ta có Y = A . B = A + B Sơ đồ minh họa : Trang 8 A = B Y A B Y A = B Y nguyenvanbientbd47@gmail.com + Cổng OR đïc thay bằng cổng NAND và cổng NOR. Biểu thức cổng OR Y = A.B,  Y’ = A + B = A.B Sơ đồ minh họa : - Biểu thức cổng NOR Y’ = A.B  Y’ = A.B = Y Sơ đồ minh họa : Trang 9 A B Y Y A B A B Y nguyenvanbientbd47@gmail.com CHƯƠNG II MẠCH LOGIC TỔ HP I/ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MẠCH TỔ HP. Trong mạch số, mạch tổ hợp là mạch mà trò số ổn đònh của tín hiệu ra ở thời điểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trò tín hiệu ngỏ vào ở thời điểm đó.Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trước thời điểm xét , tức trước khi có tín hiệu ngỏ vào, không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Đặc điểm cấu trúc mạch tổ hợp là được cấu trúc từ các cổng logic . II/ PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỊ VÀ PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG LOGIC . 1/ Phương pháp biểu thò chức năng logic. Các phương pháp thường dùng để biểu thò chức năng logic của mạch tổ hợp là hàm số logic , bảng sự thật , sơ đồ logic , bảng Karnaugh , cũng có khi biểu thò bằng đồ thò thời gian dạng sóng . Đối với vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thường biểu thò bằng hàm logic. Đối với cỡ vừa thường biểu thò bằng bảng sự thật, hay là bảng chức năng. Bảng chức năng dùng hình thức liệt kê, với mức logic cao (H) và mức logic thấp (L) , để mô tả quan hệ logic giữa tín hiệu ngỏ ra với tín hiệu ngỏ vào của mạch điện đang xét. Chỉ cần thay giá trò logic cho trạng thái trong bảng chức năng, thì ta có bảng sự thật tương ứng . Hình 2-1 : Sơ đồ khối mạch tổ hợp Như hình 2-1 cho biết, thường có nhiều tín hiệu ngỏ vào và nhiều tín hiệu ngỏ ra. Một cách tổng quát, hàm logic của tín hiệu ngỏ ra có thể viết dưới dạng : 1 = f1( x1, x2, …, xn) 2 = f2( x1, x2, …, xn) ………………………………………… m =fm( x1, x2, …, xn) Cũng có thể viết dưới dạng đại lượng vectơ như sau:  = F(X). 2/ Phương pháp phân tích chức năng logic. Các bước phân tích, bắt đầu từ sơ đồ mạch logic đã cho, để cuối cùng tìm ra hàm logic hoặc bảng sự thật. • Viết biểu thức: tuần tự từ ngỏ vào đến ngõ ra (hay cũng có thể ngược lại), viết ra biểu thức hàm logic của tín hiệu ngỏ ra. • Rút gọn: khi cần thiết thì rút gọn đến tối thiểu biểu thức ở trên bằng phương pháp đại số hay phưong pháp hình vẽ. • Kê bảng sự thật: khi cần thiết thì tìm ra bảng sự thật bằng cách tiến hành tính toán các giá trò hàm logic tín hiệu ngỏ ra tương ứng với tổ hợp có thể của các giá trò tín hiệu ngỏ vào. Trang 10 Mạch tổ hợp X 1 X 2 . . Xn Z 1 Z 2 . . z m [...]... vi mạch 20 chân) và PAL được xem là họ vi mạch đại diện cho họ vi mạch số lập trình Ngoài ra các công ty chế tạo PAL có chọn lựa trong vi c ký hiệu các số trên một vi mạch Điều này cung cấp cho người sử dụng những thông tin cần thiết có liên quan đến ứng dụng của vi mạch Các ký hiệu trong vi c đánh số của họ PAL nói chung bao gồm 2 số đếm được tách rời nhau bởi 1 hay 2 ký tự Số đần tiên trong tên vi. .. SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH Trước thời kỳ vi mạch số lập trình (Programmable Logic Device) ra đời, thiết kế logic số truyền thống thì bao gồm nhiều vi mạch TTL loại MSI và SSI kết hợp lại để tạo ra các hàm logic mong muốn Những nhà thiết kế dựa vào những sách tra cứu các vi mạch số để tìm hiểu các thông số kỹ thuật, sau đó mới quyết đònh sử dụng các vi mạch số cần thiết cho yêu cầu thiết... trong mảng OR được dùng để bảo vệ ngắn mạch Sơ đồ mạch trong hình 3.4 là một ví dự đơn giản của họ vi mạch mảng logic lập trình trường Nếu vi mạch do công ty chế tạo đã được lập trình bằng công đoạn mặt nạ với công B 9 nghệ lưỡng cực thì chương trtình cố đònh không thay đổi được Do đó vi mạch này được gọi B 8 là PLA Nếu vi mạch được sản xuất để người sử dụng có thể lập trình thì gọi là FPLA Trang 19 B7... AND Các vi mạch GAL đều có hỗ trợ những thanh ghi “Preload”, điều này có ích trong vi c kiểm tra vi mạch Mặt khác một thế hệ vi mạch mới được phát triển là vi mạch lập trình hệ thống ký hiệu là ispEELD (In-system Progammable) Vi mạch đầu tiên là ispGAL16Z8, cấu trúc của nó gần giống với GAL16V8 nhưng được thêm vào 4 chân để điều khiển lập trình Trong hệ thống ispGAL16Z8 cho phép chu kỳ lập trình là... đó, Birkner đã đưa ra khái niệm mới về vi mạch số lập trình, vi mạch này cũng tương tự FLA nhưng thay vì có hai mảng lập trình thì PAL (Programmable Array Logic ) chỉ có một mảng AND lập trình và theo sau là mảng OR được giữ cố đònh (không lập trình ) Như vậy mỗi cổng OR sẽ có một tích số cố đònh được nối với ngỏ vào của nó, do vậy sẽ giảm được kích thước của vi mạch và cho phép tín hiệu được truyền... vi mạch cho biết số ngõ vào của vi mạch (đây chính là số biến ngõ vào của mảng AND) Số thứ hai biểu thò số ngỏ ra của vi mạch Ký tự nằm giữa 2 số chỉ ra ý nghóa các thuộc tính của ngỏ ra Một số mã ký tự có ý nghóa là: H tác động mức thấp L tác động mức cao P tác động ngỏ ra có thể lập trình C phần bổ sung các ngỏ ra S bộ tuần tự Các ký hiệu của vi mạch họ PAL được xem là những hướng dẫn cơ bản của vi. .. của vi c thiết kế này là trong một board sử dụng nhiều vi mạch, do đó khi sửa chữa thì gặp nhiều khó khăn Vào năm 1975,công ty SIGNETICS đã giới thiệu vi mạch số lập trình không có bộ nhớ đầu tiên 82S100 (hiện nay là PLS100) gọi là mảng logic lập trình trường (Field-Programmable Logic Array) Napoleon Cavlan, người được gọi là cha đẻ của mạch logic lập trình, lúc bấy giờ là nhà quản lý những ứng dụng. .. ứng ta ghi một dấu chéo "  ", thường sử dụng các trạng thái đánh dấu chéo để tối thiểu hoá hàm logic Trang 12 nguyenvanbientbd47@gmail.com 3/ Tiến hành tối thiểu hoá Nếu số biến số tương đối ít thì có thể dùng phương pháp hình vẽ Nếu số biến số tương đối nhiều, khi đó không tiện dùng phương pháp hình vẽ,thì dùng phương pháp đại số CHƯƠNG III VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH I/ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SỐ... Only Memory) PROM gọi là bộ nhớ chỉ đọc lập trình được Đây là họ vi mạch đầu tiên được sử dụng như là những vi mạch số lập trình theo quan điểm của vi mạch số Cấu trúc của PROM rất đơn giản bao gồm một mảng tế bào nhớ với những đường điạ chỉ ngỏ vào và nhũng đường dữ liệu ngỏ ra Số đường điạ chỉ và dữ liệu cho biết ma trận nhớ của PROM Một PROM đơn giản được trình bày ở hình 3.1 Ngỏ vào A4 A3 A2 A1... đến hơn 10000 cổng logic trong một chip Ngoài vi mạch EP900 thì công ty Altera còn giới thiệu vi mạch EP1800 có 68 chân với các chức năng được mở rộng hơn so với EP900 vì số cổng logic trong IC được tăng gấp đôi và số ngỏ vào cũng vậy Vi mạch EP1800 có thể thực hiện đồng thời 4 chức năng khác nhau, có thể xem như đó là 4 vi mạch rời Những vi mạch số lập trình đang hướng đến mật độ tích hợp trên 1000