Slide.điện Tử Số

ĐIỆN TỬ SỐ Nguyễn Trung Hiếu Khoa Kỹ thuật điện tử Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung  Chương 1: Hệ đếm Chương 2: Đại số Boole phương pháp biểu diễn hàm Chương 3: Cổng logic TTL CMOS Chương 4: Mạch logic tổ hợp Chương 5: Mạch logic Chương 6: Mạch phát xung tạo dạng xung Chương 7: Bộ nhớ bán dẫn Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ đếm Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung  Biểu diễn số Chuyển đổi số hệ đếm Số nhị phân có dấu Dấu phẩy động Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biểu diễn số (1)  Nguyên tắc chung  Dùng số hữu hạn ký hiệu ghép với theo qui ước vị trí Các ký hiệu thường gọi chữ số Do đó, người ta gọi hệ đếm hệ thống số Số ký hiệu dùng số hệ ký hiệu r  Giá trị biểu diễn chữ khác phân biệt thông qua trọng số hệ Trọng số hệ đếm ri, với i số nguyên dương âm  Tên gọi, số ký hiệu số vài hệ đếm thông dụng Tên hệ đếm Số ký hiệu Cơ số (r) Hệ nhị phân (Binary) Hệ bát phân (Octal) Hệ thập phân (Decimal) Hệ thập lục phân (Hexadecimal) 0, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F 10 16 Chú ý: Người ta gọi hệ đếm theo số chúng Ví dụ: Hệ nhị phân = Hệ số 2, Hệ thập phân = Hệ số 10 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biểu diễn số (2)  Biểu diễn số tổng quát: N  a n 1  r n 1   a1  r1  a  r  a 1  r 1   a  m  r  m m    ri n 1  Trong số trường hợp, ta phải thêm số để tránh nhầm lẫn biểu diễn hệ Ví dụ: 3610 , 368 , 3616 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ thập phân (1)  Biểu diễn tổng quát: N10  d n 1  10n 1   d1  101  d 100  d 1  101   d  m 10 m m   di  10i n 1 Trong đó:  N10 : biểu diễn theo hệ 10,  d : hệ số nhân (ký hiệu hệ),  n : số chữ số phần nguyên,  m : số chữ số phần phân số  Giá trị biểu diễn số hệ thập phân tổng tích ký hiệu (có biểu diễn) với trọng số tương ứng  Ví dụ: 1265.34 biểu diễn số hệ thập phân: 1265.34  103  102  101  100  10 1  102 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ thập phân (2)  Ưu điểm hệ thập phân:  Tính truyền thống người Đây hệ mà người dễ nhận biết  Ngồi ra, nhờ có nhiều ký hiệu nên khả biểu diễn hệ lớn, cách biểu diễn gọn, tốn thời gian viết đọc  Nhược điểm:  Do có nhiều ký hiệu nên việc thể thiết bị kỹ thuật khó khăn phức tạp Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ nhị phân (1)  Biểu diễn tổng quát: N  b n 1  2n 1   b1  21  b0  20  b 1  21   b  m  2 m m   b i  2i n 1 Trong đó:  N : biểu diễn theo hệ 2,  b : hệ số nhân lấy giá trị 1,  n : số chữ số phần nguyên,  m : số chữ số phần phân số  Hệ nhị phân (Binary number system) gọi hệ số hai, gồm hai ký hiệu 1, số hệ 2, trọng số hệ 2n  Ví dụ: 1010.012 biểu diễn số hệ nhị phân 1010.012   23   22  1 21   00   21  1 22 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ nhị phân (2)  Ưu điểm:  Chỉ có hai ký hiệu nên dễ thể thiết bị cơ, điện  Hệ nhị phân xem ngôn ngữ mạch logic, thiết bị tính tốn đại - ngôn ngữ máy  Nhược điểm:  Biểu diễn dài, nhiều thời gian viết, đọc  Các phép tính:  Phép cộng: + = 0, + = 1, + = 10  Phép trừ: - = ; - = ; - = ; 10 - = (mượn 1)  Phép nhân: (thực giống hệ thập phân) 0x0=0 , 0x1=0 ,1x0=0 ,1x1=1 Chú ý : Phép nhân thay phép dịch cộng liên tiếp  Phép chia: Tương tự phép chia số thập phân Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 10 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ cố định – PROM  PROM gồm có diode MROM chúng có mặt đầy đủ tạo vị trí giao dây từ dây bit Mỗi diode nối với cầu chì Bình thường chưa lập trình, cầu chì ngun vẹn, nội dung PROM toàn Khi định vị đến bit cách đặt xung điện lối tương ứng, cầu chì bị đứt bit Bằng cách ta lập trình tồn bit PROM Như vậy, việc lập trình thực người sử dụng lần nhất, sửa đổi Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 164 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - EPROM (Erasable PROM)  Số liệu vào viết vào xung điện lưu giữ theo kiểu khơng bay Đó loại ROM lập trình xóa Hình 7- cấu trúc transistor dùng để làm ô nhớ gọi FAMOST (Floating gate avalanche injection MOS transistor)  Trong ô nhớ dùng transistor này, cực cửa nối với đường từ, cực máng nối với đường bit cực nguồn nối với nguồn chuẩn coi nguồn cho mức logic Khác với transistor MOS bình thường, transistor loại có thêm cửa gọi cửa (floating gate); vùng vật liệu thêm vào vào lớp cách điện cao hình 7-7 Nếu cửa khơng có điện tích khơng ảnh hưởng đến cực cửa điều khiển transistor hoạt động bình thường Tức dây từ kích hoạt (cực cửa có điện dương) transtor dẫn, cực máng nguồn nối với qua kênh dẫn dây bit có mức logic Nếu cửa có điện tử với điện tích âm chúng ngăn trường điều khiển cửa cửa dù dây từ kích hoạt phát trường đủu mạnh với cực cửa điều khiển để làm thông transistor Lúc đường bit không nối với nguồn chuẩn ô nhớ coi giữ giá trị ID v0 v1 v GS Hình 7-7 Cấu trúc EPROM Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 165 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - EPROM (Erasable PROM)  Việc nạp điện tử vào vùng cửa nổi, tức tạo ô nhớ mang giá trị thực xung điện có độ dài cỡ 50 ms độ lớn + 20 V đặt cực cửa va cực máng Lúc điện tích mang lượng lớn qua lớp cách điện đế cửa Chúng tích tụ vùng cửa giữ sau xung lập trình tắt Đó cửa cách điện cao với xung quanh điện tử khơng đủ lượng sau lạnh đi, để vượt ngồi lớp cách điện Chúng giữ thời gian dài (ít 10 năm)  Để xố thơng tin, tức làm điện tích điện tử vùng cửa nổi, phải chiếu ánh sáng tử ngoại UV vào chíp nhớ Lúc này, điện tử hấp thụ đượ lượng nhảy lên mức lượng cao rời khỏi cửa giống cách mà chúng thâm nhập vào Trong chip EPROM có cửa sổ làm thuỷ tinh thạch anh ánh sáng tử ngoại qua cần xoá số liệu nhớ Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 166 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - EEPROM (Electrically Erasable PROM)  Cửa sổ thạch anh có giá thành đắt không tiện lợi nên năm gần xuất chip PROM xoá số liệu phương pháp điện Cấu trúc ô nhớ giống hình 7-8  Việc nạp điện tử cho cửa thực cách EPROM Bằng xung điện tương đối dài, điện tích mang lượng cao phát đế thấm qua lớp cửa ơxit tích tụ cửa Để xoá EEPROM, lớp kênh màng mỏng ôxit vùng cửa trải xuống đế cực máng giữ vai trò quan trọng Các lớp cách điện lý tưởng được, điện tích thấm qua lớp phân cách với xác suất thấp Xác suất tăng lên bề dày lớp giảm điện hai điện cực hai mặt lớp cách điện tăng lên Muốn phóng điện tích vùng cửa điện (-20 V) đặt vào cực cửa điều khiển cực máng Lúc điện tử âm cửa chảy cực máng qua kênh màng mỏng ơxit số liệu lưu giữ xố Điều lưu ý phải cho dòng điện tích chảy khơng q lâu khơng vùng cửa lại trở nên tích điện dương làm cho hoạt động transistor không trạng thái bình Nguồn Máng Cửa thường (mức nhớ 1) Cửa điều khiển Cửa Lớp Lớpôxit ôxit n- Nguồn - - - - - - - - Lớp ôxit n- Máng Đường hầm ơxít Đế bán dẫn loại p Hình 7-8 Cấu trúc EEPROM Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 167 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - Bộ nhớ FLASH  Trong năm gần đây, loại nhớ không bay xuất thị trường, thường sử dụng thay cho ổ đĩa mềm cứng máy tính Đó nhớ flash Cấu trúc chúng EEPROM, có lớp kênh ơxit ô nhớ mỏng Do cần điện cỡ 12 V cho phép thực 10 000 chu trình xố lập trình Bộ nhớ flash hoạt động gần mềm dẻo DRAM SRAM lại không bị số liệu bị cắt điện Hình 7- sơ đồ khối  Phần mạng nhớ bao gồm ô nhớ FAMOST mô tả mục Giống SRAM, nhớ flash không dồn phân kênh địa Các giải mã hàng cột chọn đường từ nhiều cặp đường bit Số liệu đọc đưa đệm số liệu I/O viết vào ô nhớ định địa đệm qua cổng I/O Xử lý đọc thực với điện MOS thơng thường 5V Để lập trình ô nhớ, đơn vị điều khiển flash đặt xung điện ngắn cỡ 10 s 12 V gây nên chọc thủng thác lũ vào transistor nhớ để nạp vào cửa Một chip nhớ flash Mb lập trình khoảng sec, khác với EEPROM việc xoá thực chip Thời gian xố cho tồn bộ nhớ flash khoảng sec Xử lý đọc, lập trình xố điều khiển lệnh có độ dài byte xử lý viết vào ghi lệnh mạch điều khiển flash Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 168 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - Bộ nhớ FLASH  Mục đích sử dụng nhớ flash để thay cho ổ đĩa mềm ổ đĩa cứng dung lượng nhỏ Do mạch tích hợp nên có ưu điểm kích thước nhỏ tiêu thụ lượng thấp, không bị ảnh hưởng va đập Các đĩa cứng chất rắn dựa sở nhớ flash có lợi cơng suất tiêu thụ giá thành có dung lượng tới vài Mbyte Các card nhớ loại có ưu điểm khơng gặp phải vấn đề thông tin trường hợp RAM CMOS pin Ni-Cd bị hỏng Thời gian lưu trữ thơng tin nhớ flash 10 năm, thông thường 100 năm, với khoảng thời gian đĩa mềm cứng bị hỏng VPP WE CE OE  Nhược điểm nhớ flash xố theo kiểu chip trang Hình 7-9 Sơ đồ nhớ FLASH Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 169 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - Bộ nhớ CACHE  Việc nạp điện tử vào vùng cửa nổi, tức tạo ô nhớ mang giá trị thực xung điện có độ dài cỡ 50 ms độ lớn + 20 V đặt cực cửa va cực máng Lúc điện tích mang lượng lớn qua lớp cách điện đế cửa Chúng tích tụ vùng cửa giữ sau xung lập trình tắt Đó cửa cách điện cao với xung quanh điện tử khơng đủ lượng sau lạnh đi, để vượt ngồi lớp cách điện Chúng giữ thời gian dài (ít 10 năm)  Để xố thơng tin, tức làm điện tích điện tử vùng cửa nổi, phải chiếu ánh sáng tử ngoại UV vào chíp nhớ Lúc này, điện tử hấp thụ đượ lượng nhảy lên mức lượng cao rời khỏi cửa giống cách mà chúng thâm nhập vào Trong chip EPROM có cửa sổ làm thuỷ tinh thạch anh ánh sáng tử ngoại qua cần xoá số liệu nhớ Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 170 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ nhớ bán cố định - EPROM (Erasable PROM)  Với máy tính có tốc độ nhanh (trên 33MHz), cần phải xen trạng thái đợi truy xuất liệu tới DRAM rẻ tiền có thời gian thâm nhập chậm (60-120ns) Điều làm giảm hiệu suất máy Có thể giải cách dùng SRAM có thời gian thâm nhập ngắn (20-25 ns, chí 12 ns) giá thành lại đắt Bộ nhớ Cache kết hợp lợi điểm nhanh SRAM rẻ DRAM Giữa CPU nhớ DRAM, người ta xen vào nhớ SRAM nhanh có dung lượng nhỏ 1/10 1/100 lần nhớ gọi cache; điều khiển mạch điều khiển cache, nhớ lưu trữ tạm thời số liệu thường gọi cung cấp cho CPU thời gian ngắn  Cache chứa thông tin vừa CPU sử dụng gần Khi CPU đọc số liệu đưa địa tới điều khiển cache Sau hai trình sau xảy ra:  Cache hit: địa có sẵn RAM cache  Cache miss: ngược lại, địa khơng có sẵn RAM cache Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 171 https://fb.com/tailieudientucntt Mở rộng dung lượng nhớ  Các vi mạch nhớ bán dẫn có dung lượng xác định Muốn có nhớ có dung lượng lớn hơn, ta tìm cách ghép nhiều vi mạch nhớ nhằm ba mục đích sau:  Tăng độ dài nhớ, không làm tăng số lượng từ nhớ  Tăng số lượng từ nhớ không làm tăng độ dài từ nhớ  Tăng số lượng độ dài từ nhớ Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 172 https://fb.com/tailieudientucntt Mở rộng độ dài từ  Trên chíp nhớ, có đến số hữu hạn lối ra, thường bit Muốn có độ dài từ lớn hơn, chẳng hạn từ lên 16 bit, ta tiến hành ghép nhiều chíp nhớ hình 7-10 RAM Đối với ROM cách làm tương tự, khác trường hợp này, khơng có lối vào R/W A0 BUS địa An-1 RAM I  RAM II  D0 BUS liệu Dn-1 BUS liệu Hình 7-10 Sơ đồ mở rộng độ dài từ Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 173 https://fb.com/tailieudientucntt Mở rộng dung lượng (1)  Muốn mở rộng dung lượng, ta ghép nhiều chíp lại với Như biết, dung lượng có liên quan đến số lối vào địa (C = 2N x độ dài từ, với N số lối vào địa chỉ) Cứ tăng chíp cần có thêm lối vào địa  Khác với trường hợp mở rộng độ dài từ, mở rộng dung lượng lối vào/ra liệu D R/ nối song song Một phần dung lượng trữ vào chíp Sự phân chia dựa sở tổ hợp địa vào lối vào điều khiển Hình 7-11 sơ đồ ví dụ A0 A0 IC A11 2k A11 A12 A13 A0 IC A11 2k A0 IC A11 2k A0 IC A11 2k Bộ giải mã vào Hình 7-11 Phương pháp mở rộng dung lượng Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 174 https://fb.com/tailieudientucntt Mở rộng dung lượng (2)  Để thực phép mở rộng ta phải sử dụng số lối vào địa dành riêng cho giải mã (thường địa có trọng số cao) Ở sơ đồ ta chọn địa A12 A13 để giải mã Do ta nhận giá trị tương ứng Các giá trị tác động lên lối vào CS để mở IC nhớ Các IC nhớ làm ROM RAM hai tùy chọn Tuần tự mở IC theo A12, A13 bảng hoạt động sau A13 A12 _CS IC I 000016 - 0FFF16 _CS1 _CS2 IC II 100016 - 1FFF16 _CS3 IC III 200016 - 2FFF16 1 _CS4 IC IV 300016 - 3FFF16 A0 IC A11 2k A11 A13 Khoảng địa A0 A12 IC mở A0 IC A11 2k A0 IC A11 2k Bộ giải mã vào Hình 7-11 Phương pháp mở rộng dung lượng Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 175 https://fb.com/tailieudientucntt A0 IC A11 2k Câu hỏi Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 176 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu tham khảo  Giáo trình Kỹ thuật số - Trần Văn Minh, NXB Bưu điện 2002  Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh, NXB Giáo dục 1996  Kỹ thuật số, Nguyễn Thúy Vân, NXB Khoa học kỹ thuật 1994  Lý thuyết mạch logic Kỹ thuật số, Nguyễn Xuân Quỳnh, NXB Bưu điện 1984  Fundamentals of logic design, fourth edition, Charles H Roth, Prentice Hall 1991  Digital engineering design, Richard F.Tinder, Prentice Hall 1991  Digital design principles and practices, John F.Wakerly, Prentice Hall 1990  VHDL for Programmable Logic by Kevin Skahill, Addison Wesley, 1996  The Designer's Guide to VHDL by Peter Ashenden, Morgan Kaufmann, 1996  Analysis and Design of Digital Systems with VHDL by Dewey A., PWS Publishing, 1993 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 177 https://fb.com/tailieudientucntt Phụ lục Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 178 https://fb.com/tailieudientucntt ... 2,  b : hệ số nhân lấy giá trị 1,  n : số chữ số phần nguyên,  m : số chữ số phần phân số  Hệ nhị phân (Binary number system) gọi hệ số hai, gồm hai ký hiệu 1, số hệ 2, trọng số hệ 2n  Ví... O : hệ số nhân (ký hiệu hệ),  n : số chữ số phần nguyên,  m : số chữ số phần phân số  Hệ gồm ký hiệu : 0, 1, 2, 3, 4, 5, Cơ số hệ Việc lựa chọn số xuất phát từ chỗ = 23 Do đó, chữ số bát phân... dương  Hai số âm: lấy bù hai số hạng cộng, kết dạng bù  Hai số khác dấu số dương lớn hơn: lấy số dương cộng với bù số âm Kết bao gồm bit dấu, bit tràn bỏ  Hai số khác dấu số âm lớn hơn: số dương