PhanI GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN.doc

GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN

chơng i: giới thiệu các cổng logic cơ bản I Hàm logic Và (AND), Hoặc (OR), Đảo (NOT)

1 Cổng logic

Gọi A là biến số nhị phân có mức logic là 0 hoặc 1, và Y là một biến số nhị phân tuỳ thuộc vào A: Y= f(A).

Trong trờng hợp này có hai khả năng xảy ra:

Bảng liệt kê tất cả các tổ hợp khả dĩ của các biến số và hàm số tơng ứng gọi là bảng chân lý Khi có ba hay nhiều biến số (A, B, C), số lợng hàm số khả dĩ 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 đầu vào và hàm số Y là các đầu ra Một… mạch logic diễn tả quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra, nghĩa là thực hiện đợc một hàm logic Do đó có bao nhiêu hàm số logic thì có bấy nhiêu mạch logic.

Lu 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 Ký hiệu toán học của hàm số Và là: Y= A.B

3 Cổng logic Hoặc (OR)

Hàm số Hoặc của hai biến số A, B đợc định nghĩa ở bảng sự thật sau:

Ký hiệu cổng Hoặc (OR)

Đầu ra Y là 1 khi có ít nhất một biến số là 1, do đó chỉ bằng 0 ở trờng hợp khi cả hai biến số bằng 0.

Ký hiệu toán học của cổng Hoặc là: Y= A+ B

4 Cổng logic Đảo (NOT)

Hàm Và và hàm hoặc tác động lên hai hay nhiều biến số trong khi đó, hàm Đảo

Xét trờng hợp có hai biến số A, B đầu ra ở cổng Và Y= A.B nên đầu ra ở cổng Không

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 trực tiếp bằng cách lập bảng sự thật sau:

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

đồ nếu đợc kết hợp cùng một loại cổng duy nhất thì sẽ giảm đợc số lợng vi mạch cần thiết Quá trình biến đổi này dựa trên một nguyên tắc đợc trình bày nh sau:

- Cổng NOT đợc thay bằng cổng NAND và cổng NOR.

+ Dựa vào bảng sự thật của cổng NAND suy ra trờng hợp là khi cả A, B đồng thời bằng 0 thì Y= 1, và khi A=1, B= 1 thì Y= 0.

chơng ii: mạch logic tổ hợp I Đặc điểm cơ bản của mạch tổ hợp

Trong mạch số, mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn đinh của tín hiệu ra ở thời điểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ở thời điểm trớc đó Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trớc thời điểm xét – trớc khi có tín hiệu đầu vào – không ảnh hởng đến tín hiệu đầu ra Đặc điểm cấu trúc mạch tổ hợp là đợc cấu trúc từ các cổng logic.

II Ph ơng pháp biểu diễn và phân tích chức năng logic

1 Ph ơng pháp biểu diễn chức năng logic

Các phơng pháp thờng dùng để biểu diễn chức năng logic của mạch tổ hợp là hàm số logic, bảng chân lý, sơ đồ logic, bảng Karnaugh, cũng có thể biểu diễn bằng đồ thị thời gian dạng sóng.

Đối với vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thờng biểu diễn bằng hàm logic Đối với cỡ vừa, thờng biểu diễn bằng bảng chân lý, 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 đầu ra với tín hiệu đầu vào của mạch điện đang xét Chỉ cần thay giá trị logic cho trạng thái trong bảng chức năng thì ta có bảng chân lý tơng ứng.

Nh hình II.II.1 cho thấy, thờng có nhiều tín hiệu đầu vào và nhiều tín hiệu đầu ra Một cách tổng quát, hàm logic của tín hiệu đầu ra có thể viết dới dạng:

+ Viết biểu thức: tuần tự từ đầu vào đến đầu ra ( hoặc cũng có thể ngợc lại), viết ra biểu thức hàm logic của tín hiệu đầu ra.

+ Rút gọn: khi cần thiết thì rút gọn đến tối thiểu biểu thức ở trên bằng phơng pháp đại số hay phơng pháp hình vẽ.

+ Vẽ bảng sự thật: khi cần thiết thì tìm ra bảng sự thật bằng cách tiến hành tính toán các giá trị hàm logic tín hiệu đầu ra tơng ứng với tổ hợp có thể của các giá trị tín hiệu đầu vào.

III Ph ơng pháp thiết kế logic mạch tổ hợp

Phơng pháp thiết kế logic là các bớc cơ bản tìm ra sơ đồ mạch điện logic từ yêu cầu và nhiệm logic đã cho.

Hình II.III.1 là quá trình thiết kế nói chung của mạch tổ hợp, trong đó bao gồm bốn b-ớc chính:

1 Phân tích yêu cầu:

Yêu cầu nhiệm vụ của vấn đề logic thực có thể là một đoạn văn, cũng có thể là bài toán logic cụ thể Nhiệm vụ phân tích là xác định cái nào là biến số đầu vào, cái nào là hàm số đầu ra và mối quan hệ logic giữa chúng với nhau Muốn phân tích đúng thì phải tìm hiểu xem xét một cách sâu sắc yêu cầu thiết kế, đó là một việc khó nhng quan trọng trong vấn đề thiết kế 2 Vẽ bảng chân lý:

Nói chung, đầu tiên chúng ta liệt kê thành bảng về quan hệ tơng ứng nhau giữa trạng thái tín hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu ra Đó là bảng kê yêu cầu chức năng logic gọi tắt là bảng chức năng Tiếp theo, ta thay giá trị logic cho trạng thái, tức là dùng các số 0 và 1 biểu diễn các trạng thái tơng ứng của đầu vào và đầu ra Kết quả, ta có bảng giá trị thức logic, gọi tắt là bảng chân lý Đó chính là hình thức đại số của yêu cầu thiết kế Cấn lu ý rằng từ một bảng chức năng có thể đợc bảng sự thật khác nhau nếu thay giá trị logic khác nhau (tức là quan hệ logic giữa đầu ra với đầu vào cũng phụ thuộc việc thay giá trị).

3 Tiến hành tối thiểu hoá:

Nếu biến số ít (dới 6 biến), thì thờn dùng phơng pháp bảng Karnaugh Còn nếu biến số tơng đối nhiều thì dùng phơng pháp đại số.

ơng pháp Karnaugh:

Việc sắp xếp các biến trên bảng mintec sao cho các ô đứng cạnh nhau đợc biểu diễn bằng bộ giá trị chỉ cách nhau 1 bit Cơ sở của phơng pháp Karnaugh dựa trên tính chất nuốt của

logic Tối thiểu hoá

Hình II.III.1 – Các bước thiết kế mạch logic tổ hợp

I Đại c ơng về mạch đếm

Mạch đếm (hay đầy đủ hơn là mạch đếm xung) là một hệ logic dãy đợc tạo thành từ sự kết hợp của các Flip – Flop Mạch có một đầu vào cho xung đếm và nhiều đầu ra Những đầu ra thờng là các đầu ra Q của các FF Vì Q chỉ có thể có hai trạng thái là 1 và 0 cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu diễn kết quả dới dạng một số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch đếm.

Trên hình III.II.1 là dạng tổng quát của một mạch đếm dùng bốn FF Mỗi lần có xung nhịp đa vào, các FF sẽ đổi trạng thái cho những số hệ 2 khác nhau, nh: 1101 (QA=1, QB= 0, QC= 1, QD= 1), 0110, 1000, v.v…

Điều kiện cơ bản để một mạch đợc gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái khác nhau mỗi khi có xung nhịp vào Ta thấy rằng mạch nh hình trên là thoả mãn đợc điều kiện này Nhng vì số FF xác định nên số trạng thái khác nhau tối đa của mạch bị giới hạn, nói cách khác, số xung đếm đợc bị giới hạn Số xung tối đa đếm đợc gọi là dung lợng của mạch đếm Nếu cứ tiếp tục kích xung khi đã tới giới hạn thì mạch sẽ trở về trạng thái ban đầu (chẳng hạn là: 0000), tức là mạch có tính chất tuần hoàn.

Có nhiều phơng pháp kết hợp các FF cho nên có rất nhiều loại mạch đếm Tuy nhiên chúng ta có thể sắp xếp chúng vào ba loại mạch chính là: mạch đếm hệ 2, mạch đếm BCD, mạch đếm modul M.

+ Mạch đếm hệ 2: là loại mạch đếm trong đó các trạng thái của mạch đợc trình bày d-ới dạng số hệ 2 tự nhiên Một mạch đếm hệ 2 sử dụng n FF sẽ có dung lợng đếm là 2n.

+ Mạch đếm BCD: thờng dùng 4 FF, nhng chỉ cho 10 trạng thái khác nhau để biểu diễn các số hệ 10 từ 0 đến 9 Trạng thái của mạch đợc trình bày dới dạng mã BCD nh BCD 8421 hoặc BCD 2421, v.v…

+ Mạch đếm modul M: có dung lợng là M với M là số nguyên dơng bất kỳ Vì thế mạch đếm loại này có rất nhiều dạng khác nhau Mạch thờng dùng cổng logic với FF và các kiểu hồi tiếp đặc biệt để có thể trình bày kết quả dới dạng số hệ 2 hay dới dạng mã nào đó.

Về chức năng của mạch đếm, ngời ta phân biệt:

+ Các mạch đếm lên (Up Counter), hay còn gọi là mạch đếm cộng, mạch đếm thuận + Các mạch đếm xuống (Down Counter), hay còn gọi là mạch đếm trừ, mạch đếm

+ Phơng pháp đồng bộ: trong phơng pháp này, xung nhịp đợc đa đến các FF cùng một lúc.

+ Phơng pháp không đồng bộ: trong phơng pháp này, xung nhịp chỉ đa đến một FF, rồi các FF tự kích lẫn nhau.

Một tham số quan trọng của mạch đếm là tốc độ tác động của mạch đếm Tốc độ này đợc xác định thông qua hai tham số khác là:

+ Tần số cực đại của dãy xung mà bộ đếm có thể đếm đợc.

+ Khoảng thời gian thiết lập của mạch đếm tức là khoảng thời gian từ khi đa xung đếm vào mạch cho đến khi thiết lập xong trạng thái trong của bộ đếm tơng ứng với xung đầu vào.

Các FF thờng dùng trong mạch đếm là loại RST và JK dới dạng bộ phận rời hay dạng

Hình III.II.1 biểu diễn cách nối 3 FF trong một mạch đếm hệ 2 kích thích không đồng bộ Các FF sử dụng loại FF T Xung đếm đợc đa vào đầu T của FF đầu tiên, các FF còn lại đợc kích thích bằng tín hiệu lấy ra từ đầu Q của FF trớc nó Các FF đều chạy bằng sờn sau của xung.

Tín hiệu tại các đầu ra của các FF đợc biểu diễn trên hình III.II.2:

Ngời ta đa xung đếm đến các FF cùng một lúc Trong trờng hợp này, cần phải có mạch ngoài để kiểm soát trạng thái của các FF để tạo thành mạch đếm

Qua bảng trạng thái logic bộ đếm hệ 2 ở trên ta thấy, B chỉ đổi trạng thái khi có xung đếm và A đã lên 1, tơng tự nh vậy, C chỉ đổi trạng thái khi có xung đếm và A, B đã lên 1 Ta có thể dung thêm các mạch AND để thực hiện việc đó Trên hình III.II.3.a là sơ đồ của một

1 Định nghĩa mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch là mạch logic có nhiều đầu vào Ai và nhiều đầu ra Fj , trong đó, một hoặc một số đầu ra Fj nào đó sẽ có mức logic 1 ứng với một tổ hợp tín hiệu nhất định trên các đầu vào Ai, thờng gọi là các đầu vào địa chỉ.

2 Phân loại

Có một số mạch giải mã thờng dùng nh sau: - Giải mã từ nhị phân sang thập phân (giải mã 2 – 10).

Giả sử có nhóm mã k chữ số hệ 2, N= 2k là số tổ hợp mã có đợc Trên hình IV.3.1 biểu diễn một bộ giải mã 2-10 có 2k đầu vào ký hiệu từ A0, A0 đến Ak-1, Ak-1 và N đầu ra ký hiệu từ F0 đến Fn-1 Có thể thấy rằng, mỗi đầu ra Fi sẽ nhận một giá trị logic 1 ứng với một mintec mi

xác định của k biến đầu vào Các đầu ra còn lại đều có giá trị logic 0 Nh vậy, mạch giải mã 2-10 có tính chất của một hàm AND, và một cách có thể biểu diễn bộ giải mã bằng bộ phơng trình

F1= Ak-1.Ak-2…A1.A0

FN-2= Ak-1.Ak-2…A1.A0

FN-1= Ak-1.Ak-2…A1.A0

Ngoài hệ phơng trình trên, ngời ta còn có thể sử dụng một dạng khác gọi là bảng chân lý của mạch để biểu diễn mạch giải mã.

Để minh hoạ, chúng ta xét mạch giải mã 2-10 có ba biến đầu vào Bộ giải mã này có

Có thể thiết kế mạch giải mã này theo sơ đồ nh trên hình IV.3.2 Về phơng diện kỹ thuật, ngời ta thờng thực hiện các phần tử AND trên hình IV.3.2 theo phơng pháp RDL (Resistor Diode Logic) nh trên hình IV.3.3 Dạng kết cấu nh trên hình IV.3.3 gọi là dạng kết cấu ma trận vuông Số phần tử AND độc lập với nhau là 2k, do đó, số diode cần dùng là: Q= k.2k

Chơng V: Mạch tạo dao động

Mạch tạo dao động là mạch đa hài tự dao động có hai trạng thái không ổn định Mạch liên tiếp tự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không cần một tín hiệu nào từ bên ngoài Mạch dao động thờng dùng để tạo ra các sóng vuông hoặc xung nhịp.

ở đây ta xét mạch đa hài tự dao động dùng cổng CMOS:

+ Các diode bảo vệ đầu vào là lý t-ởng, nghĩa là các diode này cắt ở 0V bỏ qua trở kháng đầu ra của các về 0V Sự thay đổi đột ngột của U2o

sẽ truyền đến U1i thông qua tụ C Vì tác động khoá của các diode bảo vệ ở đầu vào G1 mà đỉnh hớng xuống của U1i sẽ bị giới hạn ở 0V Bây giờ U1i thấp hơn Ucđ và tiệm cận về phía không phụ thuộc vào Ucđ có giá trị bằng USS / 2 Tuy vậy, nếu Ucđ≠ USS /

Bộ nhớ là thiết bị dùng để lu trữ thông tin, tạm thời hoặc lâu dài, nh các con số trong các phép toán của quá trình tính toán khi máy tính làm việc, chơng trình điều khiển máy tính, v.v Có nhiều loại bộ nhớ nh… bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ dùng vật liệu từ nh… ng ở đây chúng ta chỉ tìm hiểu những khái niệm cơ bản về hai loại bộ nhớ bán dẫn là RAM và ROM.

1 Bộ nhớ RAM

Thuật ngữ RAM là viết tắt của các từ Random Access Memory, dịch ra là bộ nhớ truy

cập ngẫu nhiên, có nghĩa là có thể truy cập đến bất kỳ ô nhớ nào với cùng tốc độ và khả năng nh nhau Đó là bộ nhớ bán dẫn có thể ghi đọc đợc, thờng đợc dùng trong các thiết bị tính toán để lu trữ các kết quả trung gian hay kết quả tạm thời trong khi thực hiện các chơng trình điều

- Bộ nhớ RAM dùng MOSFET đợc chia thành hai loại:

+ Loại tĩnh (Static) cũng lấy FF làm đơn vị nhớ cơ bản.

+ Loại động (Dynamic) lợi dụng điện dung ký sinh của cực cổng để chứa dữ liệu.

Các đơn vị nhớ chỉ lu giữ đợc thông tin khi có nguồn nuôi Vì vậy, bộ nhớ RAM thờng chỉ dùng để lu giữ thông tin tạm thời khi máy tính hoạt động, muốn lu giữ đợc thông tin lâu dài thì phải có nguồn nuôi dự phòng.

Một chip nhớ có rất nhiều ô nhớ, mỗi ô nhớ lại gồm nhiều đơn vị nhớ (thờng là 8 đơn vị nhớ), mỗi đơn vị nhớ thì nhớ đợc một bit, nh vậy, một ô nhớ thờng nhớ đợc 8 bit (bằng 1 byte) Dung lợng của một chip nhớ đợc tính bằng số bit mà nó nhớ đợc Ví dụ, một chíp nhớ dung lợng 16384 bit = 2048 byte sẽ có 16384/ 8 = 2048 ô nhớ.

Để tạo ra các chip nhớ có dung lợng lớn, ngời ta sắp xếp các ô nhớ thành một ma trận Một ô nhớ gồm 8 đơn vị nhớ, các ô nhớ đợc nối chung với các đờng dẫn dữ liệu từ D0 đến D7 Một chip nhớ sẽ có các đờng địa chỉ, trong đó sẽ có một số đợc nối với bộ giải mã cột, số còn lại đợc đa vào bộ giải mã hàng Đầu ra của bộ giải mã hàng-cột sẽ chỉ ra ô nhớ cần đọc ghi thông tin Số đầu vào địa chỉ = log 2 (Số ô nhớ).

Khi có tín hiệu đọc thì cùng một lúc, thông tin từ 8 đơn vị nhớ trên một ô nhớ đợc chọn sẽ đợc đa lên 8 đờng dẫn dữ liệu Quá trình nghi thông tin diễn ra ngợc lại với quá trình đọc.

Hình VI.1.1 trình bày một ma trận nhớ 65536bit =(128 hàng) x (64 cột) x (8 bit) Có 13 đầu vào địa chỉ từ A0 đến A12, 7 địa chỉ đầu A0ữ A6 đợc đa vào bộ giải mã hàng ⇒ số hàng là: 27 = 128, 6 địa chỉ còn lại A7ữ A12 đa vào bộ giải mã cột ⇒ 26 = 64 cột Một ô nhớ có 8 bit, vì vậy có 8 đầu ra dữ liệu từ D0 đến D7.

Hình VI.1.2 là sơ đồ biểu diễn một IC RAM với các đờng tín hiệu sau:

2 Bộ nhớ ROM

ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc Đó là thiết là thiết bị nhớ không thay đổi đợc, nó thờng đợc nhà sản xuất ghi sẵn nội dung bằng thiết bị đặc biệt ROM thờng dùng để chứa các chơng trình điều khiển để khởi động một hệ thống, hoặc lu giữ những dữ liệu cố định không cần thay đổi Thông tin trên ROM không bị mất cả khi không có nguồn nuôi ROM có thể đợc chế tạo bằng công nghệ lỡng cực hoặc bằng công nghệ MOSFET.

Hình VI.2.1 mô tả bộ nhớ ROM đơn giản, chỉ sử dụng diode ROM này chứa 4 ô nhớ 8 bit, nó có 32 bit nhớ Mỗi bit nhớ có diode mang giá trị logic 0, bit nhớ không có diode mang giá trị logic 1 Nội dung các ô nhớ của ROM này đợc thể hiện nh bảng dới đây:

Hình VI.2.2 là sơ đồ biểu diễn một IC ROM với các đờng tín hiệu sau:

Cổng song song hay là cổng LPT do công ty Centronics thiết kế ra nhằm mục đích nối máy tính PC với máy in Về sau, cổng song song đã đợc phát triển thành một tiêu chuẩn không chính thức.

1 Đặc điểm của cổng song song:

- Các bit dữ liệu đợc truyền song song.

- Giao diện song song sử dụng các mức logic TTL.

- Khoảng cách cực đại giữa cổng song song máy tính PC và thiết bị ngoại vi bị hạn chế vì điện dung ký sinh và hiện tợng cảm ứng giữa các đờng dẫn có thể làm biến dạng tín hiệu Khoảng cách giới hạn là 8 m, thông thờng chỉ khoảng 1,5 – 2 m.

- Tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào phần cứng Trên lý thuyết, tốc độ truyền đạt đến giá trị 1 Mbyte/s, nhng khoảng cách truyền bị hạn chế trong 1 m.

2 Cấu trúc của cổng song song:

Cổng song song có hai loại là: ổ cắm 36 và ổ cắm 25 chân, nhng ở đây chúng ta chỉ tìm