Bài giảng Điện tử số - Chương 4: Mạch logic tổ hợp

Bài giảng Điện tử số - Chương 4: Mạch logic tổ hợp trình bày các nội dung chính sau: Phân tích mạch logic tổ hợp, thiết kế mạch logic tổ hợp, mạch mã hóa và giải mã, bộ hợp kênh và phân kênh, mạch tạo và kiểm tra chẵn lẻ, đơn vị số học và logic.

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 83 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch logic tổ hợp Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 84 https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung  Khái niệm chung  Phân tích mạch logic tổ hợp  Thiết kế mạch logic tổ hợp  Mạch mã hóa giải mã  Bộ hợp kênh phân kênh  Mạch cộng  Mạch so sánh  Mạch tạo kiểm tra chẵn lẻ  Đơn vị số học logic (ALU) Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 85 https://fb.com/tailieudientucntt Khái niệm chung  Đặc điểm mạch tổ hợp  Trong mạch số, mạch tổ hợp mạch mà trị số ổn định tín hiệu đầu thời điểm xét phụ thuộc vào tổ hợp giá trị tín hiệu đầu vào  Đặc điểm cấu trúc mạch tổ hợp cấu trúc nên từ cổng logic Vậy mạch điện cổng chương mạch logic chương mạch tổ hợp  Phương pháp biểu diễn chức logic  Các phương pháp thường dùng để biểu diễn chức logic mạch tổ hợp hàm số logic, bảng trạng thái, bảng Cac nơ (Karnaugh), có biểu thị đồ thị thời gian dạng xung  Đối với vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thường biểu diễn hàm logic Đối với vi mạch cỡ vừa (MSI) thường biểu diễn bảng trạng thái Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 86 https://fb.com/tailieudientucntt Khái niệm chung (2)  Phương pháp biểu diễn chức logic (tiếp)  Sơ đồ khối tổng quát mạch logic tổ hợp trình bày hình vẽ  Mạch logic tổ hợp có n lối vào m lối Mỗi lối hàm biến vào Quan hệ vào, thể hệ phương trình tổng quát sau: Y0 = f0(x0, x1, …, xn-1); Y1 = f1(x0, x1, …, xn-1); … Ym-1 = fm-1(x0, x1, …, xn-1) x0 x1 Mạch logic tổ hợp Y0 Y1 xn-1 Ym-1  Đặc điểm bật mạch logic tổ hợp hàm phụ thuộc biến vào mà không phụ thuộc vào trạng thái mạch Cũng thế, trạng thái tồn thời gian có tác động vào  Thể loại mạch logic tổ hợp phong phú Phạm vi ứng dụng chúng rộng Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 87 https://fb.com/tailieudientucntt Phân tích mạch logic tổ hợp  Định nghĩa: đánh giá, phê phán mạch Trên sở đó, rút gọn, chuyển đổi dạng thực mạch điện để có lời giải tối ưu theo nghĩa  Mạch tổ hợp bao gồm hai hay nhiều tầng, mức độ phức tạp của mạch khác Thực hiện:  Nếu mạch đơn giản ta tiến hành lập bảng trạng thái, viết biểu thức, rút gọn, tối ưu (nếu cần) cuối vẽ lại mạch điện  Nếu mạch phức tạp ta tiến hành phân đoạn mạch để viết biểu thức, sau rút gọn, tối ưu (nếu cần) cuối vẽ lại mạch điện  Ví dụ: hình 4.2 trang 105-KTS  Ví dụ: hình 4.7 trang 108-KTS Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 88 https://fb.com/tailieudientucntt Thiết kế mạch logic tổ hợp toán ngược với toán phân tích Nội dung thiết kế thể theo sau: Phân tích tốn cho để gắn hàm biến, xác lập mối quan hệ logic hàm biến đó; Lập bảng trạng thái tương ứng; Từ bảng trạng thái viết trực tiếp biểu thức đầu thiết lập bảng Cac nô tương ứng; Dùng phương pháp thích hợp để rút gọn, đưa hàm dạng tối giản tối ưu theo mong muốn; Vẽ mạch điện thể Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 89 https://fb.com/tailieudientucntt Thiết kế mạch logic tổ hợp  Ví dụ: Một nhà hai tầng Người ta lắp hai chuyển mạch hai chiều hai tầng, cho tầng bật tắt đèn Hãy thiết kế mạch logic mơ hệ thống đó? 1 A  Lời giải: B 0 Hệ thống chiếu sáng sơ đồ Biểu thức hàm là: f A B A B = AB hay f  AB A AB B VAC Mạch điện hệ thống chiếu sáng Bảng trạng thái Sơ đồ logic thể hàm f A B f A B f 0 0 1 1 1 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 90 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch mã hóa giải mã  Một số loại mã thông dụng  Mã BCD mã dư  Mã Gray  Mã chẵn, lẻ  Mạch mã hoá  Mạch mã hoá từ thập phân sang BCD 8421  Mạch mã hoá ưu tiên  Mạch giải mã  Mạch giải mã đoạn  Mạch giải mã nhị phân Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 91 https://fb.com/tailieudientucntt Mã BCD mã dư  MÃ BCD (Binary Coded Decimal)  Cấu tạo: dùng từ nhị phân bit để mã hóa 10 kí hiệu thập phân, cách biểu diễn theo thập phân  Ví dụ mã NBCD, chữ số thập phân nhị phân hoá theo trọng số 23, 22, 21, 20 nên có tổ hợp dư, ứng với số thập phân 10,11,12,13,14 15 Sự xuất tổ hợp tin gọi lỗi dư  Ứng dụng: Do trọng số nhị phân vị trí biểu diễn thập phân tự nhiên nên máy thực trực tiếp phép tính cộng, trừ, nhân, chia theo mã NBCD  Nhược điểm mã tồn tổ hợp tồn Zero, gây khó khăn việc đồng truyền dẫn tín hiệu  Mã Dư-3  Cấu tạo: hình thành từ mã NBCD cách cộng thêm vào tổ hợp mã Như vậy, mã khơng bao gồm tổ hợp tồn Zero  Ứng dụng để truyền dẫn tín hiệu mà khơng dùng cho việc tính tốn trực tiếp Thập BCD Mã phân 8421 Dư 0000 0011 0001 0100 0010 0101 0011 0110 0100 0111 0101 1000 0110 1001 0111 1010 1000 1011 1001 1100 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 92 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch giải mã nhị phân  Bộ giải mã nhị phân cịn có tên giải mã "1 từ n", giải mã địa chọn địa nhị phân Chức lựa chọn lối (lấy giá trị 0), tác động tới đầu vào số nhị phân  Như vậy, số nhị phân n bit (n lối vào) nhận diện 2n địa khác (trên 2n lối ra) Nói khác đi, mạch chọn địa nhị phân mạch logic tổ hợp có n lối vào 2n lối ra, tác động tới đầu vào số nhị phân lối lựa chọn, lấy giá trị (tích cực cao) (tích cực thấp), lối cịn lại khơng lựa chọn, lấy giá trị A0 A1 D0 Bộ giải mã nhị phân An-1 D2n- Sơ đồ khối giải mã nhị phân Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com D1 101 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ hợp kênh phân kênh  Bộ hợp kênh (MUX-Multiplexer)  Định nghĩa: Bộ hợp kênh mạch có 2n lối vào liệu, n lối vào điều khiển, lối vào chọn mạch lối  Tuỳ theo giá trị n lối vào điều khiển mà lối giá trị lối vào (Xj) Nếu giá trị thập phân n lối vào điều khiển j Y = Xj  Bộ phân kênh (DEMUX-DeMultiplexer)  Định nghĩa: Bộ phân kênh mạch có lối vào liệu, n lối vào điều khiển, lối vào chọn mạch 2n lối  Tuỳ theo giá trị n lối vào điều khiển mà lối thứ i (Yi) giá trị lối vào Cụ thể gọi n lối vào điều khiển An-1An-2…A0 Yi = X (An-1An-2…A0)2 = (i)10 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 102 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ hợp kênh (MUX-Multiplexer)  Phương trình tín hiệu MUX 2n  1: Y  X (A n 1 A n 2 A i A )  X1 (A n 1 A n 2 A i A )   X 2n 1 (A n 1A n  Ai A1A ) En X0 X1 Xj X0 X1 MUX 2n  Y- Lối Y A0 A1 A2 Vào điều khiển Vào liệu Xj X2n-1 74151 X2n-1 (b) MUX chuyển mạch điện tử An-1 An-2 A0 E1 n lối vào điều khiển (a) Sơ đồ khối Vào cho phép E2 Bộ hợp kênh MUX 2n   Thực chất, MUX chuyển mạch điện tử dùng tín hiệu điều khiển (An-1An-2…A0) để điều khiển nối mạch lối với số 2n lối vào  MUX dùng phần tử vạn để xây dựng mạch tổ hợp khác  IC 74151 MUX lối vào liệu - lối Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 103 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ phân kênh (DEMUX-DeMultiplexer)  Phương trình tín hiệu DEMUX  2n : Y0  X.A n 1 A n  A i A Y1  X.A n 1 A n  A i A1A En Chọn mạch Y0 Y1 MUX 2n  Yj Lối vào X Y0 Y1 X Y2n 1  X.A n 1 A n  Ai A Yj Lối vào Y2n-1 Y2n-1 (b) DEMUX chuyển mạch điện tử A0 A1 A2 An-1 An-2 A0 n lối vào điều khiển (a) Sơ đồ khối Hình 4-19 Bộ phân kênh DEMUX  2n  Bộ phân kênh gọi giải mã 2n Tại thời điểm có số 2n lối mức tích cực 74138 Vào điều khiển Vào liệu Vào cho phép  IC 74138 DEMUX lối vào liệu - lối Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 104 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch cộng: Mạch toàn tổng  Định nghĩa: Mạch logic thực phép cộng hai số nhị phân bit có lối nhớ đầu vào gọi mạch toàn tổng  Theo sơ đồ khối tổng quát mạch toàn tổng nguyên lý cộng hai số nhị phân bit có trọng số bất kỳ, ta lập bảng trạng thái hàm Si, Ci Si   bi  Ci 1 Ci-1 Ci  biCi 1  bi Ci 1  bi Ci 1 Si bi Ci  bi    bi  Ci 1 Ci Bảng trạng thái Ci-1 0 0 1 1 0 1 0 1 bi 1 1 Si 1 0 Ci 0 1 1 Gi Pi a) Mạch điện Si Pi Ci-1 TT Ci Gi bi b) Ký hiệu Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 105 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch cộng: Mạch cộng nhị phân song song  Ta ghép nhiều cộng hai số nhị bit lại với để thực phép cộng hai số nhị phân nhiều bit  Sơ đồ khối cộng trình bày dưới, gọi cộng song song Si S2 S1 S0 Bộ toàn tổng Bộ toàn tổng Bộ toàn tổng Bộ toàn tổng CRi CVi bi CR2 CV2 CR1 CV1 CR0 b a2 b a1 Hình 4-22 Sơ đồ khối cộng nhị phân song song CV0 b a0  Để giảm bớt mức độ phức tạp mạch, thực tế người ta thường sản xuất tổng bit Muồn cộng nhiều bit, hợp nối tiếp vài tổng bit theo phương pháp nêu  Một cộng thông dụng 7483 IC sản xuất theo hai loại: 7483 7483A với logic vào, khác Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 106 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch so sánh  Trong hệ thống số, đặc biệt máy tính, thường thực việc so sánh hai số  Hai số cần so sánh số nhị phân, ký tự mã hố nhị phân  Mạch so sánh hoạt động theo kiểu nối kiểu song song Trong phần ta nghiên cứu so sánh theo kiểu song song  Bộ so sánh Bộ so sánh bit Bộ so sánh bit  Bộ so sánh Bộ so sánh bit Bộ so sánh bit (So sánh lớn hơn) Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 107 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ so sánh  Bộ so sánh bit  Xét bit bi, gọi gi kết so sánh  Ta có: gi  bi  bi   bi bi gi Bảng trạng thái so sánh bit bi gi 0 1 0 1  Bộ so sánh bit  So sánh hai số nhị phân bit A = a3a2a1a0 với B = b3b2b1b0 Có A = B  a3 = b3, a2 = b2, a1 = b1, a0 = b0  Biểu thức đầu tương ứng là: G = g3g2g1g0 với: g3  a3  b3 , g  a2  b2 , g1  a1  b1 , g  a0  b0 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 108 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ so sánh bit Mạch điện so sánh bit Bảng trạng thái mạch so sánh 0 1 bi 1 f< 0  Biểu thức đầu ra: f= 0 f> 0 bi f< f= f> f   a i bi f   a i  bi f   a i bi Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 109 https://fb.com/tailieudientucntt Bộ so sánh bit (So sánh lớn hơn)  So sánh hai số nhị phân bit A = a3a2a1a0 với B = b3b2b1b0 Có A > B khi:  a3 > b3,  a3 = b3, a2 > b2,  a3 = b3, a2 = b2, a1 = b1,  a3 = b3, a2 = b2, a1 = b1, a0 = b0  Từ ta có biểu thức hàm là: f   a3 b3  a3  b3 a2 b2  a3  b3 a2  b2 a1.b1  a3  b3 a2  b2 a1  b1.a0 b0 a3 b3 a2 b2 f> a1 b1 a0 b0 Mạch điện so sánh lớn bit Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 110 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch tạo kiểm tra chẵn lẻ  Có nhiều phương pháp mã hố liệu để phát lỗi sửa lỗi truyền liệu từ nơi sang nơi khác Phương pháp đơn giản thêm bit vào liệu truyền cho số chữ số liệu ln chẵn lẻ Bit thêm vào gọi bit chẵn/lẻ  Để thực việc truyền liệu theo kiểu đưa thêm bit chẵn, lẻ vào liệu phải:  Xây dựng sơ đồ tạo bit chẵn, lẻ để thêm vào n bit liệu  Xây dựng sơ đồ kiểm tra hệ xem hệ chẵn hay lẻ với (n + 1) bit đầu vào (n bit liệu, bit chẵn/lẻ) Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 111 https://fb.com/tailieudientucntt Mạch tạo bit chẵn/lẻ n bit liệu Tạo bit chẵn/lẻ Xo Xe Sơ đồ khối tổng quát mạch tạo bit chẵn/lẻ  Xét trường hợp bit liệu d1, d2, d3  Gọi Xe, X0 bit chẵn, lẻ thêm vào liệu  Từ bảng trạng thái ta thấy Xo  Xe hay Xe  X o  Và biểu thức X0 Xe X e  d1  d  d3 X o  Xe  d1  d  d3 Bảng trạng thái mạch tạo bit chẵn lẻ Vào Ra d1 0 0 1 1 d2 0 1 0 1 d3 1 1 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com Xe 1 0 112 https://fb.com/tailieudientucntt Xo 0 1 Mạch kiểm tra chẵn/lẻ n bit liệu Kiểm tra hệ chẵn/lẻ Vào Fo Fe Bit chẵn lẻ (Xo, Xe) Sơ đồ khối mạch kiểm tra chẵn/lẻ  Từ bảng trạng thái mạch kiểm tra tính chẵn/lẻ ta thấy:  Fe = hệ chẵn (Fe tính chẵn hệ)  Fo = hệ lẻ (Fo tính lẻ hệ)  Hai hàm kiểm tra chẵn/lẻ phủ định Mặt khác tính chất hàm cộng XOR, ta có:  Fo = d  d  d  X  Fe = Fo d1 0 0 0 0 d2 0 0 1 1 d3 0 1 0 1 X 1 1 Fo 1 0 Fe 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com Ra 113 https://fb.com/tailieudientucntt Đơn vị số học logic (ALU) 4 Thanh ghi A Thanh ghi B 4 Cin M (Mode) F0 Chọn chức F1 (Phép tính) ALU 4 Ghi trạng thái Sơ đồ khối ALU bit  Đơn vị số học logic (Arithmetic – Logic Unit) thành phần thiếu máy tính Nó bao gồm khối khối logic khối số học khối ghép kênh  Khối logic: Thực phép tính logic AND, OR, NOT, XOR  Khối số học: Thực phép tính số học là: cộng, trừ, tăng 1, giảm Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 114 https://fb.com/tailieudientucntt Câu hỏi Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 115 https://fb.com/tailieudientucntt .. .Mạch logic tổ hợp Bài giảng Điện tử số V1.0 CuuDuongThanCong.com 84 https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung  Khái niệm chung  Phân tích mạch logic tổ hợp  Thiết kế mạch logic tổ hợp  Mạch. .. mạch tổ hợp  Trong mạch số, mạch tổ hợp mạch mà trị số ổn định tín hiệu đầu thời điểm xét phụ thuộc vào tổ hợp giá trị tín hiệu đầu vào  Đặc điểm cấu trúc mạch tổ hợp cấu trúc nên từ cổng logic. .. cổng logic Vậy mạch điện cổng chương mạch logic chương mạch tổ hợp  Phương pháp biểu diễn chức logic  Các phương pháp thường dùng để biểu diễn chức logic mạch tổ hợp hàm số logic, bảng trạng