Bài giảng Điện tử số: Phần 2 - ĐH Phạm Văn Đồng

(NB) Mạch tuần tự khác với mạch tổ hợp là hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào tại thời điểm hiện tại mà còn phụ thuộc vào quá khứ của tín hiệu vào. Mạch tuần tự còn được gọi là hệ có nhớ. Để nắm chi tiết hơn về nội dung mời các bạn cùng tham khảo Bài giảng Điện tử số: Phần 2 sau đây.

Chương 4: MẠCH TUẦN TỰ 4.1 Khái niệm Mạch khác với mạch tổ hợp hiệu không phụ thuộc vào tín hiệu vào thời điểm mà phụ thuộc vào khứ tín hiệu vào Mạch cịn gọi hệ có nhớ Để thực mạch tuần tự, thiết phải có phần tử nhớ Phần tử nhớ thường Flip Flop (FF) 4.2 FLIPFLOP 4.2.1 Giới thiệu Mạch flipflop (FF) mạch đa hài lưỡng ổn tức mạch tạo sóng vng có trạng thái cân Trạng thái cân FF thay đổi có xung đồng hồ tác động Một FF thường có nhiều ngõ vào, hai ngõ Tính nhớ FF thể điểm: Trạng thái FF giữ nguyên tác động ngõ vào chấm dứt Hai ngõ FF thường ký hiệu Q Q FF tạo nên từ mạch chốt (latch) Điểm khác biệt mạch chốt FF là: FF chịu tác động xung đồng hồ cịn mạch chốt khơng 4.2.2 Mạch chốt RS Các trạng thái logic mạch chốt RS biễu diễn bảng đây: R 0 0 1 1 S 0 1 0 1 Q+ Q 1 1 1 0 X X Q (Set) (Reset) Cấm R,S: Các ngõ vào; Q: Trạng thái ngõ ra; Q+ : trạng thái ngõ Bảng tóm tắt: R 0 1 S 1 Q+ Q Cấm 54 Từ bảng trên, ta tóm tắt hoạt động RS sau: - Khi R = S = 0, ngõ không đổi trạng thái - Khi R = S = 1, chốt Set (tức đặt Q+ = 1) - Khi R = S = 0, chốt Reset (tức đặt Q+ = 0) - Khi R = S = 1, chốt rơi vào trạng thái cấm Bảng chuyển trạng thái chốt RS: Q SR 00 01 11 10 0 - 1 - Nhớ Xóa Khơng xđ thiết lập Vậy Q+ = S + Q Sơ đồ logic mạch chốt RS sử dụng cổng NOR Ký hiệu mạch chốt RS: 55 4.2.3 FlipFlop RS a Cấu trúc tổng quát FlipFlop RS Khi thêm ngõ vào xung CLK cho chốt RS ta FF RS Dưới bảng thật FF RS có ngõ vào R, S xung đồng hồ CLK tác động mức cao CLK 1 1 S x 0 1 R x 1 Q+ Q Q Cấm Ký hiệu RSFF đồng mức cao: Để có FF xung đồng hồ CLK tác động mức thấp, ta thêm cổng đảo cho ngõ vào CLK Nhằm tránh trường hợp ngõ FF thay đổi nhiều lần có xung CLK, người ta thường thiết kế FF có xung đồng CLK sườn dương sườn âm xung Đồng sườn dương Đồng sườn âm 56 Biểu đồ thời gian khảo sát FF RS hoạt động theo chế độ đồng (sườn dương) CLK S R Q Xóa Thiết lập Nhớ Xóa b FlipFlop RS có ngõ vào Preset Clear Tính chất FF có ngõ mở máy Trong nhiều trường hợp ta cần đặt trước ngõ Q=1 Q=0, muốn thế, người ta thêm vào FF ngõ vào Preset (Q=1) Clear (Q=0) Dưới dạng mạch ký hiệu FF RS có ngõ vào Preset Clear Bảng thật FF RS có Preset Clear tác động thấp Pr 0 1 Cl CLK S × × × × × × × 1 1 1 1 ↑ ↑ ↑ ↑ 57 R × × × × Q+ Cấm Q 0 Q 1 1 Cấm 4.2.4 Flip Flop D (Delay) FF D có đầu vào D hoạt động chế độ đồng không đồng Ở ta xét FF D hoạt động chế độ đồng Q D Q D CLK Không đồng Đồng FF D đồng theo sườn dương ( CLK dương) : Bảng chuyển trạng thái FF D Q D 0 1 Ta có: Q+ = D (chỉ phụ thuộc vào D) Biểu đồ thời gian FF D (đồng mức cao) D CLK Q Copy D Nghỉ giữ nguyên trạng thái 58 Copy D Biểu đồ thời gian khảo sát hoạt động FF D đồng sườn dương: D CLK Q nghỉ nghỉ nghỉ Copy D nghỉ Copy D Copy D 4.2.5 Flip Flop JK FF JK khắc phục trạng thái cấm FF RS Ở trạng thái FF JK hoạt động mạch đếm Bảng hoạt động (FF JK đồng sườn dương): CLK ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ J x x 0 0 1 1 K x x 0 1 0 1 Q x x 1 1 Q+ Q Q 0 1 Q Q Sơ đồ khối: FF JK kích hoạt mức cao, sườn dương, sườn âm: J Q CLK K CLK mức cao CLK sườn dương 59 CLK sườn âm Bảng chuyển trạng thái: JK Q 00 01 11 10 0 1 1 0 xóa lật thiết lập Nhớ Vậy ta có: Q+ = J + Q K 4.2.6 Flip Flop T (Toggle) Nếu nối hai ngõ vào FF JK ta có FF T Sơ đồ khối: Q T CLK Bảng chuyển trạng thái FF T: Q Ta có: T 0 1 Q+ = Q T + T =T  Q 4.3 Một số ứng dụng mạch 4.3.1 Bộ đếm Bộ đếm hệ có ngõ vào xung clok nhiều ngõ Ngõ đếm ngõ FF cấu thành đếm Nội dung đếm thời điểm gọi trạng thái đếm Khi có xung clock vào đếm chuyển trạng thái từ trạng thái chuyển sang trạng thái Cứ tiếp tục tạo vịng đếm khép kín Để biểu diễn trạng thái vòng đếm hướng chuyển trạng thái ta thường dung giản đồ trạng thái đếm 60 Để ký hiệu số trạng thái khác đếm ta ký hiệu Modulo đếm m ( m≤ 2n ), n số FF có đếm Bộ đếm chia thành loại: - Bộ đếm nối tiếp (bộ đếm không đồng bộ): đếm mà ngõ FF trước ngõ vào xung clock cho FF sau - Bộ đếm song song (bộ đếm đồng bộ): đếm mà ngõ vào xung clock FF nối chung với a Bộ đếm nối tiếp Bộ đếm nối tiếp thực vòng đếm lên xuống + Đếm lên (Count Up): nội dung đếm tăng thêm có xung clock + Đếm xuống (Count Down): nội dung đếm giảm có xung clock Bộ đếm nối tiếp ghép từ FF đếm - Bộ đếm lên đầy đủ (m=2n) Ta xét đếm có n = 3, số trạng thái đếm m= Các ngõ FF trước ghép nối tiếp với ngõ vào FF Các ngõ Q0Q1Q2 Ngõ vào xung clock FF thứ Sử dụng JKFF Các ngõ vào JK nối lến Sơ đồ đếm: Giản đồ thời gian: CLK Q0 Q1 Q2 61 - Bộ đếm xuống đầy đủ Sơ đồ khối đếm xuống đầy đủ bit: Giản đồ thời gian: Lưu ý: Cũng mắc ngõ với ngõ vào CLK để tạo thành đếm xuống lên Bộ đếm nối tiếp không đầy đủ trạng thái đếm module m≤ 2n Lợi dụng ngõ vào Clear để xóa FF m lớn số trạng thái đếm cho trước Ví dụ: Sử dụng T-FF có xung clock cạnh xuống ngõ vào Preset, Clear tích cực cao; thiết kế đếm lên có m = giá trị Tạo xung xóa Z đếm đếm m= Q2 0 0 1 1 Q1 0 1 0 1 Q0 1 1 Z = Q2Q0 62 Z 0 0 x x Sơ đồ đếm: b Bộ đếm song song (đồng bộ) Các ngõ vào CLK FF nối song song với Sự thay đổi ngõ đếm phụ thuộc ngõ vào FF Khi thiết kế đếm quan tâm đến trạng thái đếm mà không cần quan tâm đến CLK dương hay âm Có thể thiết kế đếm với vịng đếm Các bước thiết kế: - Từ phát biểu toán xác định số FF cần thiết - Lập bảng trạng thái rõ quan hệ trạng thái - Tìm giá trị ngõ vào FF dựa bảng trạng thái hàm kích thích - Tìm biểu thức rút gọn cho ngõ vào phụ thuộc vào ngõ Ví dụ: Sử dụng T-FF kích theo cạnh lên, thiết kế đếm có dãy đếm sau: Q2Q1Q0 : 010, 101, 110, 001, 000, 111, 100, 011, 010, … Trạng thái Q2 Q1 Q0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 Trạng thái Q2+ Q1+ Q0+ 1 0 1 0 1 1 0 1 0 63 Các ngõ vào T2 T1 T0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 Sử dụng bìa Các-nơ ta tìm được: T2 = , T1 = + Q2 , T1 =1 Sơ đồ mạch đếm: 4.3.2 Thanh ghi Thanh ghi có cấu tạo gồm DFF nối tiếp với Chức năng: - Để lưu trữ tạm thời thông tin - Dịch chuyển thông tin Lưu ý: ghi nhớ dùng để lưu trữ thơng tin, ghi có chức dịch chuyển thơng tin Do đó, ghi sử dụng làm nhớ, nhớ làm ghi Phân loại: Thanh ghi có loại: a Vào nối tiếp nối tiếp Sơ đồ khối: 1 0 1 0 b Vào nối tiếp song song Sơ đồ khối: 64 c Vào song song nối tiếp Sơ đồ khối: 1 0 1 0 d Vào song song song song Sơ đồ khối: 1 Thanh ghi bit sử dụng nhiêu DFF (mỗi FF lưu trữ bit) Ví dụ: Thiết kế ghi bit vào nối tiếp song song dùng trigơ D số liệu D q4 CLK D q3 CLK CLR D q2 CLK CLR CLK CLR 65 D q1 CLK CLR CLR Bảng số liệu khảo sát: Vào Ra Dòng CLR số liệu CLK A B C D 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 10 0 0 11 1 0 12 10 0 13 11 0 14 12 0 15 13 0 0 66 Bài tập chương Thiết kế mạch đếm nối tiếp mod 16 đếm lên dùng T-FF (xung clock cạnh lên, ngõ Pr ngõ Cl tích cực mức thấp) Thiết kế mạch đếm nối tiếp mod 16 đếm xuống dùng T-FF (xung clock cạnh lên, ngõ Pr ngõ Cl tích cực mức thấp) Thiết kế mạch đếm đồng dùng JK-FF (xung clock cạnh xuống) có dãy đếm sau 000001 010 011 100110 110 111000 Yêu cầu : Lâp bảng trạng thái 2.Xác định ngõ vào kích thích Dùng bảng Karnaugh để tìm J K cho JKFF 67 Chương 5: BỘ NHỚ BÁN DẪN 5.1 Tổng quan nhớ Bộ nhớ bán dẫn sử dụng làm nhớ máy tính nhờ vào khả thỏa mãn tốc độ truy xuất liệu xử lý trung tâm (CPU) Chúng ta quen thuộc với FlipFlop, thiết bị nhớ điện tử Các FF phần tử nhớ tốc độ cao dùng nhiều việc điều hành bên máy tính, nơi mà liệu dịch chuyển liên tục từ nơi đến nơi khác Dữ liệu lưu trữ dạng điện tích tụ điện, loại phần tử nhớ quan trọng dùng nguyên tắc để lưu trữ liệu với mật độ cao tiêu thụ nguồn điện thấp Bộ nhớ bán dẫn dùng nhớ máy tính, nơi mà việc vận hành xem ưu tiên hàng đầu nơi mà tất liệu chương trình lưu chuyển liên tục trình thực tác vụ CPU Mặc dù nhớ bán dẫn có tốc độ làm việc cao, phù hợp cho nhớ trong, giá thành tính bit lưu trữ cao khiến cho khơng thể thiết bị có tính chất lưu trữ khối (mass storage) – loại có khả lưu trữ hàng tỉ bit mà không cần cung cấp lượng dùng nhớ (đĩa từ, băng từ, CD ROM,…) Tốc độ xử lý liệu nhớ tương đối chậm nên máy tính làm việc liệu từ nhớ chuyển vào nhớ Băng từ đĩa từ thiết bị lưu trữ khối mà giá thành tính bit tương đối thấp 5.2 ROM mặt nạ (Mask Programmed ROM, MROM) Đây loại ROM chế tạo để thực cơng việc cụ thể bảng tính, bảng lượng giác, bảng logarit,… sau xuất xưởng Nói cách khác, tế bào nhớ ma trận nhớ tạo theo chương trình xác định trước phương pháp mặt nạ: đưa vào linh kiện điện tử nối từ đường từ qua đường bit để tạo giá trị bit để trống cho giá trị bit ngược lại Cấu trúc MROM dùng diode : 68 5.3 ROM CHO PHÉP LẬP TRÌNH (Programmable ROM – PROM) PROM có cấu tạo ROM có hai đặc điểm khác biệt, là: - Tất tế bào nhớ có diode hay transistor lưỡng cực hay transistor MOS, tùy theo công nghệ chế tạo - Phần tử bán dẫn nối với cầu chì tích hợp Cầu chì đứt khơng thể nối lại ta lập trình PROM lần thơi - Muốn đổi từ bit sang bit người ta dùng xung điện có biên độ độ rộng xung thích hợp (cho biết nhà sản xuất) đường từ đường bit tương ứng để làm đứt cầu chì Cấu trúc PROM: 69 5.4 ROM lập trình được, xóa tia U.V (Ultra Violet Erasable Programmable ROM, U.V EPROM) Đây loại ROM tiện cho người sử dụng dùng nhiều lần cách xóa nạp lại Cấu tạo tế bào nhớ U.V EPROM dựa vào transistor MOS có cấu tạo đặc biệt gọi FAMOS (Floating Gate Avalanche Injection MOS) Cấu trúc EPROM: Trên chất bán dẫn N pha loãng, tạo vùng P pha đậm (P+) nối cho cực S (Source) D (Drain) Trong lớp cách điện SiO2 cực người ta cho vào thỏi Silicon không nối với bên gọi cổng Khi nguồn VDD, phân cực ngược cực Drain nhỏ, transistor không dẫn, tăng VDD đủ lớn, tượng thác đổ (avalanche) xảy ra, electron đủ lượng chui qua lớp cách điện tới bám vào cổng Do tượng cảm ứng, điện lộ P hình thành nối hai vùng bán dẫn P+ , transistor trở nên dẫn điện Khi cắt nguồn, transistor tiếp tục dẫn điện electron khơng thể trở để tái hợp với lỗ trống Để xóa EPROM, người ta chiếu tia U.V vào tế bào khoảng thời gian xác định để electron cổng nhận đủ lượng vượt qua lớp cách điện trở vùng tái hợp với lỗ trống xóa điện lộ P transistor trở trạng thái không dẫn ban đầu 5.5 ROM lập trình xóa xung điện (Electrically Erasable PROM, EEPROM hay Electrically Alterable PROM, EAPROM) Đây loại ROM lập trình xóa nhờ xung điện đặc biệt xóa để sửa byte Các tế bào nhớ EEPROM sử dụng transistor MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor) Cấu trúc EEPROM: 70 Giữa lớp kim loại nối cực lớp SiO2 lớp mỏng chất Nitrua Silic (Si3N4) - từ 40nm đến 650nm - Dữ liệu nạp cách áp điện dương cực G S (khoảng 20 đến 25V 100ms) Do khác biệt độ dẫn điện, electron tích bề mặt lớp SiO2 Si3N4 , electron tồn ngắt nguồn làm thay đổi trạng thái dẫn điện transistor Bây áp điện âm cực G S ta lớp điện tích trái dấu với trường hợp trước Như hai trạng thái khác Transistor thiêt lập hai điện ngược chiều tế bào nhớ ghi xóa với xung điện trái dấu 5.6 FLASH ROM EPROM loại nonvolatile, có tốc độ truy xuất nhanh (khoảng 120ns), mật độ tích hợp cao, giá thành rẻ nhiên để xóa nạp lại phải dùng thiết bị đặc biệt lấy khỏi mạch EEPROM nonvolatile, có tốc độ truy xuất nhanh, cho phép xóa nạp lại mạch byte có mật độ tích hợp thấp giá thành cao EPROM Bộ nhớ FLASH ROM tận dụng ưu điểm hai loại ROM nói trên, nghĩa có tốc độ truy xuất nhanh, điện áp xóa thấp, có mật độ tích hợp cao giá thành thấp Hầu hết FLASH ROM sử dụng cách xóa đồng thời khối liệu nhanh (hàng trăm ms so với 20 U.V EPROM) Những FLASH ROM hệ cho phép xóa sector (512 byte) chí vị trí nhớ mà khơng cần lấy IC khỏi mạch FLASH ROM có thời gian ghi khoảng 10μs/byte so với 100 μs EPROM ms EEPROM 5.7 Bộ nhớ đọc viết (RAM) RAM (viết tắt từ Random Access Memory tiếng Anh) loại nhớ máy tính RAM gọi nhớ truy cập ngẫu nhiên có đặc tính: thời gian thực thao tác đọc ghi ô nhớ nhau, cho dù vị trí nhớ Mỗi nhớ RAM có địa Thông thường, ô nhớ byte (8 bit); nhiên hệ thống lại đọc hay ghi vào nhiều byte (2, 4, byte) 71 RAM khác biệt với thiết bị nhớ (sequential memory device) chẳng hạn băng từ, đĩa; mà loại thiết bị bắt buộc máy tính phải di chuyển học cách để truy cập liệu Bởi chip RAM đọc hay ghi liệu nên thuật ngữ RAM hiểu nhớ đọc-ghi (read/write memory), trái ngược với nhớ đọc ROM (read-only memory) RAM thông thường sử dụng cho nhớ (main memory) máy tính để lưu trữ thông tin thay đổi, thông tin sử dụng hành Cũng có thiết bị sử dụng vài loại RAM thiết bị lưu trữ thứ cấp (secondary storage) Thông tin lưu RAM tạm thời, chúng mất nguồn điện cung cấp a Đặc trưng Bộ nhớ RAM có đặc trưng sau: * Dung lượng nhớ: Tổng số byte nhớ ( tính theo byte ) tổng số bit nhớ tính theo bit * Tổ chức nhớ: Số ô nhớ số bit cho ô nhớ * Thời gian thâm nhập: Thời gian từ lúc đưa địa ô nhớ đến lúc đọc nội dung nhớ * Chu kỳ nhớ: Thời gian hai lần liên tiếp thâm nhập nhớ b Mục đích Máy vi tính sử dụng RAM để lưu trữ mã chương trình liệu suốt trình thực thi Đặc trưng tiêu biểu RAM truy cập vào vị trí khác nhớ hồn tất khoảng thời gian tương tự, ngược lại với số kỹ thuật khác, địi hỏi phải có khoảng thời gian trì hỗn định c Phân loại RAM Tùy theo công nghệ chế tạo, người ta phân biệt thành loại: * SRAM (Static RAM): RAM tĩnh * DRAM (Dynamic RAM): RAM động - RAM tĩnh: 72 Cấu tạo bit nhớ RAM tĩnh: RAM tĩnh chế tạo theo công nghệ ECL (dùng CMOS BiCMOS) Mỗi bit nhớ gồm có cổng logic với transistor MOS SRAM nhớ nhanh, việc đọc không làm hủy nội dung ô nhớ thời gian thâm nhập chu kỳ nhớ - RAM động RAM động dùng kỹ thuật MOS Mỗi bit nhớ gồm transistor tụ điện Việc ghi nhớ liệu dựa vào việc trì điện tích nạp vào tụ điện việc đọc bit nhớ làm nội dung bit bị hủy Do sau lần đọc ô nhớ, phận điều khiển nhớ phải viết lại nội dung ô nhớ Chu kỳ nhớ theo mà gấp đôi thời gian thâm nhập ô nhớ Việc lưu giữ thông tin bit nhớ tạm thời tụ điện phóng hết điện tích nạp phải làm tươi nhớ sau khoảng thời gian 2μs Việc làm tươi thực với tất ô nhớ nhớ Công việc thực tự động vi mạch nhớ Bộ nhớ DRAM chậm rẻ tiền SRAM Cấu trúc tế bào nhớ DRAM: 73 d Các loại DRAM SDRAM (Viết tắt từ Synchronous Dynamic RAM) gọi DRAM đồng SDRAM gồm phân loại: SDR, DDR, DDR2 va DDR3 SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM), thường giới chun mơn gọi tắt "SDR" Có 168 chân Được dùng máy vi tính cũ, bus speed chạy vận tốc với clock speed memory chip, lỗi thời DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), thường giới chun mơn gọi tắt "DDR" Có 184 chân DDR SDRAM cải tiến nhớ SDR với tốc độ truyền tải gấp đôi SDR nhờ vào việc truyền tải hai lần chu kỳ nhớ Đã thay DDR2 DDR2 SDRAM (Double Data Rate SDRAM), Thường giới chuyên môn gọi tắt "DDR2" Là hệ thứ hai DDR với 240 chân, lợi lớn so với DDR có bus speed cao gấp đôi clock speed RDRAM (Viết tắt từ Rambus Dynamic RAM), thường giới chuyên môn gọi tắt "Rambus" Đây loại DRAM thiết kế kỹ thuật hoàn toàn so với kỹ thuật SDRAM RDRAM hoạt động đồng theo hệ thống lặp truyền liệu theo hướng Một kênh nhớ RDRAM hỗ trợ đến 32 chip DRAM Mỗi chip ghép nối module gọi RIMM (Rambus Inline Memory Module) việc truyền liệu thực mạch điều khiển chip riêng biệt không truyền chip với Bus nhớ RDRAM đường dẫn liên tục qua chip module bus, module có chân vào đầu đối diện Do đó, khe cắm khơng chứa RIMM phải gắn module liên tục để đảm bảo đường truyền nối liền Tốc độ Rambus đạt từ 400-800MHz Rambus không nhanh SDRAM bao lại đắt nhiều nên có người dùng RDRAM phải cắm thành cặp khe trống phải cắm RAM giả (còn gọi CRIMM) cho đủ DDR III SDRAM (Double Data Rate III Synchronous Dynamic RAM): có tốc độ bus 800/1066/1333/1600 Mhz, số bit liệu 64, điện 1.5v, tổng số pin 240 74 Bài tập chương Vẽ mạch MROM diode từ bít với liệu bit cần lập trình sau: 1100, 1010, 1111, 0101 So sánh phương pháp xóa liệu loại nhớ EPROM, EEPROM, FLASH So sánh ưu điểm nhược điểm nhớ bán dẫn nhớ từ 75 Tài liệu tham khảo: [1] Vũ Đức Thọ, Đỗ Xuân Thụ, Điện tử số, Nhà xuất Giáo Dục, 1996 [2] Nguyễn Thúy Vân, Thiết kế logic mạch số, Nhà xuất KHKT, 1997 [3] Brian Holdsworth, Digital Logic Design, Amazon, 2002 [4] Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất Giáo Dục, 2012 76 ... bị nhớ điện tử Các FF phần tử nhớ tốc độ cao dùng nhiều việc điều hành bên máy tính, nơi mà liệu dịch chuyển liên tục từ nơi đến nơi khác Dữ liệu lưu trữ dạng điện tích tụ điện, loại phần tử nhớ... Q+ Cấm Q 0 Q 1 1 Cấm 4 .2. 4 Flip Flop D (Delay) FF D có đầu vào D hoạt động chế độ đồng không đồng Ở ta xét FF D hoạt động chế độ đồng Q D Q D CLK Không đồng Đồng FF D đồng theo sườn dương ( CLK... chất Nitrua Silic (Si3N4) - từ 40nm đến 650nm - Dữ liệu nạp cách áp điện dương cực G S (khoảng 20 đến 25 V 100ms) Do khác biệt độ dẫn điện, electron tích bề mặt lớp SiO2 Si3N4 , electron tồn ngắt