Bài giảng Kỹ thuật số - TS. Lê Chí Thông giới thiệu nhiều chủ đề về các nguyên tắc và thực hành thiết kế số, bao gồm: Hệ thống số; đại số Boole, các cổng logic, tối thiểu hóa mạch; hệ tổ hợp; bộ nhớ ROM, RAM và logic khả lập trình, hệ tuần tự: chốt, flip-flop, thanh ghi, bộ đếm, máy trạng thái; các họ vi mạch số; ngôn ngữ mô tả phần cứng. Giới thiệu chuyển đổi tương tự -số và tổ chức máy tính. Mời các bạn cùng tìm hiểu và tham khảo nội dung thông tin tài liệu.
GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Kỹ Thuật Số Giảng viên TS Lê Chí Thơng Bộ mơn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: chithong@hcmut.edu.vn Website: sites.google.com/site/chithong BK e-Learning http://e-learning.hcmut.edu.vn Tác giả soạn slides: Nguyễn Trọng Luật GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Nội Dung Tóm Tắt • Mơn học giới thiệu nhiều chủ đề nguyên tắc thực hành thiết kế số, bao gồm: hệ thống số; đại số Boole, cổng logic, tối thiểu hóa mạch; hệ tổ hợp; nhớ ROM, RAM logic khả lập trình, Hệ tuần tự: chốt, flipflop, ghi, đếm, máy trạng thái; họ vi mạch số; ngôn ngữ mô tả phần cứng Giới thiệu chuyển đổi tương tự-số tổ chức máy tính • Sau đạt mơn SV có khả hiểu, thiết kế xây dựng hệ thống số tổ hợp Sách Tài Liệu • John F Wakerly – Digital Design, Principles and Practices, 4th Ed–Prentice-Hall, 2006 • Katz and Boriello – Contemporary Logic Design, 2nd Ed.– Prentice-Hall, 2005 • M Morris Mano and Charles R Kime – Logic and Computer Design Fundamentals, 3rd Ed.–Prentice-Hall, 2004 • Nguyễn Như Anh – Kỹ Thuật Số 1, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM • Hồ Trung Mỹ – Kỹ Thuật Số 2, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM • Lê Chí Thơng – Kỹ Thuật Số khí – Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM • Bài giảng tập GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Điểm Cách Đánh Giá • Kiểm tra kỳ (60 – 90 phút): 20% • Thi cuối kỳ (120 phút): 80% Nội Dung Chương Trình Chương 1: Hệ Thống Số Đếm Chương 2: Đại Số Boole Chương 3: Hệ Tổ Hợp Chương 4: Hệ Tuần Tự Chương 5: Các Thiết Bị Logic Lập Trình Được (PLD) Chương 6: Ngơn Ngữ Mơ Tả Phần Cứng (VHDL) GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Chương 1: HỆ THỐNG SỐ ĐẾM – SỐ NHỊ PHÂN I Các hệ thống số đếm: Các khái niệm: - Cơ số (r - radix): số lượng ký tự chữ số (ký số - digit) sử dụng để biểu diễn hệ thống số đếm - Trọng số (weight): đại lượng biểu diễn cho vị trí số chuỗi số Trọng số = Cơ số Vị trí - Giá trị (value): tính tổng theo trọng số Giá trị = (Ký số x Trọng số) a Số thập phân (Decimal): Cơ số r = 10 102 101 100 10-1 10-2 10-3 4x102 0x101 7x100 6x10-1 2x10-2 5x10-3 400 0.6 0.02 0.005 400 + + + 0.6 + 0.02 + 0.005 = 407.625 b Số nhị phân (Binary): Cơ số r = 1 1 22 21 20 2-1 2-2 2-3 1x22 0x21 1x20 0x2-1 1x2-2 1x2-3 0.25 0.125 + + + + 0.25 + 0.125 = 5.375 GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM c Số thập lục phân (Hexadecimal): Cơ số r = 16 Hexadecimal Decimal Binary Hexadecimal Decimal Binary 7 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 A B C D E F 10 11 12 13 14 15 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 A D 162 161 160 16-1 16-2 16-3 5x162 10x161 0x160 4x16-1 13x16-2 1x16-3 1280 160 0.25 0.0508 0.0002 1280 + 160 + + 0.25 + 0.0508 + 0.0002 = 1440.301 Chuyển đổi số: a Từ thập phân sang nhị phân 625 :2 = :2 = :2 = :2= dö dö dö dö (LSB) 0 1 0 1 B 0.625 x = 1.25 phần nguyên (MSB) 0.25 x = 0.5 phần nguyên 0.5 x = 1.0 phần nguyên 10 GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b Từ thập phân sang thập lục phân: 1480.4296875 1480 : 16 = 92 dö (LSD) 92 : 16 = dö 12 : 16 = dö 5 C E H 0.4296875 x 16 = 6.875 phần nguyên (MSD) 0.875 x 16 = 14.0 phần nguyên 14 11 c Từ nhị phân sang thập lục phaân: 00 11101101011101.0110101 B D B A H d Từ thập lục phân sang nhị phân: C E H 01011001001.11101000 B 12 GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM II Soá nhị phân (Binary): 1.Các tính chất số nhị phân - Số nhị phân n bit có 2n giá trị từ đến 2n - - Số nhị phân có giá trị 2n-1: … … … (n bit 1) n giá trị : … … (n bit 0) - Số nhị phân có giá trị lẻ số có LSB = 1; ngược lại giá trị chẵn số có LSB = - Các bội số bit: B (Byte) = bit KB = 210 B MB = 210 GB = 210 MB = 1024 B 220 B KB = 13 Các phép toán số học số nhị phân: a Phép cộng: 0 1 + + + + 1 = = = = 1 nhớ 1 = = = = mượn 1 1 1 1 1 1 1 0 b Phép trừ: 0 1 - -1 -1 -1 1 1 1 0 1 14 GV dạy: Lê Chí Thông GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM 1 1 0 c Phép nhân: 1 0 0 0 0 1 1 0 1 d Pheùp chia: 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 Mã nhị phân: Từ mã: tổ hợp nhị phân sử dụng loại mã nhị phân a Mã nhị phân cho số thập phân (BCD – Binary Coded Decimal) Số thập phân GV dạy: Lê Chí Thơng BCD (8 1) 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 BCD (2 1) 0000 0001 0010 0011 0100 1011 1100 1101 1110 1111 BCD quaù 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 Maõ 10 0000000001 0000000010 0000000100 0000001000 0000010000 0000100000 0001000000 0010000000 0100000000 0 0 0 0 016 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b Mã Gray: mã nhị phân mà giá trị liên tiếp có tổ hợp bit biểu diễn khác bit Giá trò Binary Gray 000 001 010 011 100 000 001 011 010 110 Đổi từ Binary sang Gray Đổi từ Gray sang Binary 1 1 0 1 Gray: 1 0 Gray: 1 1 0 c Maõ LED đoạn: Giá trị a f g e b c d 17 a b c d e f g 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 d Mã n: mã nhị phân n bit có từ mã có bit (hoặc 0) n-1 bit lại (hoặc 1) Mã 4: GV dạy: Lê Chí Thông 0 0 0 0 0 0 hoaëc 1 1 1 1 1 1 18 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM d Mã ký tự ASCII: (Haøng) b3b2b1b0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 (Coät) b6 b5 b4 011 100 000 001 010 Hex 3 A B C D E F NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US SP ! ” # $ % & ’ ( ) * + , / : ; < = > ? 101 110 111 @ A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ ` a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL 19 III Số nhị phân có dấu : Biểu diễn số có dấu: a Số có dấu theo biên độ (Signed_Magnitude): - Bit MSB bit dấu: số dương số âm, bit lại biểu diễn giá trị độ lớn + 13 : 01101 - 13 : 11101 - Phaïm vi biểu diễn: - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) 20 GV dạy: Lê Chí Thơng 10 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM b Số bù_1 (1’s Complement): - Số bù_1 số nhị phân N có chiều dài n bit Bù_1 (N) = 2n – – N Buø_1 (1 0 1) = 24 - - 0 = 1111 - 1001 = 0110 - Có thể lấy Bù_1 số nhị phân cách lấy đảo bit (0 thành thành 0) - Biểu diễn số có dấu bù_1: * Số có giá trị dương: bit dấu = 0, bit lại biểu diễn độ lớn * Số có giá trị âm: lấy bù_1 số dương có độ lớn - Phạm vi biểu diễn - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) 21 c Số bù_2 (2’s Complement): - Số bù_2 số nhị phân N có chiều dài n bit có n bit Bù_2 (N) = 2n – N = Buø_1 (N) + Buø_2 (1 0 1) = 24 - 1001 = 10000 - 1001 = Bù_2 (1 0 1) 0111 = Buø_1 (1 0 1) + = 0110 +1 = 0111 22 GV dạy: Lê Chí Thơng 11 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM - Bieåu diễn số có dấu bù_2: * Số có giá trị dương: bit dấu = 0, bit lại biểu diễn độ lớn * Số có giá trị âm: lấy bù_2 số dương có độ lớn - Phạm vi biểu diễn số nhị phân có dấu n bit - (2n-1 ) ÷ + (2n-1 - 1) Giá trị dương 000 = 001 = + 010 = + 011 = + Giá trị âm 100 = - 101 = - 110 = - 111 = - 23 - Để tìm giá trị số âm: ta lấy bù_2 nó; nhận số dương có biên độ Số âm Bù_2 (1 0 có giá trị : ……… - 15 0 1) = 0 1 1 : + 15 - Mở rộng chiều dài bit số có dấu: số dương thêm bit số âm thêm bit vào trước -3 : 101 = 11101 - Lấy bù_2 hai lần số số - Giá trị -1 biểu diễn … 11 (n bit 1) - Giá trị -2n biểu diễn 0 0 (n bit 0) - 32 = - 25 : 0 0 GV dạy: Lê Chí Thơng 24 12 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM Các phép toán cộng trừ số có dấu: - Thực giống số không dấu - Thực toán hạng có chiều dài bit, kết có số bit - Kết nằm phạm vi biểu diễn số có dấu (nếu kết sai cần mở rộng chiều dài bit) -6 : 1010 +3 : 0011 -3 : 1101 +4 : 0100 + +5 : 0101 - : 0 (Kq sai) + -2 : 1110 -5 : 1011 -7 : 1001 00100 00101 0 : + (Kq đúng) + 25 Tràn (overflow) xảy số nhớ Cin Cout vị trí dấu khác - - -6 : -2 : -4 : 1010 1110 1100 -7 : 1001 +5 : 0101 +4 : 0100 (Kq sai) - +2 -5 +7 : 11001 00101 10100 : : 0010 1011 0111 : - 12 (Kq đúng) 26 GV dạy: Lê Chí Thơng 13 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM A – B = A + Buø_2 (B) Trừ với số bù_2: * Trừ với số dấu - : 13 : -7 : 0110 1101 bù_2: + 0110 0011 1001 * Trừ với số có dấu - -6 : -3 : -3 : 1010 1101 bù_2: + 1010 0011 1101 27 IV Cộng trừ số BCD: Cộng Trừ Nếu decade Si > có bit nhớ Ci = hiệu đính Si: Si = Si + 0110 (6D) S= A+B D=A–B = A + Buø (B) (bỏ qua bit nhớ Cn) Cn = 1: kết D số dương Cn = 0: kết D số âm Lấy bù (D) Nếu decade Di > hiệu đính Di: Di = Di + 1010 (10D) (bỏ qua bit nhớ hiệu đính) Cn bit nhớ tạo từ decade cao nhất, Ci số nhớ tạo từ decade thứ i + 29 : 0 1 0 55 : 1 1 0111 1110 0110 84 : 0 0 0 GV dạy: Lê Chí Thơng + 28 : 0 1 0 19 : 0 1 0 0100 0001 0110 47 : 0 1 28 14 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật - 29 14 : 0010 1001 : 0001 0100 ĐH Bách Khoa TP.HCM 0010 1001 + 1110 1100 Cn =1 0 1 Bù Bỏ qua Cn = 15 Kết quả: + 15 - 56 18 : 0101 0110 : 0001 1000 Kết quả: + 38 0101 0110 + 1110 1000 Cn =1 0 1 1 + 1010 Bỏ qua Cn Bù 0011 1000 D0>9 = 38 Bỏ qua bit nhớ GV dạy: Lê Chí Thơng 15 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật - 21 55 : 0010 1001 : 0101 0101 ĐH Bách Khoa TP.HCM 0010 0001 + 1010 1011 Cn =0 1 0 1 0 Bù Bù Kết quả: - 34 34 : 0011 0100 31 - 29 55 : 0010 1001 : 0101 0101 0010 1001 + 1010 1011 Cn =0 1 1 0 Bù Bù Kết quả: - 26 0010 1100 + 1010 26 : D0>9 0010 0110 Bỏ qua bit nhớ 32 GV dạy: Lê Chí Thông 16 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật - 16 40 : 0001 0110 : 0100 0000 ĐH Bách Khoa TP.HCM 0001 0110 + 1100 0000 Cn =0 1 1 Bù Bù Kết quả: - 24 0010 1010 + 1010 24 : D0>9 0010 0100 Bỏ qua bit nhớ 33 Trạng thái logic tín hiệu số (Digital Signal): Giản đồ xung (Waveform) tín hiệu số: 34 GV dạy: Lê Chí Thơng 17 ... Chương 1: HỆ THỐNG SỐ ĐẾM – SỐ NHỊ PHÂN I Các hệ thống số đếm: Các khái niệm: - Cơ số (r - radix): số lượng ký tự chữ số (ký số - digit) sử dụng để biểu diễn hệ thống số đếm - Trọng số (weight): đại... cho vị trí số chuỗi số Trọng số = Cơ số Vị trí - Giá trị (value): tính tổng theo trọng số Giá trị = (Ký số x Trọng số) a Số thập phân (Decimal): Cơ số r = 10 102 101 100 1 0-1 1 0-2 1 0-3 4x102... gia TP.HCM • Hồ Trung Mỹ – Kỹ Thuật Số 2, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM • Lê Chí Thơng – Kỹ Thuật Số khí – Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM • Bài giảng tập GV dạy: Lê Chí Thơng GV soạn: Nguyễn