Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 3 - ĐH Công Nghiệp

Chương Mạch logic số Nội dung • Transistor cổng logic • Đại số Boole • Mạch tổ hợp • Mạch tính tốn • Mạch • Mạch nhớ Transistor cổng logic • Transistor – Phần tử cấu tạo máy tính số ngày transistor John Bardeen Walter Brattain phát minh năm 1947 – Transistor thường sử dụng thiết bị khuếch đại khóa điện tử • Mỗi transistor có ba cực: – Cực gốc (base) – Cực góp (collector) – Cực phát (emitter) Transistor cổng logic • Cổng logic (gate) – Các transistor ghép nối lại để tạo thành cổng logic thực phép toán logic bản: NOT, AND, OR, NAND (NOT AND) NOR (NOT OR) – Giá trị logic • : mức điện áp 1,5 volt • : mức điện áp volt – Các cổng lại lắp ghép thành phần tử chức lớn mạch cộng bit, nhớ bit, v.v… từ tạo thành máy tính hồn chỉnh Transistor cổng logic • Cấu tạo cổng NOT, NAND NOR • Ký hiệu Transistor cổng logic • Bảng chân trị ký hiệu cổng logic • Đối với cổng nhiều ngõ vào, ngõ X=1 khi: • AND : ngõ vào • OR: ngõ vào • NAND : ngõ vào • NOR : ngõ vào Transistor cổng logic • Bảng chân trị cổng OR AND ngõ vào Transistor cổng logic • Một số vi mạch họ 7400 Đại số Boole • Giới thiệu – Đại số Boole (Boolean algebra) nhà toán học George Boole phát triển từ năm 1854 làm sở cho phép toán logic – Năm 1938 Claude Shannon chứng minh dùng đại số Boole để thiết kế mạch số máy tính – Đại số Boole dựa biến logic phép tốn logic • Biến logic nhận giá trị (TRUE) (FALSE) • Phép toán logic AND, OR NOT • Hàm logic gồm tập phép toán biến logic Đại số Boole • Các phép tốn logic – Phép toán logic AND, OR NOT với ký hiệu sau: • A AND B : A•B • A OR B : A + B • NOT A : A – Các phép tốn khác: NAND, NOR, XOR: • „ A NAND B : A•B • „ A NOR B : A + B • „ A XOR B: A ⊕ B = A • B + A • B – Thứ tự ưu tiên: NOT, AND NAND, OR NOR 10 Mạch • Mạch chốt (Latch) – Dùng cổng NOR mắc hồi tiếp với S, R ngõ vào, Q Q ngõ – Đây mạch chốt SR Nó trạng thái Q=1 Q=0 S=R=0 – Khi S=1  Q=1 trạng thái truớc (set) – Khi R=1  Q=0 trạng thái truớc (reset) 33 Mạch • Mạch chốt SR có xung Clock – Thêm vào mạch chốt SR cổng AND nối với xung đồng hồ để điều khiển trạng thái mạch chốt thời điểm xác định – Tín hiệu vào có tác dụng xung clock=1 (mức cao) 34 Mạch • Mạch chốt D có xung Clock – Mạch chốt SR trạng thái không xác định S=R=1 – Khắc phục cách dùng tín hiệu vào đấu nối R với S qua cổng NOT – Đây mạch nhớ bit với D ngõ vào, Q ngõ 35 Mạch nhớ • Flip-Flop – Trong thực tế ta muốn nhớ ghi khoảng thời gian định  cần thiết kế mạch xung Clock tác dụng theo cạnh (lên xuống) 36 Mạch nhớ • D Flip-Flop – Là mạch chốt D có xung Clock điều khiển Flip-flop – Phân biệt: • Flip-flop: edge triggered • Latch: level triggered 37 Mạch nhớ • Ký hiệu mạch chốt Flip-Flop a) Mạch chốt D tác động theo mức (clock=1) b) Mạch chốt D tác động theo mức (clock=0) c) Flip-flop D tác động theo cạnh lên (clock= 01) d) Flip-flop D tác động theo cạnh xuống (clock= 10) 38 Mạch nhớ • Thanh ghi (Register) – Việc ghép nối nhiều ô nhớ bit tạo thành nhớ lớn – Ví dụ : Vi mạch 74273 gồm D flip-flop ghép nối lại tạo thành ghi bit 39 Mạch nhớ • Ví dụ : mạch nhớ x bit – – – – – – A: Address I: Input data O: Output data CS: Chip select RD: Read/write OE: Output enable Write: CS=1, RD=0, OE=0 Read: CS=1, RD=1, OE=1 40 Mạch nhớ • Mạch đệm (Buffer) – Dùng để đọc liệu đồng nhiều đường tín hiệu đường điều khiển riêng – Sử dụng cổng trạng thái (tri-state devices) (a) Buffer không đảo (b) Khi control mức cao (=1) (c) Khi control mức thấp (=0) (d) Buffer đảo 41 Mạch nhớ • Chip nhớ – Bộ nhớ thường gồm nhiều ô nhớ ghép lại – Ví dụ 1: Chip nhớ 4Mbit tạo thành từ 512K ô bit ma trận 2048x2048 ô bit Ghi chú: RAS:Row Address Strobe CAS:Column Address Strobe CS:Chip select WE:Write enable OE:Output enable D:Data A:Address 42 Mạch nhớ • Chip nhớ (tiếp) – Mạch giải mã địa n bit giải mã cho 2n nhớ  cần n chân tín hiệu địa – Có thể giảm kích thước giải mã n cách tổ chức thành ma trận ô nhớ  sử dụng giải mã cho hàng cột riêng – Ví dụ: nhớ 16 cần bit địa tổ chức thành ma trận 4*4  cần giải mã bit cho hàng bit cho cột – Có thể ghép địa hàng cột chung chân tín hiệu  giảm số chân kết nối bus địa – Nhược điểm: cần gấp đôi thời gian truy cập nhớ 43 Mạch nhớ A3 A2 A1 A0 Word select 4-to-16 Decoder 23 RAM cell RAM cell 20 10 11 12 13 14 15 A3 Row decoder 2-to-4 Decoder 21 A2 20 Read/Write Chip select RAM cell RAM cell Row RAM cell select RAM cell RAM cell RAM cell RAM cell RAM cell RAM cell 10 RAM cell 11 RAM cell 12 RAM cell 13 RAM cell 14 RAM cell 15 Read/Write logic Read/Write logic Read/Write logic Read/Write logic Data in Data out Read/ Bit Write select Data in Data out Read/ Bit Write select Data in Data out Read/ Bit Write select Data in Data out Read/ Bit Write select Data input Read/Write Read/Write logic Data in Data out Read/ Bit Write select RAM cell 1 RAM cell Data input RAM cell X X X X Column select Data output Column 2-to-4 Decoder decoder with enable 21 20 A1 A0 Data output Enable Chip select 44 Mạch nhớ • Chip nhớ (tiếp) – Ví dụ 2: Chip nhớ 512Mbit = bank 128Mbit • Ma trận 13 bit hàng * 12 bit cột * nhớ bit • Ma trận 13 bit hàng * 10 bit cột * ô nhớ 16 bit 45 Mạch nhớ • Tổ chức nhớ – Bộ nhớ thường gồm nhiều chip nhớ dung lượng nhỏ ghép lại – Dùng mạch giải mã địa để chọn chip truy cập – Ví dụ: Bộ nhớ 1KB gồm chip 256B ghép lại 46 Câu hỏi 47 ... Nhược điểm: cần gấp đôi thời gian truy cập nhớ 43 Mạch nhớ A3 A2 A1 A0 Word select 4-to-16 Decoder 23 RAM cell RAM cell 20 10 11 12 13 14 15 A3 Row decoder 2-to-4 Decoder 21 A2 20 Read/Write... Boole phát triển từ năm 1854 làm sở cho phép toán logic – Năm 1 938 Claude Shannon chứng minh dùng đại số Boole để thiết kế mạch số máy tính – Đại số Boole dựa biến logic phép toán logic • Biến logic... thiết kế mạch máy tính 20 Mạch tổ hợp • Bộ dồn kênh (Multiplexer) – – – – 2n đầu vào liệu D n đầu vào lựa chọn S đầu F (S) xác định đầu vào (D) nối với đầu (F) S2 S1 F 0 D0 D1 D2 1 D3 21 Mạch tổ