Giáo trình Hệ thống số Nhập môn mạch điện Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Giáo trình Hệ thống số Nhập môn mạch điện Chương 1: Các khái niệm cơ bản đem đến cho bạn những kiến thức nền tang cơ bản về các hệ thống số (nhị phân, thập phân, bát phân,...), các khái niệm cơ bản về mạch số, hệ thống thông tin digital, analog; truyền dữ liệu,...

Chương CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Đề Cương  Các dạng biểu diễn trị số  Hệ thống kỹ thuật số hệ thống kỹ thuật tương tự  Các hệ thống số kỹ thuật số  Biểu diễn đại lượng nhị phân kỹ thuật  Mạch số  Truyền song song truyền nối tiếp  Thuộc tính nhớ, mạch tổ hợp mạch  Máy tính kỹ thuật số  Mục Đích Sau hoàn thành chương này, bạn phải nắm kiến thức:  Cách phân biệt dạng biểu thị tương tự dạng biểu thị số  Cách so sánh ưu khuyết kỹ thuật số kỹ thuật tương tự  Tầm quan trọng chuyển đổi tương tự – số (ADC) chuyển đổi số – tương tự (DAC)  Khái niệm số hệ thống số  Giản đồ thời gian tín hiệu số  Cách phân biệt cách truyền song song truyền nối tiếp  Cách phân biệt mạch tổ hợp mạch tuần tự, thuộc tính nhớ mạch  Các thành phần máy tính  Các                Thuaät Ngữ Tiếng Anh: Analog representation: Digital representation: Analog-to-digital converter (ADC): số Digital-to-analog converter (DAC): tự Decimal number system: Binary number system: Octal number system: Hexadecimal number system: Bit (binary digit): Timing diagram: Parallel: Serial: Microprocessor/ Microcontroller: Most Significant Bit (MSB): Least Significant Bit (LSB): biểu diễn dạng tương tự biểu diễn dạng số biến đổi từ tương tự sang biến đổi từ số sang tương hệ thống số thập phân hệ thống số nhị phân hệ thống số bát phân hệ thống số thập lục phân chữ số hệ nhị phân giản đồ thời gian song song nối tiếp vi xử lý/ vi điều khiển bit có trọng số lớn bit có trọng số nhỏ 1.1- Các Dạng Biểu Diễn Trị Số Khi nghiên cứu đối tượng bất kỳ, có nhu cầu đo lường, tính toán số lïng, thể tích, khối lượng, cường độ, mật độ …của đối tượng Trong khoa học kỹ thuật, thuộc tính được gọi chung đại lượng Trong thực tế, có hai cách biểu diễn đại lượng: biểu diễn dạng tương tự biểu diễn dạng số 1.1.1- Biểu diễn dạng tương tự  Trong cách biểu diễn dạng tương tự, đại lượng biểu diễn thành điện hay cường độ dòng điện, hay số đo tương quan với giá trị đại lượng  Ví dụ: đồng hồ đo tốc độ xe hơi, đồng hồ đo VOM dùng kim, nhiệt kế, micro, biến trở …  Đặc điểm cách biểu diễn dạng tương tự dạng biểu diễn thay đổi theo khoảng giá trị liên tục  Trong toán học, biểu diễn dạng tương tự hàm số liên tục  Trong kỹ thuật điện tử, biểu diễn dạng tương tự công nghệ đèn điện tử, vi mạch tương tự … 1.1.2- Biểu diễn dạng số  Trong cách biểu diễn dạng số, đại lượng biểu diễn thành dãy ký số Ví dụ: đồng hồ đo VOM dùng số, nhiệt kế dùng số, số hạt cát bình chứa …  Đặc điểm cách biểu diễn dạng số dạng biểu diễn thay đổi theo bước, gián đoạn, không liên tục  Trong toán học, biểu diễn dạng số hàm số gián đoạn Và toán học dùng dạng biểu diễn gọi toán rời rạc  Trong kỹ thuật điện tử, biểu diễn dạng số công nghệ vi mạch số … 1.2- Hệ Thống Kỹ Thuật Số Và Hệ Thống Kỹ Thuật Tương Tự 1.2.1- Hệ thống kỹ thuật số  Là hệ thống gồm nhiều thiết bị kỹ thuật để lưu trữ, xử lý đại lượng biểu diễn dạng số  Các thiết bị kỹ thuật dạng số thường thiết bị điện tử, khí, từ  Ví dụ: Máy tính, máy ảnh số, máy quay phim số, truyền hình số, dóa nhạc Compact … 1.2.2- Hệ thống kỹ thuật tương tự  Là hệ thống gồm nhiều thiết bị kỹ thuật để lưu trữ, xử lý đại lượng biểu diễn dạng tương tự  Các thiết bị kỹ thuật dạng tương tự thường thiết bị điện tử, khí, từ …đa số thiết bị điện tử  Ví dụ: máy ảnh dùng phim, máy quay phim dùng băng từ, truyền hình thông thường, dóa than, loa, radio … 1.2.3Ưu điểm hệ thống kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự Càng ngày, nhiều lãnh vực dùng kỹ thuật tương tự chuyển sang dùng kỹ thuật số công nghệ ghi âm, công nghệ máy ảnh, máy quay phim, công nghệ truyền hình… ưu điểm sau:  Dễ thiết kế  Thông tin lưu trữ dễ dàng  Độ xác độ tin cậy cao  Dễ tự động hoá  nh hưởng nhiễu thấp  Khả tích hợp ngày cao, kích thước ngày nhỏ gọn 1.2.4Nhược điểm hệ thống kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự Tuy nhiên, giới thực giới tương tự nên để áp dụng hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi đại lượng ngõ nhập thành dạng số, sau xử lý xong lại chuyển thành dạng tương tự sơ đồ khối hình 1: Nhiệt độ (tương tự) (Số) (Tương tự) Dụng cụ đo ADC Xử lý tín hiệu số (Số) Điều chỉnh nhiệt độ (Tương tự) DAC Hình Bộ điều khiển Sơ đồ khối hệ thống dùng ADC DAC  Như vậy, vấn đề chuyển đổi tương tự – số (ADC) chuyển đổi số – tương tự (DAC), hai chuyển đổi phải đạt yêu cầu việc chuyển đổi trung thực tốt  Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể hệ thống, sử dụng hai loại kỹ thuật này, thành phần dùng kỹ thuật tương tự, thành phần dùng kỹ thuật số 1.3- Các Hệ Thống Số Trong Kỹ Thuật Số Có nhiều hệ thống số dùng kỹ thuật số, có hệ thống số thập phân, hệ thống số nhị phân, hệ thống số bát phân hệ thống số thập lục phân 1.3.1- Cách biễu diễn hệ thống số đếm  Những hệ thống số đếm nói dựa vị trí chữ số, giá trị chữ số phụ thuộc vào vị trí nó, theo nguyên tắc bảng sau: e4 e3 e2 e1 e0 Dấu  e-1 e-2 e-3 e-4 e-5 a2 a1 a0 MSD a4 a3 LSD a2 a1 a0  a-1 a-2 a-3 a-4 MSD LSD Baûng Quy tắc biểu diễn hệ thống đếm số e  có hai số a2a1a0 a4a3a2a1a0.a-1a-2a-3a-4a-5 hệ thống đếm số e, với e  N, {0,1,2,…,e-1}  Số x1 viết a2a1a0 có nghóa x1 = a2.e2 + a1.e1 + a0.e0  Số x2 viết a4a3a2a1a0.a-1a-2a-3a-4a-5 có nghóa x2 = a4.e4 + a3.e3 + a2.e2 + a1.e1 + a0.e0 + a-1.e-1 + a-2.e-2 + a-3.e-3 + a-4 + a-5.e-5 4.e  Một hệ thống đếm số e có N chữ số có eN số số đến số eN-1  Chữ số nằm tận bên phải chữ số vị trí nhỏ nhất, gọi tắt theo tiếng Anh LSD, chữ số nằm tận bên tay trái chữ số vị trí lớn nhất, gọi tắt theo tiếng Anh MSD Số x1 có a2 MSD a0 LSD Số x2 có a4 MSD a-5 LSD  Trọng số: giá trị eN-1 vị trí N phần nguyên, e-N vị trí –N phần định trị 1.3.2- Hệ thống số thập phân (hệ thống đếm số 10)  Hệ thống số thập phân có 10 chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,  Hệ thống số thập phân hệ thống số đếm theo vị trí với số e=10  Để phân biệt với hệ thống số khác, ta thêm chữ D nằm sau LSD để hiểu hệ thống số thập phân  Cho số 276D 9563.18D, ta có kết cụ thể theo baûng sau: … a-5 103 102 101 100 Dấu  10-1 10-2 10-3 10-4 … 6D MSD LSD  MSD Trọng số 1000 8D LSD 100 Baûng 10 0.1 0.01 0.001 0.0001 … Quy tắc biểu diễn hệ thống thập phân Vậy 276D = 2x102 + 7x101 + 6x100 chữ số MSD chữ số laø LSD Vaø 9563.18D = 9x103 + 5x102 + 6x101 + 3x100 + 1x10-1 + 8x102 chữ số MSD chữ số LSD  Trọng số … 1000, 100, 10, cho phần nguyên, 0.1, 0.01, 0.001 … cho phần định trị  Đặc điểm hệ thống số thập phân với N chữ số ta đếm 10N số khác nhau, từ đến 10N-1 Ví dụ: với chữ số đếm trăm số từ 0D đến 99D (102-1), với ba chữ số đếm ngàn số từ 0D đến 999D (103-1) 1.3.3- Hệ thống số nhị phân (hệ thống đếm số 2)  Hệ thống số nhị phân có chữ số 0, chữ số nhị phân gọi tắt theo tiếng Anh bit  Hệ thống số nhị phân hệ thống số đếm theo vị trí với số e=2  Riêng hệ thống số nhị phân, chữ số nhị phân gọi bit, nên bit nằm tận bên phải chữ số vị trí nhỏ nhất, gọi tắt theo tiếng Anh LSB, bit nằm tận bên tay trái bit vị trí lớn nhất, gọi tắt theo tiếng Anh MSB  Để phân biệt với hệ thống số khác, ta thêm chữ B nằm sau LSB để hiểu hệ thống số nhị phân  Cho số 101B 1011.11B ta có kết cụ thể theo baûng sau: … 23 22 21 20 Dấu  2-1 2-2 2-3 2-4 … 1B MSB LSB 1  MSB Trọng số 1B LSB Baûng 0.5 0.25 0.125 0.0625 … Quy tắc biểu diễn hệ thống nhị phân Vậy 101B = 1x22 + 0x21 + 1x20 = + = 5D Vaø 1011.11B = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 + 1x2-1 + 1x2-2 = + + + 0.5 + 0.25 = 11.75D  Trọng số … 8, 4, 2, … cho phần nguyên, 0.5, 0.25, 0.125 … cho phần định trị  Đặc điểm hệ thống số nhị phân với N bit ta đếm 2N số khác nhau, từ đến 2N-1 Ví dụ: với bit đếm từ số từ 00B đến 11B (221), với ba bit đếm số từ 000B đến 111B (23-1) 1.3.4- Hệ thống số bát phân (hệ thống đếm số 8)  Hệ thống số bát phân có chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,  Hệ thống số bát phân hệ thống số đếm theo vị trí với số e=8  Để phân biệt với hệ thống số khác, ta thêm chữ O nằm sau LSD để hiểu hệ thống số thập phân  Trọng số … 512, 64, 8, … cho phần nguyên, 0.125, 0.15625 … cho phần định trị  Đặc điểm hệ thống số bát phân với N chữ số ta đếm 8N chữ số khác nhau, từ đến 8N-1 Ví dụ: với chữ số đếm 64 số từ 0O đến 77O (82-1), với ba chữ số đếm 512 số từ 0O đến 777O (83-1)  Cho số 276O 1563.18O, ta có kết cụ thể theo bảng sau: Vậy 276O = 2x82 + 7x81 + 6x80 = 128 + 56 + = 190D Vaø 1563.18O = 1x83 + 5x82 + 6x81 + 3x80 + 1x8-1 + 8x8-2 = 512 + 320 + 48 + + 0.125 + 0.125 = 883.25D … 83 82 81 80 6 Dấu 8-1 8-2  MSD Trọng số 512 8-3 8-4 … 0.001953125 0.000244140625 … LSD 64 0.125 Bảng 1.3.5- 0.015625 Quy tắc biểu diễn hệ thống bát phân Hệ thống số thập lục phân (hệ thống đếm số 16)  Hệ thống số thập lục phân có 16 chữ số laø 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, A, B, C, D, E, F Với A = 10, B = 11, C =12, D= 13, E =14, F =15 hệ thống số thập phân  Hệ thống số thập lục phân hệ thống số đếm theo vị trí với số e=16  Để phân biệt với hệ thống số khác, ta thêm chữ H nằm sau LSD để hiểu hệ thống số thập lục phân  Cho số 276H 1A6F.08H, ta có kết cụ thể theo bảng sau: … 163 162 161 160 6H MSD A Dấu  16-1 16-2  8H LSD F MSD Trọng số 4096 … LSD 256 Baûng 16 0.0625 0.00390625 … Quy tắc biểu diễn hệ thống thập lục phân Vậy 276H = 2x162 + 7x161 + 6x160 = 512 + 112 + = 630D Vaø 1A6F.08H = 1x163 + 10x162 + 6x161 + 15x160 + 0x16-1 + 8x16-2 = 4096 + 2560 + 96 + 15 + 0.03125 = 6767.03125D  Trọng số … 4096, 256, 16, … cho phần nguyên, 0.0625, 0.00390625 … cho phần định trị  Đặc điểm hệ thống số thập lục phân với N chữ số ta đếm 16N chữ số khác nhau, từ đến 16N-1 Ví dụ: với chữ số đếm 256 số từ 0H đến FFH (162-1), với ba chữ số đếm 4096 số từ 0H đến FFFH (163-1) 1.3.6- Mối quan hệ hệ thống số Mối quan hệ hệ thống số minh họa qua bảng sau: Số thập phân Số nhị phân Số bát phân Số thập lục phân 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 10 1001 11 10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F Bảng Quan hệ hệ thống số 1.4- Biểu Diễn Các Đại Lượng Nhị Phân Trong Kỹ Thuật Trong kỹ thuật thời, hầu hết thiết bị hoạt động hai trạng thái diod (dẫn diện/không dẫn), relay (ngắt/đóng), dóa từ (từ hoá/khử từ)…Như vậy, thông tin mặt vật lý biểu diễn dạng nhị phân phù hợp với chất thiết bị  Trong thiết bị điện tử số, thông tin nhị phân biểu diễn mức điện Tùy theo công nghệ chế tạo IC, công nghệ lưỡng cực, họ TTL số mức điện từ  0.8 Volt gọi mức 0, số mức điện từ  Volt gọi mức 1, công nghệ đơn cực, họ CMOS số hay mức mức điện từ Volt, số hay mức mức điện từ  15 Volt tùy theo điện áp cấp nguồn  Ở đây, ta nhắc lại khác biệt hệ thống biểu diễn số tương tự chổ Nếu thiết bị số mức điện Volt hay Volt mức 1, trong thiết bị tương tự khác biệt lớn Như vậy, gặp nhiễu thiết bị số bị ảnh hưởng thiết bị tương tự Để thiết kế mạch tương tự với độ xác cao điều khó khăn so với thiết kế mạch với khoảng điện cho mức lớn 5V Mức nhị phân 2V Không sử dụng 0.8 V Mức nhị phân 0 Volt Hình Mức điện họ TTL  Giản đồ thời gian tín hiệu số sơ đồ biểu diễn thay đổi trạng thái tín hiệu theo thời gian hình sau: Hình Giản đồ thời gian tín hiệu số  Về mặt lý thuyết, chuyển đổi trạng thái từ  hay từ  tức thời, nên giản đồ thời gian ta nhận thấy đường vuông góc Về mặt kỹ thuật chuyển đổi trạng thái từ  hay từ  có khoảng thời gian trễ, nên giản đồ thời gian đường không vuông góc Nhưng nói chung thời gian trễ bé so với thời gian mức hay mức nên ta vẽ giống lý thuyết, trừ trường hợp cần xét cụ thể  Để quan sát giản đồ thời gian tín hiệu số, ta dùng dao động ký 1.5- Mạch Số Trường hợp Vin = 3.5 V vaø 0.3 V 3.5 V Vout V Vin 3.5 V 0.3 V Vin Mạch số 3.5 V Vout Vout V 4.5 V Vin Trường hợp Vin = 4.5 V 0.5 V Hình 0.5 V Mạch số đáp ứng theo mức hay  Mạch số mạch thiết kế để ngỏ xuất có mức điện mức hay mức nói phần 1.4, ngõ nhập thiết kế cho mức điện mức hay mức tương ứng  Mạch Logic là mạch số tuân theo quy tắc đại số Bool  Vi mạch số tích hợp nhiều mạch logic bên chip Tùy theo công nghệ chế tạo, ta có họ IC TTL, CMOS… 1.6- Truyền Song Song Và Truyền Nối Tiếp Có hai phương pháp để truyền thông tin từ nơi sang nơi khác, phương pháp truyền song song truyền nối tiếp 1.6.1- Truyền song song Truyền bit đường truyền, tất bit truyền đồng thời (MSB) D4 D3 Mạch phát D2 Mạch thu D1 D0 (LSB) Hình Truyền song song bit 1.6.2- Truyền nối tiếp Mạch thu Mạch phát (LSB) (MSB) D0 D1 t0 Hình D2 D3 D4 t1 t2 t3 t4 Truyền nối tiếp bit  Truyền nối tiếp sử dụng đường truyền, truyền xong bit đến bit khác 1.6.3- So sánh hai cách truyền song song nối tiếp  Truyền song song tốc độ cao, tốn dây dẫn Nên thiết bị gần sử dụng cách truyền song song  Truyền nối tiếp tốc độ thấp chi phí thấp, thường dùng kết nối có khoảng cách xa  Tuy nhiên, số chuẩn truyền nối tiếp có tốc độ cao không thua truyền song song USB 2.0, IEEE1394, SerialATA…, dùng khoảng cách gần 1.7- Thuộc Tính Nhớ, Mạch Tổ Hợp Mạch Tuần Tự Trong hệ thống kỹ thuật số, phân loại mạch số làm hai loại: mạch có nhớ (mạch tuần tự) mạch không nhớ (mạch tổ hợp) 1.7.1- Mạch không nhớ (mạch tổ hợp) Mạch không nhớ mạch mà ngõ xuất phụ thuộc vào trạng thái ngõ vào thời điểm Mạchkhông nhớ Hình 1.7.2- Mạch không nhớ Mạch có nhớ (mạch tuần tự) Mạch có nhớ là mạch có ngõ xuất không phụ thuộc vào trạng thái ngõ vào, mà phụ thuộc trạng thái bên trước mạch Mạch có nhớ Hình 1.8- Mạch có nhớ Máy Tính Kỹ Thuật Số 1.8.1- Máy tính kỹ thuật số:  Máy tính kỹ thuật số gọi tắt máy tính hoạt động theo mô hình Von Neuman gồm ba phần chính:  Bộ xử lý trung tâm (gọi tắt CPU hay MPU), hay gọi vi xử lý, bao gồm xử lý phép toán số học luận lý, (gọi tắt ALU) điều khiển  Bộ nhớ để lưu trữ chương trình liệu  Các thiết bị nhập/xuất 1.8.2- Bộ vi điều khiển  Bộ vi điều khiển tích hợp ba phận xử lý trung tâm, nhớ thiết bị nhập/xuất  Bộ vi điều khiển xử dụng rộng rãi việc điều khiển thiết bị chuyên dụng  Tóm            Tắt Chương Tín hiệu tương tự: biên độ tín hiệu thay đổi liên tục theo thời gian Tín hiệu số: biên độ tín hiệu gián đoạn theo thời gian Các hệ thống số đếm, cách biểu diễn hệ thống số đếm số e Một số xn = an-1…a3a2a1a0.a-1a-2a-3…a-m-1a-m = an-1.en-1 +…+ a3.e3 + a2.e2 + a1.e1 + a0.e0 + a-1.e-1 + a-2.e-2 + a-3.e-3 + …+ a-m-1.e-m-1 + a-m.e-m Hệ thống số thập phân: có 10 chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Hệ thống số nhị phân: có chữ số 0, thường gọi bit 0, Hệ thống số bát phân: có chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, Hệ thống số thập lục phân: có 16 chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Trọng số: giá trị eN-1 vị trí N phần nguyên, e-N vị trí –N phần định trị Truyền song song N bit: truyền đồng thời N bit N đường truyền Truyền tuần tự: truyền bit đến bit khác đường truyền Mạch số: chia làm hai loại mạch tổ hợp mạch