Tài liệu môn học về Kỹ thuật số

GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 1 Kỹ Thuật Số Giảng viên Lê Chí Thông Bộ môn Điện tử; Khoa Điện-Điện tử Đại học Bách Khoa TP.HCM ĐT: 0902-445-012 Email: chithong@gmail.com; chithong@hcmut.edu.vn Tác giả soạn slides: Nguyễn Trọng Luật GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 2 Nội Dung Tóm Tắt • Môn học này 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. • Sau khi đạt môn này SV có khả năng hiểu, thiết kế và xây dựng các hệ thống số tổ hợp và tuần tự. Sách và 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 bản Đại học Quốc gia TP.HCM. • Hồ Trung Mỹ – Kỹ Thuật Số 2, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM • Lê Chí Thông – Kỹ Thuật Số cơ khí – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM • Bài giảng và bài tập. GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 3 Điểm và Cách Đánh Giá • Kiểm tra giữa 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: Ngôn Ngữ Mô Tả Phần Cứng (VHDL) GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 4 7 Chöông 1: HEÄ THOÁNG SOÁ ÑEÁM – SOÁ NHÒ PHAÂN I. Caùc heä thoáng soá ñeám: 1. Caùc khaùi nieäm: - Cô soá (r - radix): - Troïng soá (weight): - Giaù trò (value): laø soá löôïng kyù töï chöõ soá (kyù soá - digit) söû duïng ñeå bieåu dieãn trong heä thoáng soá ñeám ñaïi löôïng bieåu dieãn cho vò trí cuûa 1 con soá trong chuoãi soá. Troïng soá = Cô soá Vò trí tính baèng toång theo troïng soá Giaù trò = Σ (Kyù soá x Troïng soá) 8 400 + 0 + 7 + 0.6 + 0.02 + 0.005 = 407.625 4 0 7 . 6 2 5 102 101 100 . 10-1 10-2 10-3 4x102 0x101 7x100 . 6x10-1 2x10-2 5x10-3 400 0 7 . 0.6 0.02 0.005 a. Soá thaäp phaân (Decimal): Cô soá r = 10 b. Soá nhò phaân (Binary): Cô soá r = 2 1 0 1 . 0 1 1 4 + 0 + 1 + 0 + 0.25 + 0.125 = 5.375 22 21 20 . 2-1 2-2 2-3 1x22 0x21 1x20 . 0x2-1 1x2-2 1x2-3 4 0 1 . 0 0.25 0.125 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 5 9 c. Soá thaäp luïc phaân (Hexadecimal): Cô soá r = 16 Hexadecimal Decimal Binary Hexadecimal Decimal Binary 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 8 9 A B C D E F 8 9 10 11 12 13 14 15 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 5 A 0 . 4 D 1 1280 + 160 + 0 + 0.25 + 0.0508 + 0.0002 = 1440.301 162 161 160 . 16-1 16-2 16-3 5x162 10x161 0x160 . 4x16-1 13x16-2 1x16-3 1280 160 0 . 0.25 0.0508 0.0002 10 2. Chuyeån ñoåi cô soá: a. Töø thaäp phaân sang nhò phaân 8 . 625 8 : 2 = 4 dö 0 (LSB) 4 : 2 = 2 dö 0 2 : 2 = 1 dö 0 1 : 2 = 0 dö 1 0.625 x 2 = 1.25 phaàn nguyeân 1 (MSB) 0.25 x 2 = 0.5 phaàn nguyeân 0 0.5 x 2 = 1.0 phaàn nguyeân 1 1 0 0 0 . 1 0 1 B GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 6 11 b. Töø thaäp phaân sang thaäp luïc phaân: 1 4 8 0 . 4 2 9 6 8 7 5 1480 : 16 = 92 dö 8 (LSD) 92 : 16 = 5 dö 12 5 : 16 = 0 dö 5 0.4296875 x 16 = 6.875 phaàn nguyeân 6 (MSD) 0.875 x 16 = 14.0 phaàn nguyeân 14 5 C 8 . 6 E H 12 d. Töø thaäp luïc phaân sang nhò phaân: c. Töø nhò phaân sang thaäp luïc phaân: 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 . 0 1 1 0 1 0 1 B0 0 0 . 6 A H 2 C 9 . E 8 H 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 . 1 1 1 0 1 0 0 0 B 3 B 5 D GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 7 13 II. Soá nhò phaân (Binary): 1.Caùc tính chaát cuûa soá nhò phaân - Soá nhò phaân n bit coù 2n giaù trò töø 0 ñeán 2n - 1 - Soá nhò phaân coù giaù trò 2n-1: 1 1 (n bit 1) vaø giaù trò 2n: 1 0 ... 0 (n bit 0) - Soá nhò phaân coù giaù trò leû laø soá coù LSB = 1; ngöôïc laïi giaù trò chaün laø soá coù LSB = 0 - Caùc boäi soá cuûa bit: 1 B (Byte) = 8 bit 1 KB = 210 B = 1024 B 1 MB = 210 KB = 220 B 1 GB = 210 MB 14 2. Caùc pheùp toaùn soá hoïc treân soá nhò phaân: a. Pheùp coäng: 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 nhôù 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0111 111 b. Pheùp tröø: 0 - 0 = 0 0 - 1 = 1 möôïn 1 1 - 0 = 1 1 - 1 = 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1001 -1-1-1 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 8 15 c. Pheùp nhaân: 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 d. Pheùp chia: 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 16 3. Maõ nhò phaân: Töø maõ: laø caùc toå hôïp nhò phaân ñöôïc söû duïng trong loaïi maõ nhò phaân a. Maõ nhò phaân cho soá thaäp phaân (BCD – Binary Coded Decimal) Soá thaäp phaân 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BCD (2 4 2 1) 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 BCD quaù 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 Maõ 1 trong 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BCD (8 4 2 1) 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 9 17 b. Maõ Gray: laø maõ nhò phaân maø 2 giaù trò lieân tieáp nhau coù toå hôïp bit bieåu dieãn chæ khaùc nhau 1 bit Giaù trò Binary Gray 0 1 2 3 4 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 Ñoåi töø Binary sang Gray 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 Ñoåi töø Gray sang Binary 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 Gray: Gray: 18 c. Maõ LED 7 ñoaïn: a g d b c f e Giaù trò a b c d e f g 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 d. Maõ 1 trong n: laø maõ nhò phaân n bit coù moãi töø maõ chæ coù 1 bit laø 1 (hoaëc 0) vaø n-1 bit coøn laïi laø 0 (hoaëc 1) Maõ 1 trong 4: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 hoaëc GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 10 19 (Coät) b6 b5 b4 (Haøng) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 b3b2b1b 0 Hex 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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 ! ” # $ % & ’ ( ) * + , - . / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ? @ 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 d. Maõ kyù töï ASCII: 20 III. Soá nhò phaân coù daáu : 1. Bieåu dieãn soá coù daáu: a. Soá coù daáu theo bieân ñoä (Signed_Magnitude): - Bit MSB laø bit daáu: 0 laø soá döông vaø 1 laø soá aâm, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn giaù trò ñoä lôùn + 13 : 0 1 1 0 1 - 13 : 1 1 1 0 1 - Phaïm vi bieåu dieãn: - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 11 21 b. Soá buø_1 (1’s Complement): - Soá buø_1 cuûa 1 soá nhò phaân N coù chieàu daøi n bit Buø_1 (1 0 0 1) = 24 - 1 - 1 0 0 1 = 1 1 1 1 - 1 0 0 1 = 0 1 1 0 - Coù theå laáy Buø_1 cuûa 1 soá nhò phaân baèng caùch laáy ñaûo töøng bit cuûa noù (0 thaønh 1 vaø 1 thaønh 0) - Phaïm vi bieåu dieãn - (2n-1 – 1) ÷ + (2n-1 – 1) - Bieåu dieãn soá coù daáu buø_1: * Soá coù giaù trò döông: bit daáu = 0, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn ñoä lôùn * Soá coù giaù trò aâm: laáy buø_1 cuûa soá döông coù cuøng ñoä lôùn Buø_1 (N) = 2n – 1 – N 22 c. Soá buø_2 (2’s Complement): - Soá buø_2 cuûa 1 soá nhò phaân N coù chieàu daøi n bit cuõng coù n bit Buø_2 (N) = 2n – N = Buø_1 (N) + 1 Buø_2 (1 0 0 1) = 24 - 1 0 0 1 = 1 0 0 0 0 - 1 0 0 1 = 0 1 1 1 hoaëc Buø_2 (1 0 0 1) = Buø_1 (1 0 0 1) + 1 = 0 1 1 0 + 1 = 0 1 1 1 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 12 23 - Phaïm vi bieåu dieãn soá nhò phaân coù daáu n bit Giaù trò döông Giaù trò aâm 000 = 0 001 = + 1 010 = + 2 011 = + 3 100 = - 4 101 = - 3 110 = - 2 111 = - 1 - Bieåu dieãn soá coù daáu buø_2: * Soá coù giaù trò döông: bit daáu = 0, caùc bit coøn laïi bieåu dieãn ñoä lôùn * Soá coù giaù trò aâm: laáy buø_2 cuûa soá döông coù cuøng ñoä lôùn - (2n-1 ) ÷ + (2n-1 - 1) 24 - Ñeå tìm ñöôïc giaù trò cuûa soá aâm: ta laáy buø_2 cuûa noù; seõ nhaän ñöôïc soá döông coù cuøng bieân ñoä Soá aâm 1 1 0 0 0 1 coù giaù trò : Buø_2 (1 1 0 0 0 1) = 0 0 1 1 1 1 : + 15 - 15 - Môû roäng chieàu daøi bit soá coù daáu: soá döông theâm caùc bit 0 vaø soá aâm theâm caùc bit 1 vaøo tröôùc - Laáy buø_2 hai laàn moät soá thì baèng chính soá ñoù - Giaù trò -1 ñöôïc bieåu dieãn laø 1 . 11 (n bit 1) - Giaù trò -2n ñöôïc bieåu dieãn laø 1 0 0 .... 0 0 (n bit 0) - 32 = - 25 : 1 0 0 0 0 0 - 3 : 1 0 1 = 1 1 1 0 1 GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 13 25 2. Caùc pheùp toaùn coäng tröø soá coù daáu: - Thöïc hieän treân toaùn haïng coù cuøng chieàu daøi bit, vaø keát quaû cuõng coù cuøng soá bit - Keát quaû ñuùng neáu naèm trong phaïm vi bieåu dieãn soá coù daáu. (neáu keát quaû sai thì caàn môû roäng chieàu daøi bit) - Thöïc hieän gioáng nhö soá khoâng daáu. - 6 + 3 : 1 0 1 0 : 0 0 1 1 + 1 1 0 1- 3 : - 2 - 5 : 1 1 1 0 : 1 0 1 1 + 1 0 0 1- 7 : + 4 + 5 : 0 1 0 0 : 0 1 0 1 + 1 0 0 1- 7 : (Kq sai) 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 (Kq ñuùng): + 9 Tràn (overflow) xảy ra khi số nhớ Cin và Cout tại vị trí dấu là khác nhau. 26 - 7 + 5 : 1 0 0 1 : 0 1 0 1 - 0 1 0 0+ 4 : (Kq sai) 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 (Kq ñuùng): - 12 - 6 - 2 : 1 0 1 0 : 1 1 1 0 - 1 1 0 0- 4 : + 2 - 5 : 0 0 1 0 : 1 0 1 1 - 0 1 1 1+ 7 : GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 14 27 Tröø vôùi soá buø_2: 6 13 : 0 1 1 0 : 1 1 0 1 - 1 0 0 1- 7 : buø_2: 0 1 1 0 0 0 1 1 + * Tröø vôùi soá khoâng coù daáu * Tröø vôùi soá coù daáu - 6 - 3 : 1 0 1 0 : 1 1 0 1 - 1 1 0 1- 3 : buø_2: 1 0 1 0 0 0 1 1 + A – B = A + Buø_2 (B) 28 IV. Coäng tröø soá BCD: Cộng S = A + B Neáu decade Si > 9 hoaëc coù bit nhôù Ci = 1 thì hieäu ñính Si: Si = Si + 0110 (6D) Trừ D = A – B = A + Buø 2 (B) (bỏ qua bit nhớ Cn) Cn = 1: keát quaû D laø soá döông Neáu decade Di > 9 thì hieäu ñính Di: Di = Di + 1010 (10D) (bỏ qua bit nhớ khi hiệu đính)Cn = 0: keát quaûD laø soá aâm Laáy buø 2 (D) : 0 0 1 0 1 0 0 1 : 0 1 0 1 0 1 0 1 29 55+ 84 : 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 : 0 0 1 0 1 0 0 0 : 0 0 0 1 1 0 0 1 28 19+ 47 : 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 Cn là bit nhớ tạo ra từ decade cao nhất, Ci là số nhớ tạo ra từ decade thứ i GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 15 : 0 0 1 0 1 0 0 1 : 0 0 0 1 0 1 0 0 = 150 0 0 1 0 1 0 1 29 14- 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0+Bù 2 Cn =1 + 15Kết quả: Bỏ qua Cn : 0 1 0 1 0 1 1 0 : 0 0 0 1 1 0 0 0 = 38 0 0 1 1 1 1 1 0 56 18- 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0+Bù 2 Cn =1 + 38Kết quả: Bỏ qua Cn 1 0 1 0+ D0>9 0 0 1 1 1 0 0 0 Bỏ qua bit nhớ GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 16 31 : 0 0 1 0 1 0 0 1 : 0 1 0 1 0 1 0 1 34 : 1 1 0 0 1 1 0 0 21 55- 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1+ Bù 2 Bù 2 Cn =0 - 34Kết quả: 0 0 1 1 0 1 0 0 32 1 0 1 0 : 0 0 1 0 1 0 0 1 : 0 1 0 1 0 1 0 1 26 : 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 29 55- 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 + Bù 2 + Bù 2 Cn =0 D0>9 Bỏ qua bit nhớ - 26Kết quả: GV soạn: Nguyễn Trọng Luật ĐH Bách Khoa TP.HCM GV dạy: Lê Chí Thông 17 33 1 0 1 0 : 0 0 0 1 0 1 1 0 : 0 1 0 0 0 0 0 0 24 : 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 16 40- 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 + Bù 2 + Bù 2 Cn =0 D0>9 Bỏ qua bit nhớ - 24Kết quả: 34 Giaûn ñoà xung (Waveform) cuûa tín hieäu soá: Traïng thaùi logic cuûa tín hieäu soá (Digital Signal):