Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 3: Các cấu trúc luận lý số

CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.1 Transistor
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.5 Bộ nhớ (Memory)
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.7 Đƣờng truyền dữ liệu LC3
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.1 Transistor
Đa số máy tính ngày nay xử dụng các bộ vi xử lý (microprocessor)
được tạo từ các transistor họ MOS. (metal-oxide-semiconductor).
Có hai loại transistor MOS: loại P (Positive) và loại N (Negative).
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.1 Transistor
Hình 3.1 Một công tắc điện đơn giản
Khi khóa mở, không có dòng điện qua mạch nên đèn tắt, điện thế
Vout = 2,9V, tức điện thế ra ở transistor ở mức cao, ta có mức logic
“1”.
Khi khóa đóng, có dòng chạy qua mạch, đèn sáng, điện thế Vout =
0V, khi đó điện thế ra ở transistor ở mức thấp, mức logic “0”.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.1 Transistor
Có hai loại transistor như hình dưới đây.
Hình 3.2 Transistor loại N Hình 3.3 Transistor loại P 
G=1=> U12=0
G=0=> U12=1
G=1=> U12=1
G=0=> U12=0
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
Các cổng luận lý cơ bản AND, OR, và NOT
Tầm trị điện áp analog từ 0-2,9V:
- Điện thế từ 0-0,5V => mức logic 0
- Điện thế từ 2,4V – 2,9V => mức logic 1
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.1 Cổng NOT (hay Inverter)
In Out
0 1
1 0
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.2 Cổng OR và NOR
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.2 Cổng OR và NOR
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.3 Cổng AND và NAND
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.3 Cổng AND và NAND
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
Các ký hiệu theo quy ước cho các cổng logic cơ bản:
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
Khi muốn biểu diễn nhiều đầu vào, chúng ta có thể sử dụng quy
ước như hình 3.10, thay vì dùng nhiều tầng cổng AND. Các cổng
khác cũng có sự tương tự.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.4 Định luật De Morgan
Luật De Morgan cho phép chúng ta biểu diễn cổng OR bằng 
cổng AND kèm theo một số cổng NOT, hay ngược lại. Có hai luật 
De Morgan 1 và De Morgan 2 như sau:
hay viết ở dạng khác là
Với ký hiệu „+‟ đặc trưng cho phép OR, và „.‟ cho phép AND. 
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.2 Cổng luận lý (Logic gate)
3.2.4 Định luật De Morgan
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
Có hai loại cấu trúc luận lý cơ bản là mạch tổ hợp và
mạch tuần tự.
•Cấu trúc mạch tổ hợp là mạch luận lý mà các giá trị đầu
ra của nó phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị đầu vào của nó
ở cùng thời điểm.
•Mạch tuần tự có thể giữ được thông tin, và làm cơ sở cho
cấu trúc bộ nhớ của máy tính.
Có ba loại tổ hợp mà chúng ta xét trong phần này: mạch
giải mã, mạch phân kênh, và bộ cộng toàn phần.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.1 Mạch giải mã (Decoder)
n ngõ vào và 2n ngõ ra
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.2 Mạch phân kênh (Multiplexer)
2n ngõ vào, n ngõ lựa chọn và 1 ngõ ra
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.3 Mạch cộng toàn phần (Full adder)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.3 Mạch cộng toàn phần (Full adder)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.4 Một ví dụ về thiết kế mạch tổ hợp
Ví dụ 3.1: Thiết kế mạch kiểm tra sự chiếm đa số của bit 1 từ
ba bit đầu vào (majority function).
Ta có bảng sự thật ở hình 3.17a. Vì là yêu cầu kiểm tra sự chiếm
đa số của bit 1 từ ba bit đầu vào (A, B, C), nên đầu ra (M) sẽ là 1
khi số bit 1 ở đầu vào là từ 2 trở lên. Như vậy, ta có hàm logic sau
đây:
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.3 Mạch tổ hợp (Combinational circuit)
3.3.4 Một ví dụ về thiết kế mạch tổ hợp
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.1 Mạch cài R-S (R-S latch)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.1 Mạch cài R-S (R-S latch)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.1 Mạch cài R-S (R-S latch)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.2 Mạch cài D (D latch)
WE: Write Enable
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.3 Thanh ghi (Register)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.4 Phần tử nhớ cơ bản
3.4.3 Thanh ghi (Register)
Nếu số nhị phân có n bit, thì bit ngoài cùng bên trái sẽ là bit [n-1].
Thí dụ, trong mẫu Q 16 bit sau:
0011101100011110
thì bit Q[15] là 0, bit Q[14] là 0, bit Q[13] là 1, Q[15 :13] là 001.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
Bộ nhớ gồm nhiều ô nhớ (memory location), còn được gọi là từ,
mỗi ô nhớ có địa chỉ riêng.
Mỗi ô nhớ có nhiều bit, và mỗi bit là một bộ cài D.
Như vậy, bộ nhớ được đặc trưng bởi hai yếu tố: số ô nhớ và số bit
trong mỗi ô nhớ .
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
Nếu ta có n bit địa chỉ cho tổ hợp địa chỉ nhị phân của ô nhớ thì
dung lượng bộ nhớ sẽ là k = 2n ô nhớ.
Thí dụ, khi nói máy tính có dung lượng 4 GB, có nghĩa là máy tính
đó có số ô nhớ 4 x 230 và mỗi ô nhớ là một byte, tức bộ nhớ máy
tính đó có hơn 4 tỷ byte.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
Ví dụ 3.2: Thiết kế bộ nhớ 8K bằng 4 chip 2K x 8 bit.
Với 4 chip nhớ này, mỗi chip nhớ có dung lương 2K, nên số 
đường địa chỉ cần để mã hóa cho mỗi ô nhớ trong từng chip là 211
(=2K), tức từ A0-A10. Hơn nữa, tổng dung lượng là 8K, tức cần 213
đường địa chỉ, tức từ A0-A12. Như vậy, các đường địa chỉ A11-
A12 sẽ được dùng để giải mã chọn chip (CS-Chip select) như trong 
hình 3.26. 
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.5 Bộ nhớ (Memory)
Ví dụ 3.3: Thiết kế bộ nhớ 64K x16 bit bằng 16 chip 8K x 8 bit.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
Đầu ra của mạch tuần tự không chỉ phụ thuộc vào đầu vào
hiện tại mà còn phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của các
phần tử nhớ trong mạch.
Thông tin nhị phân đang có trong các phần tử nhớ của
mạch xác định trạng thái của mạch ở bất kỳ thời điểm nào
trong quá khứ.
Như vậy, mạch tuần tự tiêu biểu sẽ gồm hai thành phần là
mạch tổ hợp và các phần tử nhớ để trữ thông tin là trạng
thái của mạch.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
Mạch logic tuần tự được dùng để thực hiện một trong những cơ chế
quan trọng là máy hay bộ điều khiển trạng thái hữu hạn (finite state
machine).
Thí dụ, một bộ điều khiển đèn giao thông bật đèn đỏ, vàng, hay
xanh tùy thuộc vào đèn hiện thời đang sáng (thông tin trong quá
khứ) và thông tin nhập từ các bộ cảm ứng về xe trên đường và các
thiết bị quang đang điều khiển lưu lượng xe.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.1 Khái niệm về trạng thái
Trạng thái của một hệ thống là một bức tranh chụp nhanh mà ở đó
tất cả các thành phần thích hợp đều được biểu diễn một cách rõ
ràng.
Ví dụ: - Trạng thái của một trận bóng đá:?
.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.2 Máy trạng thái hữu hạn
Việc một hệ thống thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác
với một số lượng trạng thái xác định hữu hạn biểu diễn tiến trình
làm việc của hệ thống. Lúc này ta nói hệ thống là một máy hay bộ
điều khiển trạng thái hữu hạn (finite state machine).
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.2 Máy trạng thái hữu hạn.
Một máy trạng thái hữu hạn bao gồm năm thành phần :
1. một số hữu hạn các trạng thái
2. một số hữu hạn các đầu vào từ bên ngoài
3. một số hữu hạn các tín hiệu xuất (hay đầu ra) ra bên ngoài
4. một chỉ định rõ tất cả các chuyển trạng thái 
5. một chỉ định rõ thành phần mỗi giá trị đầu ra.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.2 Máy trạng thái hữu hạn
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.3 Một thí dụ về hiện thực một máy trạng thái hữu hạn 
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
3.6.3 Một thí dụ về hiện thực một máy trạng thái hữu hạn
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự 
(Sequential logic circuit)
3.6.3 Một thí dụ về hiện thực 
một máy trạng thái hữu hạn 
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.6 Mạch tuần tự (Sequential logic circuit)
* Phần tử nhớ
Thành phần còn lại trong bộ điều khiển đèn báo hiệu nguy hiểm
giao thông là mạch logic của hai phần tử nhớ. Hình 3.32c trình bày
cấu trúc của một phần tử nhớ gồm cặp hai mạch cài D, và được gọi
là mạch lật chủ tớ (master-slave flip-flop).
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.7 Đƣờng truyền dữ liệu LC3
Để hiểu rõ hơn việc thực thi của một chương trình, người ta
đưa ra khái niệm đường truyền dữ liệu (data path) của một bộ vi xử
lý. Đường truyền dữ liệu thực ra là các mạch logic được trình bày
theo chức năng để xử lý thông tin. Do đó nó còn được gọi là vi kiến
trúc của bộ vi xử lý. Hình 3.36 sau là đường truyền dữ liệu của máy
tính ảo LC3, cũng tương tự như hình 1.14, có nhiều cấu trúc cơ bản
tạo thành máy tính và rất quen thuộc với chúng ta như các thanh ghi
16 bit PC, IR, MAR, và MDR. Mỗi đường dây có đường gạch chéo
nhỏ kèm theo số 16 biểu diễn 16 đường dây, mỗi dây mang một bit
thông tin. N, Z, P là các thanh ghi một bit, chúng có thể được thực
hiện bằng các mạch lật chủ tớ.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
3.7 Đƣờng truyền dữ liệu LC3.
Có năm bộ phân kênh, một bộ cung cấp một giá trị 16 bit cho thanh
ghi PC (PCMUX), một bộ cung cấp địa chỉ cho thanh ghi MAR
(MARMUX), một bộ để chọn dữ liệu nhập vào đầu B của ALU
(SR2MUX), và hai bộ để chọn toán hạng nhập cho bộ cộng 16 bit
(ADDR1MUX và ADDR2MUX). Để điều khiển các thành phần
trong đường truyền dữ liệu hoạt động, ta cần các vi lệnh với các bit
quy định cụ thể. Tập hợp các vi lệnh là một vi chương trình mà
trong chương sau chúng ta sẽ hiểu rõ hơn khi học cấp kiến trúc tập
lệnh (ISA) của CPU LC3.
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ
CHƢƠNG 3
CÁC CẤU TRÚC LUẬN LÝ SỐ