Bài giảng thiết kế luận lý 1 - Chương 1: Giới thiệu

dce
 2014
 Khoa KH & KTMT
 Bộ môn Kỹ Thu ật Máy Tính
dce
 2014 Gi ới thi ệu môn học
 • Cán bộ gi ảng dạy
 • Nguy ễn Quang Huy 
 (huynguyen@cse.hcmut.edu.vn )
 • Trang web môn học
 • Sakai
 • Đánh giá: tr ắc nghi ệm/tự luận
 • Gi ữa kỳ: 30%
 • Cu ối kỳ: 70%
 26/02/2014 ©2014, CE Department 2
dce
 2014 Tài li ệu tham khảo
 •“Digital Systems, Principles and Applications ”, 
 11th Edition, Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, 
 Gregory L. Moss
 26/02/2014 ©2014, CE Department 3
dce
 2014 Nội dung môn học
 • Các h ệ th ống s ố đế m và mã
 • Đạ i s ố Boole và các c ổng lu ận lý
 • Thi ết k ế và phân tích mạch t ổ h ợp
 • Thi ết k ế và phân tích mạch tu ần t ự
 26/02/2014 ©2014, CE Department 4
dce
 2014 Gi ới thi ệu
 •Hệ số (Digital system): đố i tượ ng kh ảo sát chính của môn học
 •Hệ số đang dần dần thay th ế các hệ tươ ng tự (Analog 
 system) 
 •Hệ số xu ất hi ện trong nhi ều lĩnh vực của công ngh ệ hi ện đạ i
 
 Tín hi ệu giao thông 
 Thi ết b ị điện t ử âm thanh, video
 
 Dòng hóa ch ất 
 Máy y t ế
 
 Nhi ệt độ 
 Mạng điện tho ại
 
 Độ ng c ơ xe h ơi 
 Hệ điều khi ển không l ưu, x ử lý tín 
 
 Ki ểm tra th ời gian hi ệu radar
 
 Máy phân ph ối, ki ểm soát 
 Dụng c ụ điện t ử: dao độ ng ký 
 (oscilloscope ) s ố, máy phân tích 
 lu ận lý ( logic analyzer )
 26/02/2014 ©2014, CE Department 5
dce
 2014 Số (Digital) và t ương t ự (Analog)
 • Trong khoa học và kỹ thu ật nh ững quá trình đị nh lượ ng trong
 tự nhiên (áp su ất, vận tốc, điện áp, dòng điện, ) đượ c bi ểu
 di ễn qua trung gian các bi ến
 • Quan hệ gi ữa các bi ến đượ c di ễn tả bởi các đị nh lu ật, công
 th ức
 • Trong hệ th ống, các bi ến đượ c hi ện th ực dướ i dạng các tín
 hi ệu (signal ) vật lý ở đầ u vào và đầ u ra
 • Theo th ực nghi ệm, các tín hi ệu vật lý dườ ng nh ư bi ến đổ i một
 cách liên tục (continously ), VD. nhi ệt độ trong ngày, dòng
 điện, v.v
 •Hệ tươ ng tự là hệ mà ở đó các tín hi ệu thay đổ i theo cách
 liên tục (tín hi ệu tươ ng tự - analog signal )
 26/02/2014 ©2014, CE Department 6
dce
 2014 Analog Digital
 26/02/2014 ©2014, CE Department 7
dce
 2014 Hệ số và hệ t ương t ự 
 • Hình v ẽ bên minh h ọa vi ệc x ấp 
 xỉ một đườ ng cong liên t ục b ất 
 kỳ b ằng một hàm bao g ồm nhi ều 
 bậc thang r ời r ạc ( discrete )
 • Tín hi ệu liên t ục c ũng có th ể 
 đượ c r ời r ạc hóa ( discretized ) 
 hay l ượ ng t ử hóa ( digitized ) 
  tín hi ệu s ố (digital signal )
 • Có th ể chuy ển đổ i gi ữa tín hi ệu 
 số và tín hi ệu t ươ ng t ự
 F Hệ số là h ệ mà ở đó các tín hi ệu thay đổ i theo cách r ời 
 rạc ( tín hi ệu s ố)
 F Các bi ến đượ c x ử lý trong h ệ s ố đề u ở d ạng r ời r ạc
  các gi ải thu ật x ấp x ỉ g ần đúng
 26/02/2014 ©2014, CE Department 8
dce
 2014 Ưu điểm của hệ số
 •Dễ thi ết k ế (Design) – Mạch chuy ển mạch 
 (Switching circuits)
 • Thông tin được l ưu dễ dàng (Information 
 storage)
 • Độ chính xác cao (Accuracy and presicion)
 • Các hoạt động có thể được l ập trình 
 (Programmed)
 • Ít bị ảnh hưởng nhi ễu (Noise)
 • Có nhi ều mạch s ố được chế t ạo thành chip 
 chuyên dụng(IC).
 26/02/2014 ©2014, CE Department 9
dce
 2014 Hạn chế của hệ số
 • Thế gi ới thực phần l ớn là tương tự
 • VD: Nhi ệt độ, áp suất, v ận t ốc, t ốc độ dòng 
 chảy,
 • Các bước x ử lý v ấn đề
 – Chuy ển đổ i t ừ tín hi ệu nh ập vào t ương t ự 
 (Analog Input) sang tín hi ệu s ố (Digital)
 –Xử lý trên d ữ li ệu s ố
 – Chuy ển đổ i tín hi ệu s ố ra tín hi ệu t ương t ự 
 (Analog output)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 10
dce
 2014 Hệ thống điều khi ển nhi ệt độ
 Nhi ệt độ Thi ết b ị đo Analog Digital
 ADC
 (Analog) nhi ệt độ Xử lý
 Digital
 Analog Điều ch ỉnh 
 DAC Bộ điều khi ển
 nhi ệt độ
 • ADC : Analog to Digital Converter
 • DAC : Digital to Analog Converter
 26/02/2014 ©2014, CE Department 11
dce
2014
 Biểu diễn số đếm, mã 
 và biến đổi mã
dce
 2014 Hệ thống số đếm
 •Hệ th ống số đế m (hệ đế m) quen thu ộc nh ất với con 
 ng ười là hệ th ập phân (decimal number system)
 •Hệ th ập phân sử dụng 10 ký số (digit ) từ 0 đế n 9 và bi ểu
 di ễn giá tr ị số dưới dạng vi ết tắt của đa th ức cơ số
 (base ) 10
 3 7 5 6 = 3 x 10 3 + 7 x 10 2 + 5 x 10 1 + 6 x 10 0
 • Giá tr ị số được bi ểu di ễn không ch ỉ ph ụ thu ộc vào các
 ký số mà còn ph ụ thu ộc vào vị trí xu ất hi ện của các ký
 số
  hệ số đế m theo vị trí (positional number system)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 13
dce
 2014 Hệ thống số đếm
 •Dạng tổng quát của một hệ số cơ số b được
 bi ểu di ễn:
 an-1an-2 a2a1a0.a-1a-2a-3a-m+1 a-m
 trong đó 0 ≤ a < b
 •Tổng quát hóa cho hệ đếm cơ số (base) b
 n-1 n-2 0 -1 -m
 Nb = an-1 x b + an-2 x b +  + a0 x b + a-1 x b +  + a-m x b
 26/02/2014 ©2014, CE Department 14
dce
 2014 Example
 3 2 1 0
 • (7,239) 10 = 7 x 10 + 2 x 10 + 3 x 10 + 9 x 10 
 3 2 1 0 -1
 • (4103.2) 5 = 4 x 5 + 1 x 5 + 0 x 5 + 3 x 5 + 2 x 5
 = 4 x 125 + 1 x 25 + 0 x 5 + 3 x 1 + 2 x 5-1
 = (528.4) 10
 4 3 2 1 0
 • (11011) 2 = 1 x 2 + 1 x 2 + 0 x 2 + 1 x 2 + 1 x 2
 = (27) 10
 3 2 1 0
 • (B65F) 16 = 11 x 16 + 6 x 16 + 5 x 16 + 15 x 16
 26/02/2014 ©2014, CE Department 15
dce
 2014 Hệ nhị phân
 • Chỉ có 2 kí số: 0 và 1
 •Mỗi ký số trong hệ nhị phân (binary number 
 system) gọi là bit (bi nary digi t) vận chuy ển
 một thông tin tối thi ểu, 
 Vd. sáng/tối, tắt/mở, 
 • Msb (most significant bit ) là bit có tr ọng số
 lớn nhất
 • Lsb (least significant bit ) là bit có tr ọng số
 nhỏ nhất
 26/02/2014 ©2014, CE Department 16
dce
 2014 Hệ nhị phân
 − − −
 24 23 22 21 20 2 1 2 2 2 3
 1 1 0 1 1 . 1 0 1
 MSB LSB
 = 0 + 1 + 2 + 3 + 4
 (11011 .101 )2 1 * 2 1* 2 0*2 1* 2 1*2
 −
 +1* 2−1 + 0*2−2 +1*2 3
 26/02/2014 ©2014, CE Department 17
dce
 2014 Bi ểu di ễn đại l ượng nhị phân
 • Bóng đèn (sáng và tắt)
 • Diode (dẫn và không dẫn)
 • Transistor (tắt và bão hoà)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 18
dce
 2014 Các hệ đếm khác
 • Các h ệ đế m khác đượ c s ử d ụng 
 Các hệ đế m thông dụng
 trong nh ững h ệ th ống s ố là
 Decimal Binary Octal Hexa
 –Hệ bát phân ( Octal system ): c ơ 
 số 8 0 0 0 0 0 0 0 0
 1 0 0 0 1 0 1 1
 –Hệ th ập l ục phân ( Hexadecimal 
 2 0 0 1 0 0 2 2
 system ): c ơ s ố 16
 3 0 0 1 1 0 3 3
 4 0 1 0 0 0 4 4
 5 0 1 0 1 0 5 5
 6 0 1 1 0 0 6 6
 7 0 1 1 1 0 7 7
 8 1 0 0 0 1 0 8
 9 1 0 0 1 1 1 9
 1 0 1 0 1 0 1 2 A
 1 1 1 0 1 1 1 3 B
 1 2 1 1 0 0 1 4 C
 1 3 1 1 0 1 1 5 D
 1 4 1 1 1 0 1 6 E
 1 5 1 1 1 1 1 7 F
 26/02/2014 ©2014, CE Department 19
dce
 2014 Chuyển đổi gi ữa các hệ đếm
 Số Số 
 Số th ập 
 nh ị phân bát phân 
 lục phân 
 (Binary (Octal Number)
 (Hexadecimal
 Number)
 Number)
 Số th ập phân 
 Hệ c ơ s ố b (Decimal Number)
 (B bases Number)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 20
dce
 2014 Từ thập phân sang hệ cơ số b
 N10 = (a nan-1an-2  a2a1a0) b
 n n-1 n-2 0
 = an x b + an-1 x b + an-2 x b +  + a0 x b
 N n−1 n−2 n−3
 = a *b + a − *b + a − *b +.... + a = Q a0
 b n n 1 n 2 1 1
 Q1 n−2 n−3 n−4
 =a *b +a − *b +a − *b +.... +a =Q a
 b n n 1 n 2 2 2 1
 Q2 n−3 n−4 n−5
 =a *b +a − *b +a − *b +.... +a =Q a
 b n n 1 n 2 3 3 2
 26/02/2014 ©2014, CE Department 21
dce
 2014 Từ thập phân chuyển qua nhị phân
 • Chuy ển s ố 41 sang h ệ nh ị phân
 41 = = 5 =
 20 a 1 = 2 a3 1
 2 0 2
 20 2 =
 = 10 a = 0 = 1 a4 0
 2 1 2
 10 1 = =
 = 5 a = 0 0 a5 1
 2 2 2
 26/02/2014 ©2014, CE Department 22
dce
 2014 Các vấn đề khác
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ th ập phân sang h ệ bát phân .
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ th ập phân sang h ệ th ập l ục phân .
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ nh ị phân sang h ệ bát phân
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ bát phân sang h ệ nh ị phân
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ nh ị phân sang h ệ th ập l ục phân
 • Chuy ển đổ i t ừ h ệ th ập l ục phân sang h ệ nh ị phân
 26/02/2014 ©2014, CE Department 23
dce
 2014 Một số vấn đề khác
 • Chuy ển đổ i gi ữa các hệ đế m
 – Chuy ển đổ i các hệ khác sang hệ th ập phân
 – Chuy ển đổ i từ hệ th ập phân sang các hệ khác
 – Chuy ển đổ i từ hệ bát phân hay th ập lục phân sang hệ nh ị phân
 •Số học nh ị phân
 –Cộng nh ị phân
 – Tr ừ nh ị phân
 – Nhân nh ị phân
 – Chia nh ị phân
 • Bù 1 ( 1’s complement ) và bù 2 ( 2’s complement )
 – Khái ni ệm bù 1 và bù 2
 – Bi ểu di ễn các số nguyên nh ị phân
 –Cộng/tr ừ các số nguyên nh ị phân
 26/02/2014 ©2014, CE Department 24
dce
 2014 Mã & bi ến đổi mã
 • Thông tin con ng ườ i trao đổ i với nhau đượ c di ễn tả qua 
 trung gian nh ững tập hợp (set ) các ký hi ệu (symbol )
 •Mỗi tập hợp ký hi ệu tạo thành 1 bảng mẫu tự (alphabet )
 • Trong ti ếng Anh, ta có bảng mẫu tự các ch ữ cái từ A
 đế n Z. Để tạo ra 1 từ trong ti ếng Anh, ch ỉ cần ghép các
 ch ữ cái trong bảng mẫu tự lại với nhau
 • Ti ếng Anh có th ể đượ c xem nh ư 1 bộ mã (code ) và mỗi
 từ của ti ếng Anh đượ c xem là 1 từ mã (code word )
 • Mã Morse – sử dụng dấu ch ấm (.) và dấu (-)
 •Hệ nh ị phân có th ể đượ c sử dụng nh ư 1 bảng mẫu tự
 với 2 ch ữ cái (nói chính xác hơn là con số - digit ) 0 và 1
 •Số lượ ng bit b dùng trong mỗi từ mã ph ụ thu ộc vào tổng
 số từ mã N cần di ễn đạ t  N ≤ 2 b
 26/02/2014 ©2014, CE Department 25
dce
 2014 Mã BCD ( Binary-Coded Decimal )
 •Mặc dù t ất c ả các hệ th ống s ố Decimal BCD
 đề u ho ạt độ ng v ới hệ nh ị phân. 0 0 0 0 0
 Tuy nhiên vi ệc hi ển th ị k ết qu ả 1 0 0 0 1
 tính toán d ướ i d ạng th ập phân là 2 0 0 1 0
 không th ể tránh kh ỏi. 3 0 0 1 1
 4 0 1 0 0
 • Vi ệc chuy ển đổ i gi ữa s ố nh ị phân 5 0 1 0 1
 và th ập phân s ẽ ph ức t ạp và mất 6 0 1 1 0
 th ời gian v ới nh ững s ố l ớn. 7 0 1 1 1
 •  bộ mã BCD 8 1 0 0 0
 •Bộ mã BCD có t ất c ả 10 t ừ mã 9 1 0 0 1
 • Độ dài mỗi t ừ mã là 4 bit
  trong s ố 16 t ừ mã, ch ỉ có 10 
 từ mã là h ợp l ệ ( valid )
 • Mã có tr ọng s ố là 8 4 2 1
 26/02/2014 ©2014, CE Department 26
dce
 2014 Mã BCD ( Binary-Coded Decimal )
 Số th ập phân 5 7 3 Decimal BCD
 0 0 0 0 0
 1 0 0 0 1
 Số BCD 0101 0111 0011 2 0 0 1 0
 3 0 0 1 1
 4 0 1 0 0
 5 0 1 0 1
 Số th ập phân 6 0 1 1 0
 9 8 4 7 0 1 1 1
 8 1 0 0 0
 9 1 0 0 1
 Số BCD 1001 1000 0100
 26/02/2014 ©2014, CE Department 27
dce
 2014 Mã BCD ( Binary-Coded Decimal )
 Cho s ố BCD: 0110 0101 1000 Decimal BCD
 11001011000 0 0 0 0 0
 1 0 0 0 1
 6 5 8 2 0 0 1 0
 3 0 0 1 1
 4 0 1 0 0
 5 0 1 0 1
 Cho s ố BCD: 0111 1100 1000 6 0 1 1 0
 011111001000 7 0 1 1 1
 8 1 0 0 0
 7 E 8 9 1 0 0 1
 26/02/2014 ©2014, CE Department 28
dce
 2014 Một số mã khác
 • Mã có tr ọng s ố 1 bit 2 bit 3 bit 4 bit
 – 8421 (BCD) • 2421 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 – 84-2-1 • Excess-3 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1
 • Mã vòng ( cyclic ) là mã mà 2 t ừ 1 1 0 1 1 0 0 1 1
 mã k ế ti ếp nhau ch ỉ khác nhau 1 0 0 1 0 0 0 1 0
 1 bit 1 1 0 0 1 1 0
 1 1 1 0 1 1 1
 – Mã Gray
 1 0 1 0 1 0 1
 • Mã ch ữ s ố ( alphanumeric 1 0 0 0 1 0 0
 code ) 1 1 0 0
 – Mã ASCII 1 1 0 1
 • Mã 7-đoạn ( seven-segment 1 1 1 1
 code ) a 1 1 1 0
 1 0 1 0
 f g b 1 0 1 1
 e c 1 0 0 1
 d 1 0 0 0
 26/02/2014 ©2014, CE Department 29
dce
 2014 Phát hi ện sai – Sửa sai
 • Quá trình sinh ra các từ mã nh ằm bi ểu di ễn thông tin gọi
 là quá trình mã hóa (coding hay encoding )
 • Các thông tin mã hóa đượ c truy ền/nh ận thông qua các
 kênh truy ền (transmission channel ), trong quá trình lưu
 tr ữ, truy xu ất, v.v
 • Xu ất hi ện kh ả năng tín hi ệu bị thay đổ i do nhi ễu, giao thoa
 với các tín hi ệu khác, mạch điện ho ạt độ ng sai, v.v
 • Đố i với tín hi ệu số (digital signal ), sai xảy ra khi một hay 
 nhi ều bit bị thay đổ i giá tr ị (0 thành 1 hay 1 thành 0)
 •Măc dù xác su ất để xảy ra sai ở 1 bit là rất th ấp, nh ưng
 xác su ất này là lớn hơn 0 (xác su ất để 2 hay nhi ều bit sai
 đồ ng th ời lại càng nh ỏ hơn !).
 26/02/2014 ©2014, CE Department 30
dce
 2014 Mã phát hi ện sai ( Error-Detecting Codes) 
 • Xét mã BCD
 – Truy ền đi từ mã 0 0 0 1 , gi ả sử xảy ra sai ở 1 bit. 
 Thông tin nh ận được sẽ là 1 trong các từ mã 1 0 
 0 1 , 0 1 0 1 , 0 0 1 1 , 0 0 0 0
 – Phía thu không có kh ả năng phát hi ện sai
  Mã BCD không ph ải là mã phát hi ện sai
 •Bộ mã nào khi xảy ra sai ở một bit bất kỳ
 trong từ mã làm bi ến đổi từ mã từ hợp lệ
 thành không hợp lệ thì gọi là mã phát hi ện
 sai
 • Bit chẵn lẻ (parity bit )
 26/02/2014 ©2014, CE Department 31
dce
 2014 Parity
 Transmitter Receiver
 • Parity bit
 – Bit ph ụ (thêm vào): giá tr ị ph ụ thu ộc vào s ố bit 1
 trong mã truy ền đi
 – Even-parity và odd-parity
 – Phát hi ện sai 1 bit (single-bit error)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 32
dce
 2014 Parity
 • Even-parity
 chữ C: 1000011  1 1000011
 chữ A: 1000001  0 1000001
 • Odd-parity
 chữ C: 1000011  0 1000011
 chữ A: 1000001  1 1000001
 26/02/2014 ©2014, CE Department 33
dce
 2014 Tổng kết (1)
 • Bi ểu di ễn t ương t ự (analog): điện áp, c ường 
 độ dòng điện, dạng bi ểu di ễn đặc tr ưng.
 • Bi ểu di ễn s ố (digital): ký hi ệu (symbol - digits).
 – Thói quen s ố hoá
 •Hệ thống s ố: thập phân, nhị phân, thập l ục 
 phân, bát phân
 26/02/2014 ©2014, CE Department 34
dce
 2014 Tổng kết (2)
 • Bi ểu di ễn các đại l ượng nhị phân
 •Mạch s ố (digital circuit) / Mạch luận lý (logic 
 circuit)
 •Mạch s ố tích hợp (digital integrated circuit - IC)
 • Truy ền song song (parallel) và nối ti ếp (serial)
 •Bộ nhớ (memory)
 26/02/2014 ©2014, CE Department 35
dce
 2014
 Mạch s ố
 Mạch nhớ
 26/02/2014 ©2014, CE Department 36