Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 0: Tổng quan nhập môn mạch số - Hà Lê Hoài Trung

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 0: Tổng quan nhập môn mạch số - Hà Lê Hoài Trung

1. Số Nhị Phân • Phân tích số nhị phân 1011.1012 Binary point 3 2 1 0 • 1011.1012 = 1 * 2 + 0 * 2 + 1 * 2 + 1 * 2 + 1 * 2-1 + 0 * 2-2 + 1 * 2-3 = 11.62510
2. Số Bát Phân • Số Bát Phân : 3728 2 1 0 • 3728 = 3 * 8 + 7 * 8 + 2 * 8 = 25010
3. Số Thập Lục Phân • Phân tích số thập lục phân : 3BA16 2 1 0 • 3BA16 = 3 * 16 + 11 * 16 + 10 * 16 = 95410
4. 2. Chuyển đổi giữa các hệ thống số
5. Chuyển đổi sang số thập phân • Nhân mỗi chữ số (digit) với trọng số (weight)
6. Ví Dụ • Biểu diễn 37028 sang số thập phân • Biểu diễn 1A2F16 sang số thập phân
7. Số Thập Phân => Số Nhị Phân Decimal Binary • Chia số thập phân với 2 và sau đó viết ra phần dư còn lại – Chia cho đến khi có thương số là 0. • Phần số dư đầu tiên gọi là LSB (Bit có trọng số thấp nhất) • Phần số dư cuối cùng gọi là MSB (Bit có trọng số cao nhất)
8. Ví dụ : 2510 => Số Nhị Phân
9. Số Thập Phân => Số Thập Lục Phân Decimal Hexadecimal • Chia số thập phân cho 16 và viết ra phần dư còn lại – Chia cho đến khi có thương số là 0. • Phần số dư đầu tiên gọi là LSD (Số có trọng số thấp nhất) • Phần số dư cuối cùng gọi là MSD (Số có trọng số cao nhất)
10. Ví Dụ: 42310 => Thập Lục Phân
11. Thập Phân => Bát Phân Decimal Octal • Chia số thập phân cho 8 và viết ra phần dư còn lại – Chia cho đến khi có thương số là 0. • Phần số dư đầu tiên gọi là LSD (Số có trọng số thấp nhất) • Phần số dư cuối cùng gọi là MSD (Số có trọng số lớn nhất)
12. Bát Phân => Nhị Phân Octal Binary • Chuyển đổi lần lượt mỗi chữ số ở dạng Bát Phân sang nhóm 3 bits Nhị Phân Octal 0 1 2 3 4 5 6 7 Binary 000 001 010 011 100 101 110 111 • VD:
13. Thập Lục Phân => Nhị Phân Hex Bin 0 0000 Hexadecimal Binary 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 • Chuyển đổi lần lượt mỗi chữ số ở dạng Thập Lục 5 0101 6 0110 Phân sang nhóm 4 bits Nhị Phân 7 0111 8 1000 9 1001 • VD: A 1010 B 1011 C 1100 D 1101 E 1110 F 1111
14. Nhị Phân => Bát Phân Binary Octal • Nhóm 3 bits bắt đầu từ ngoài cùng bên phải của số • Chuyển đổi mỗi nhóm trên sang dạng chữ số của Bát Phân • VD: 10110101112 => Bát Phân 13278
15. Nhị Phân => Thập Lục Phân Binary Hexadecimal • Nhóm 4 bits từ phía ngoài cùng bên phải của số • Chuyển đổi mỗi nhóm trên sang 1 chữ số Thập Lục • VD: 101011010101110011010102 => Thập Lục Phân 56AE6A16
16. Bát Phân Thập Lục Phân Binary Octal Hexadecimal • Chuyển đổi thông qua trung gian là số Nhị Phân
17. Ví dụ: 1F0C16 => Bát Phân Chuyển đổi từ Thập Lục Phân sang Nhị Phân 1F0C16 = 1_1111_0000_11002 Chuyển đổi từ Nhị Phân sang Bát Phân 1_111_100_001_1002 = 174148
18. Ví Dụ: 10768 => Thập Lục phân Chuyển đổi từ Bát Phân sang Nhị Phân 10768 = 1_000_111_1102 Chuyển đổi từ Nhị Phân sang Thập Lục Phân 10_0011_11102 = 23E16
19. Ví Dụ • Thực hiện phép chuyển đổi giữa các hệ thống số Decimal Binary Octal Hexadecimal 35 1101101 712 1AF
20. Chuyển phần thập phân sang Nhị Phân • Phần thập phân => Số Nhị Phân
21. Ví dụ: 189.02310 => Số Nhị Phân
22. Ví Dụ • Thực hiện phép chuyển đổi giữa các hệ thống số Decimal Binary Octal Hexadecimal 29.8 110.1101 3.07 C.82 32
23. Các phép tính số nhị phân • Phép Cộng • Phép Nhân • Phép Trừ
24. Phép Cộng • Cộng 2 số nhị phân 1-bit A B A + B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10
25. Phép Cộng • Phép cộng 2 số nhị phân không dấu
26. Phép Nhân • Nhân 2 số nhị phân 1-bit A B A * B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
27. Phép Nhân • Phép nhân 2 số nhị phân không dấu
28. Phép Trừ • Quy tắc thực hiện phép trừ như sau: 0 - 0 = 0 1 - 1 = 0 1 - 0 = 1 [1]0 - 1 = 1 Mượn1 • VD: Thực hiện phép trừ 2 số nhị phân 5 bits: 00111 từ 10101 10101 21 00111 7 0 11 1 0 = 14
29. 3. Các cổng Logics Cơ Bản
30. NỘI DUNG • Cổng Logic cơ bản AND, OR, NOT • Mạch Logic => Biểu thức Đại Số
31. Tổng Quát • Đại Số Boolean chỉ xử lý 2 giá trị duy nhất (2 trạng thái logic): 0 và 1 • 3 cổng logic cơ bản: – OR, AND và NOT
32. Bảng Sự thật / Chân trị • Mô tả các mối quan hệ giữa inputs và outputs của một mạch logic • Số lượng các mục tương ứng với số inputs – A 2-input bảng sẽ có 22 ?= 4 mục – A 3-input bảng sẽ có 23 ?= 8 mục
33. Cổng Logic OR • Biểu thức Boolean cho cổng logic OR có hoạt động: – X = A + B — Đọc là ―X bằng A OR B‖ Dấu + không có nghĩa là phép cộng thông thường , mà là ký hiệu cho cổng logic OR • Bảng sự thật và biểu diễn cổng logic OR có 2 inputs:
34. Cổng Logic AND • Cổng logic AND thực hiện tương tự như phép nhân: – X = A B — Đọc là ―X bằng A AND B‖ Dấu không có nghĩa là phép nhân thông thường , mà là ký hiệu cho cổng logic AND . • Bảng sự thật và biểu diễn cổng logic AND có 2 inputs:
35. OR vs AND Ký hiệu của cổng logic OR có nghĩa là output sẽ có trạng thái là HIGH khi có bất kỳ input nào có trạng thái là HIGH Ký hiệu của cổng logic AND có nghĩa là output sẽ có trạng thái là HIGH khi tất cả các input đều có trạng thái là HIGH
36. Cổng Logic NOT • Biểu thức Boolean đối với cổng logic NOT X = A — Đọc là: ―X bằng NOT A‖ Dấu thanh ngang phía ―X là đảo ngược của A‖ trên là ký hiệu cho cổng ―X là phần bù của A‖ logic NOT A' = A Có thể thay thế ký hiệu cổng logic NOT bằng dấu phẩy (') Bảng sự thật cổng Logic NOT
37. Cổng Logic NOT • Cổng logic NOT có thể gọi chung là INVERTER Dấu đảo ngược Cổng logic này luôn luôn chỉ có duy nhất 1 input, và trạng thái của output sẽ đối nghịch với trạng thái của input
38. Cổng Logic NOT Cổng INVERTER nghịch đảo (phần bù) trạng thái tín hiệu của các inputs tại các điểm trong cùng bước sóng Bất cứ khi nào có: input = 0, output = 1, và ngược lại
39. Cổng Logic Cơ Bản Ba cổng logic Boolean cơ bản có thể mô tả được bất kỳ mạch logic nào
40. Mạch Logic => Biểu thức đại số
41. Mô tả mạch logic đại số • Nếu một biểu thức có chứa cả hai cổng Logic AND và OR, thì cổng logic AND sẽ được thực hiện trước : • Trừ khi có một dấu ngoặc trong biểu thức
42. Mô tả mạch logic đại số • Bất cứ khi nào có sự xuất hiện của cổng logic INVERTER trong mạch, output sẽ có giá trị tương đương với input, kèm theo dấu thanh ngang trên đầu của output – Input A qua một inverter sẽ có output là A
43. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Ex: X = ABC(D + E) + FG Quy tắc đánh giá một biểu thức Boolean:  Thực hiện tất cả đảo ngược đối với các inputs đơn trước  Thực hiện xử lý tất cả các phép tính trong ngoặc trước  Thực hiện xử lý cổng logic AND trước rồi mới đến cổng logic OR, trừ khi trường hợp cổng logic OR ở trong ngoặc trước  Nếu cả một biểu thức có thanh ngang trên đầu, thực hiện các phép tính bên trong biểu thức trước, và sau đó đảo ngược kết quả lại
44. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Cách tốt nhất để phân tích một mạch gồm có nhiều cổng logic khác nhau là sử dụng bảng sự thật – Cho phép chúng ta có thể phân tích một cổng hoặc một tổ hợp các cổng logic có trong mạch cùng một lúc – Cho phép chúng ta dễ dàng kiểm tra lại hoạt động của mạch logic tổ hợp một cách chính xác nhất – Bảng sự thật giúp ích trong việc phát hiện và xử lý lỗi hay sự cố xuất hiện có trong mạch logic tổ hợp
45. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Đánh giá outputs của mạch logic sau:
46. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Bước 1: Liệt kê tất cả các inputs có trong mạch logic tổ hợp • Bước 2: Tạo ra một cột trong bảng sự thật cho mỗi tín hiệu trung gian (node) Node u đã được điền vào như là kết quả của phần bù của tín hiệu input A
47. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Bước 3: điền vào các giá trị tín hiệu của cột node v v =AB — Node v sẽ có giá trị HIGH Khi A (node u) là HIGH và B là HIGH
48. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Bước 4: Dự đoán trước giá trị tín hiệu của node w là outputs của cổng logic BC Cột này là HIGH khi và chỉ khi B là HIGH và cả C là HIGH
49. Đánh giá OUTPUTs của mạch logic • Bước cuối cùng: kết hợp một cách logic 2 cột v và w để dự đoán cho output x Từ biểu thức x = v + w, thì x output sẽ là HIGH khi v OR w là HIGH
50. Đánh giá OUTPUTS của mạch logic • Ví dụ:
51. Ví Dụ • ImplementVẽ sơ đồ mạch a logic circuit với output with nh outputư sau: y = AC + BC+ ABC • Answer: – A circuit with output y = AC + BC+ ABC contains three terms which are ORed together and requires a three-input OR gate
52. 5. Mạch Tổ Hợp
53. Nội dung • Mạch giải mã (Decoder)/ Mạch mã hoá (Encoder) • Mạch dồn kênh (Multiplexer)/ Mạch chia kênh (Demultiplexer)
54. Decoder/ Encoder
55. Mạch giải mã (Decoder) • Nhiều ngõ vào/ nhiều ngõ ra • Ngõ vào (n) thông thường ít hơn ngõ ra (m) • Chuyển mã ngõ vào thành mã ngõ ra • Ánh xạ 1-1: – Mỗi mã ngõ vào chỉ tạo ra một mã ngõ ra • Các mã ngõ vào: – Mã nhị phân enable – Your Code! inputs • Các mã ngõ ra: – 1-trong-m – Gray Code – BCD Code
56. Mạch giải mã nhị phân (Binary Decoders) • Mạch giải mã n-ra-2n: n ngõ vào và 2n ngõ ra – Mã đầu vào: n bit nhị phân – Mã đầu ra: 1-trong-2n • Ví dụ: n=2, mạch giải mã 2-ra-4 Chú ý ―x‖ (kí hiệu ngõ vào don’t care)
57. Giải mã nhị phân 2-ra-4
58. Ứng dụng của mạch giải mã • Một ứng dụng phổ biến là giải mã địa chỉ cho các chip nhớ
59. Mạch mã hoá • Nhiều ngõ vào/ nhiều ngõ ra output • Chức năng ngược lại với input code mạch giải mã code ENCODER • Outputs (m) ít hơn inputs (n) • Chuyển mã ngõ vào thành mã ngõ ra
60. Encoders vs. Decoders Decoder Encoder decoders/encoders nhị phân  n-ra-2^n  2^n-ra-n  Input code: Mã nhị phân  Input code: 1-trong-2^n  Output code:1-trong-2^n  Output code: Mã nhị phân
61. Mạch mã hoá nhị phân (Binary Encoder) • 2^n-ra-n encoder: 2^n ngõ vào và n ngõ ra – Input code: 1-trong-2^n Binary encoder – Output code: Mã nhị phân I0 I1 • Ví dụ: n=3, mạch mã hóa 8-ra-3 I2 Y0 I3 Y1 Ngõ vào Ngõ ra I4 Y2 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 I5 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I6 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 I7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
62. Hiện thực mạch mã hóa 8-ra-3 Ngõ vào Ngõ ra I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 I0 Y2 • Rút gọn: I1 Y0 = I1 + I3 + I5 + I7 I2 Y1 = I2 + I3 + I6 + I7 Y1 Y2 = I4 + I5 + I6 + I7 I3 I4 I5 I6 Y0 I7
63. Multiplexer (MUX)/ Demultiplexer (DeMUX)
64. Multiplexer • Multiplexer (MUX) truyền một trong những ngõ vào của nó làm ngõ ra dựa trên tín hiệu Select Ngõ vào SELECT sẽ xác định ngõ vào nào được truyền ra Z
65. 2-ra-1 Multiplexer Out =I0 * Sel + I1 *Sel Sel Out 0 I0 1 I1
66. 4-ra-1 Mux • 4-ra-1 Mux xuất ra một trong bốn ngõ vào dựa trên giá trị của 2 tín hiệu select
67. Xây dựng MUX 4-ra-1 • Từ MUX 2-ra-1
68. Demultiplexer • Demultiplexer (DEMUX) lấy ngõ vào duy nhất và phân phối nó ra một ngõ ra. – Mã ngõ vào SELECT sẽ xác định ngõ ra nào mà ngõ vào DATA sẽ truyền qua DATA được truyền ra một và chỉ một ngõ ra được xác định bởi mã của ngõ vào SELECT
69. DEMUX 1-ra-8 demultiplexer Chú ý: I là ngõ vào DATA
70. Bài tập • Xây dựng bộ Mux 16 – 1, chỉ sử dụng các bộ mux 4 – 1 • Xây dựng bộ Mux 8 – 1, chỉ sử dụng các bộ mux 2 – 1 • Xây dựng bộ Mux 8 – 1, chỉ sử dụng 1 bộ mux 2 – 1, và 1 bộ mux 4 – 1.