Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Digital Logic

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Digital Logic

1. ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHƯƠNG 4 DIGITAL LOGIC Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TRANSISTOR TẠO NÊN CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH Mỗi bộ xử lý chứa hàng triệu transistor • Intel Pentium II: 7 triệu • Compaq Alpha 21264: 15 triệu • Intel Pentium III: 28 triệu Transistor làm việc như những công tắc Tổ hợp lại để tạo thành các chức năng logic • AND, OR, NOT Tổ hợp để xây dựng nên các cấu trúc cao cấp • Bộ cộng, bộ nhân, bộ giải mã, thanh ghi Tổ hợp để xây dựng các bộ xử lý 2-2
2. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CÁC CẤP ĐỘ MẠCH LOGIC Combinational Logic Mạch logic tổ hợp 2-to-4 Full Decoder Adder D-Latch Transistors n Gate Cổng logic mmMemory Storage Elements Phần tử lưu trữ 2-3 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Công tắc điện đơn giản Công tắc mở : • Mạch hở • Không có điện chạy qua • Bóng đèn tắt • Vout = +2.9V Công tắc đóng : • Mạch đóng • Dòng điện chạy trong mạch • Bóng đèn sáng • Vout = 0V Công tắc điện có thể dễ dàng biểu diễn 2 trạng thái : on/off, mở / đóng, có điện / không có điện. 2-4
3. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TRANSISTOR MOS KIỂU N MOS = Metal Oxide Semiconductor • Có 2 kiểu : Kiểu N (N-MOS) và kiểu P (P-MOS) N-MOS • Khi đưa điện áp vào chân Gate, Mạch đóng, ngắn mạch giữa #1 và #2 (công tắc đóng ) • Khi điện áp ở chân Gate =0 , Mạch hở, cách điện giữa #1 và #2 Gate = 1 (công tắc mở) Gate = 0 Terminal #2 must be connected to GND (0V). 2-5 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TRANSISTOR MOS KIỂU P P- MOS • Khi đưa điện áp vào chân Gate , mạch hở, hở mạch giữa #1 và #2 (công tắc mở) • Khi điện áp ở chân Gate =0 Mạch đóng, ngắn mạch giữa #1 và #2 (công tắc đóng ) Gate = 1 Gate = 0 2-6
4. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Logic Gates - Cổng Logic Sử dụng các trạng thái chuyển mạch của các Transistor MOS để thực hiện các chức năng logic : AND, OR, NOT. Quy ước các mức logic : • Quy định các dải điện áp phụ thuộc vào đặc điểm của transistor được sử dụng. ¾Giá trị mức 1 thường là : +5V, +3.3V, +2.9V, +1.1V ¾Trong hình minh họa trên ta sử dụng điện áp +2.9V 2-7 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Inverter (NOT Gate) In Out 0 V 2.9 V 2.9 V 0 V In Out 01 10 Bảng chân trị Ký hiệu 2-8
5. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. NOR Gate AB C 00 1 01 0 10 0 11 0 Biểu thức toán : C = A + B 2-9 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. OR Gate AB C 00 0 01 1 10 1 11 1 Ký hiệu OR Biểu thức toán : C = A + B 2-10
6. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. NAND Gate (AND-NOT) AB C 00 1 01 1 10 1 Ký hiệu NAND 11 0 Biểu thức toán : C = A⋅ B 2-11 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. AND Gate AB C 00 0 01 0 10 0 11 1 Ký hiệu AND Biểu thức toán : C = A⋅ B 2-12
7. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Các cổng Logic cơ bản 2-13 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC CÁCH BIỂU DIỄN A⋅ B Biểu thức Logic a b out 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Cổng Bảng Logic Chân trị 2-14
8. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TỪ BIỂU THỨC TOÁN HỌC y = s ⋅ a ⋅ b s OR y s a a y b b 2-15 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TỪ KÝ HIỆU s a b s a b out s a b s a b out = (s ⋅ a ⋅b ) + (s ⋅ a ⋅b) + (s ⋅ a ⋅b) + (s ⋅ a ⋅b) OR out = sab + sab + sab + sab 2-16
9. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. TỪ BẢNG SỰ THẬT s a b out out = sab + sab + sa b + sab 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 s a 0 1 1 1 b 1 0 0 0 s a 1 0 1 1 b out 1 1 0 0 s a 1 1 1 1 b s a b 2-17 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Sử dụng cổng Logic xây dựng các mạch chức năng Ta đã biết việc sử dụng các cổng AND, OR và NOT để xây dựng các các mạch theo bảng chân trị. Một trong các ứng dụng là xây dựng các mạch logic tổ hợp. Người ta phân mạch logic làm 2 loại Mạch logic tổ hợp • output chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của inputs • stateless Mạch logic tuần tự • output depends on the sequence of inputs (past and present) • Lưu trữ trạng thái từ các trạng thái input trước. 2-18
10. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MẠCH CỘNG 1 BIT - Full Adder A B ABCin SCout 00000 00110 Full Cin 01010 Adder 01101 10010 S Cout 10101 Input : - A,B : 2 bit cần cộng 11001 11111 - Cin : bit nhớ đầu vào Output : - S : tổng - Cout : bit nhớ đầu ra 2-19 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MẠCH CỘNG 1 BIT - Full Adder A B Cin S Cout 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 1 11 1 0 0 1 11 1 1 1 1 Cout = a bc + ab c + abc + abc S = ab c +abc + ab c + abc 2-20
11. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Four-bit Adder 2-21 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DECODER - BỘ GIẢI MÃ ¾ Giải mã giá trị tín hiệu đầu vào để chọn 1 trong các đầura ¾ Ứng dụng rộng rãi trong giải mã địa chỉ (bộ nhớ ), giải mã lệnh (CPU) ¾ Mạch giải mã n đầu vào sẽ có 2n đầura ¾ Giải mã 2-4 , 3-8 , 4-16 2-22
12. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DECODER - BỘ GIẢI MÃ Bộ giải mã 2 ra 4 (2-4 Decoder) O1 A O2 DECODE B O3 O4 VÀO RA A B O1 O2 O3 O4 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 2-23 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DECODER - BỘ GIẢI MÃ 2-4 Decoder 2-24
13. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MULTIPLEXER - BỘ DỒN KÊNH • Ghép nhiều kênh khác nhau vào 1 kênh • Đầu ra sẽ là 1 trong các đầu vào tuỳ vào đầu vào chọn • Thường có 2n đầuvào , n đầu vào chọn A B A B C D S S1 MUX S2 O O 2-25 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MULTIPLEXER - BỘ DỒN KÊNH S1 S0 Z 0 0 A 0 1 B 1 0 C 1 1 D 2-26
14. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MẠCH TỔ HỢP & MẠCH TUẦN TỰ Mạch tổ hợp • Đầu ra luôn cho kết quả giống nhau với giá trịđầuvào giống nhau Mạch tuần tự • Lưu giữ thông tin • Đầu ra phụ thuộc vào thông tin đượclưu giữ (trạng thái) của đầuvào ¾ với giá trịđầuvào giống nhau sẽ cho đầu ra khác nhau phụ thuộc vào thông tin lưu trữ Ví dụ : Máy phát vé ¾Khi ấn nút sẽ cho ra số phụ thuộc vào tình trạng trước đó • Ứng dụng trong việc chế tạo bộ nhớ 2-27 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. R-S Latch (Bộ chốt): Phần tử lưu trữ cơ bản R (Clear) : xóa – thiết lập giá trị 0. S (Set) : thiết lập- thiết lập giá trị 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 Nếu R và S đều =1 , out có thể là 0 hoặc 1 • trạng thái “dừng” - chứa giá trị trước • Nếu a=1 thì b=0 và ngược lại 2-28
15. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Xóa R-S latch Giả sử ban đầu, out = 1, sau đó đưa R=0. 1 0 1 1 0 1 0 1 Output changes to zero. 1 1 0 1 1 0 0 0 Sau đó cho R=1 để lưu trữ giá trịởtrạng thái dừng 2-29 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thiết lập R-S Latch Giả sử ban đầu out = 0, ta đưa giá trị S = 0 1 1 0 0 1 1 Output changes to one. 0 0 1 1 0 1 Sau đó cho S=1 để lưu trữ giá trịởtrạng thái dừng 2-30
16. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. R-S Latch R = S = 1 • Giá trị hiện hành được chốt S = 0, R=1 • Thiết lập giá trị 1 R = 0, S = 1 • Xóa (thiết lập giá trị 0) R = S = 0 • Out=1 • Trạng thái xác định bởi đặc điểm mạch cổng • Không sử dụng ! 2-31 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Gated D-Latch - Bộ nhớ 1 bit Hai ngõ vào : D (data) & WE (write enable) • WE = 1, bộ chốt thiết lập giá trị của D ¾S = NOT(D), R = D • WE = 0, bộ chốt chứa giá trị đã lưu trữ trước đó ¾S = R = 1 2-32
17. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Register – Thanh ghi Thanh ghi lưu trữ nhiều bit. • Sử dụng nhiều D-latches, tất cả được điều khiển bởi WE. • WE=1, n-bit tại D lưu trữ vào thanh ghi. 2-33 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Memory - Bộ nhớ Ta có thể tạo bộ nhớ -một mảng k × m bit Không gian địa chỉ: k = 2n số ô nhớ • ô nhớ • • m bits 2-34
18. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Memory - Bộ nhớ writeEnable d input 00 we Register q0 01 we Register q1 2-to-4 q output Decoder 10 we Register q2 11 we Register q3 a1 a0 address n = 2 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 22 x 3 Memory word select word WE address input bits write enable address decoder output bits 2-36
19. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. More Memory Details Những kỹ thuật chế tạo bộ nhớ hiện nay không hoàn toàn giống như kỹ thuật đã trình bày • sử dụng ít transistor hơn, tin cậy hơn Nhưng cấu trúc logic của nó thì hoàn toàn tương đồng. • Giải mã địa chỉ • Chọn hàng • Điều khiển ghi Có 2 loại bộ nhớ cơ bản RAM (Random Access Memory) Static RAM (SRAM) • nhanh, dữ liệu được giữ mà không cần phải làm tươi. Dynamic RAM (DRAM) • Chậm , bit lưu trữ phải thường xuyên làm tươi Also, non-volatile memories: ROM, PROM, flash, 2-37