Bài giảng môn Nhập môn mạch số - Chương 1: Giới thiệu tổng quan

NHẬP MÔN MẠCH SỐ 
CHƯƠNG 1 
Giới thiệu tổng quan 
Sách tham khảo 
Kỹ thuật số 1 
Nguyễn N hư Anh, NXB ĐHQG TP.HCM, 20 02 . 
Digital design - Principles and Practices , John F. Wakerly, 4 th Edition, Prentice-Hall , 200 1. 
Digital Systems - principles and applications , Ronald J. Tocci, 10 th Edition, Prentice-Hall, 2001. 
Thông tin giảng viên, Sách tham khảo, Qui định môn học 
2 
THÔNG TIN GIẢNG VIÊN, SÁCH THAM KHẢO, QUI ĐỊNH MÔN HỌC 
3 
Trọng số đánh giá các phần: 
Thực hành:	 20% 
Kiểm tra giữa kì: 30% 
Thi cuối kì: 50% 
Mục tiêu môn học 
4 
Hiểu được luận lý số (digital logic) ở mức cổng (gate level) và mức chuyển mạch (switch level) của các thành phần logic tổ hợp (combinational logic) và logic tuần tự (sequential logic) 
Thiết kế và thực thi các mạch logic tổ hợp và tuần tự 
Phân tích được các mạch logic số từ đơn giản đến phức tạp 
Biết sử dụng các công cụ (tools) hỗ trợ và các Kit thực hành trong thiết kế logic Số 
Vị trí, đối tượng môn học trong chuỗi 
thiết kế và ứng dụng chip 
Vị trí của môn học 
Đối tượng môn học: 
Cổng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, 
Chốt, Flip-flop, thanh ghi (register) 
Mạch logic tổ hợp: cộng, trừ, so 
sánh, chọn kênh, phân kênh, 
5 
Mạch logic tuần tự: mạch đếm đồng 
bộ, bất đồng bộ, thanh ghi dịch, 
Chuỗi các môn học về thiết kế và ứng dụng chip 
6 
Toán rời rạc 
Nhập môn mạch số 
Kiến trúc máy tính 
Thiết kế luận lý số 
Thiết kế vi mạch với HDL 
Thiết kế vi mạch: số, tương tự, hỗn hợp 
Hệ điều hành 
Hệ thống nhúng 
Vi xử lý – Vi điều khiển 
Nhập môn Mạch số 
7 
Nội dung môn học: 
Chương 1: Giới thiệu 
Chương 2: Biểu diễn số trong các hệ cơ số khác nhau 
Chương 3: Đại số Boolean và các cổng luận lý (logic gates) 
Chương 4: Mạch logic và đánh giá tối ưu 
Chương 5: Mạch tổ hợp 
Chương 6: Mạch tuần tự 
Chương 1: Giới thiệu 
8 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Chương 1: Giới thiệu 
9 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Công nghệ vi điện tử hay vi mạch tích hợp đã có cuộc cách mạng to lớn trên thế giới với các thiết bị thông minh ra đời: laptop, máy tính bảng, điện thoại thông minh, 
internet,  
Nền công nghiệp bán dẫn đã có doanh thu tăng vượt bậc, từ 21 tỷ đô la năm 1985 đến 324 tỷ đô la năm 2012 
10 
Tổng quan 
Robert Noyce, 1927 - 1990 
Biệt danh “ông chủ của thung lũng Silicon” (Mayor of Silicon Valley) 
Đồng sáng lập công ty bán dẫn Fairchild năm 1957 
Đồng sáng lập công ty Intel năm 1968 
với Gordon Moore 
Đồng phát minh ra mạch tích hợp (integrated circuit) với Jack Kilby 
Tổng quan 
11 
Nguồn:  
Gordon Moore, 1929 - 
Đồng sáng lập công ty Intel năm 1968 với Robert Noyce 
Tác giả của định luật Moore (Moore’s law) nổi tiếng: 
Số lượng transistor trên mạch tích hợp sẽ tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 2 năm (  ) 
Định luật Moore được phát biểu năm 1965. 
Tổng quan 
12 
Tổng quan 
13 
Định luật Moore và sự phát triển vi mạch bán dẫn ngày nay 
Tổng quan 
14 
Tương tự (Analog) và Số (Digital) 
Các thiết bị và hệ thống Tương tự (Analog) 
Xử lý trên các tín hiệu liên tục (ví dụ: tín hiệu âm thanh truyền 
đến một Micro) 
Các thiết bị và hệ thống Số (Digital) 
Xử lý trên các giá trị rời rạc của tín hiệu tại mỗi thời điểm, giá trị này hoặc bằng 0 hoặc bằng 1(ví dụ: sự sáng hay tắt của một bóng đèn) 
Tổng quan 
Tương tự (Analog) và Số (Digital ) 
Hệ thống Tương tự (analog system) thường tiêu tốn nhiều công suất hơn hệ thống Số (digital system) 
Hệ thống Số có thể xử lý, lưu trữ và truyền dữ liệu hiệu quả hơn hệ thống Tương tự, nhưng nó chỉ có thể xử lý tín hiệu tại mỗi thời điểm riêng biệt. 
Analog signal 
Digital signal 
15 
Tổng quan 
Tín hiệu tương tự 
(Analog signal) 
Điện áp trên dây dẫn của một Microphone 
Âm thanh truyền đến một Microphone 
Tín hiệu số 
(Digital signal) 
- Nút nhấn trên một bàn phím 
16 
Ví dụ 
Phân biệt những trường hợp bên dưới thuộc Tương tự hay Số? 
Đồng hồ điện tử 
Dòng điện ra ngoài một ổ cắm 
Nhiệt độ 
Cát trên bãi biển 
Điều khiển tăng/giảm âm thanh của Radio 
Answer 
(a)	 Số (digital) 
(b)	Tương tự (analog) 
(c)	 Tương tự (analog) 
(d)	Số (digital) 
(e)	 Tương tự: nếu kiểu xoay/ Số: nếu kiểu bấm nút 
17 
Các thiết bị và hệ thống số ngày nay 
Ngày nay, thuật ngữ “Số” hoặc “kỹ thuật số” đã trở nên rất quen thuộc thông qua các sản phẩm được sử dụng rộng rãi: computer, điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy nghe nhạc, máy chụp hình/quay phim, tự động hóa, robots, giao thông, truyền thông và giải trí. 
18 
Những thuận lợi khi thao tác trên dữ liệu số 
19 
Dễ thiết kế 
Thông tin được lưu trữ dễ dàng 
Độ chính xác cao và ít bị tác động bởi nhiễu (noise) 
Có thể lập trình được 
Tốc độ đáp ứng nhanh 
Nhiều mạch số có thể chế tạo thành các Chip 
Các tín hiệu/thành phần trong thế giới thực chủ yếu tồn tại ở dạng tương tự (analog): nhiệt độ, áp xuất, âm thanh, tốc độ, 
Việc chuyển dữ liệu từ dạng tương tự (analog) về dạng dữ liệu số (digital) để xử lý, thông thường 3 bước sau được áp dụng: 
Chuyển tín hiệu tương tự từ thực tại về hình thức số 
Xử lý trên dữ liệu thuộc dạng số 
Chuyển dữ liệu số ở ngõ ra về lại hình thức tương tự rồi xuất 
kết quả ra bên ngoài. 
20 
Những hạn chế khi thao tác trên dữ liệu số 
ADC 
DAC 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
21 
CD drive 
22 
10 1 100 1 1 101 
Digital data 
Analog reproduction of music audio signal 
S p ea k er 
S oun d waves 
D i g it a l - t o - a n a l o g converter 
Linear amplifier 
Nhiều hệ thống kết hợp giữa xử lý tín hiệu tương tự và tín hiệu số để đạt mục đích mong muốn. 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
23 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
24 
Ví dụ thao tác trên dữ liệu số 
Nén audio/video để giảm dung lượng: MP3, MP4, 
Một CD có thể lưu trữ 20 bài hát khi không nén, nhưng có thể lưu trữ 200 bài hát đã nén dữ liệu. 
Nén dữ liệu số cũng được dùng trong xử lý ảnh: JPEG, PNG,  
Một ví dụ về cách thức nén dữ liệu 
25 
Chương 1: Giới thiệu 
26 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Những đặc điểm của số 
Trạng thái 
Cao (High): điện áp từ 2V đến 5V 
Thấp (Low): điện áp từ 0V đến 0.8V 
Không xác định (Invalid): điện áp từ 0.8V đến 2V 
Có thể tạo ra lỗi (error) trong mạch số 
27 
Dạng sóng kiểu số (digital waveform) thay đổi giữa mức thấp (Low) và mức cao (High) hoặc ngược lại. 
Một xung chuyển mức dương (positive-going pulse) khi nó chuyển từ mức logic thấp (low) đến mức logic cao (high). Ngược lại được gọi là xung chuyển mức âm (negative-going pulse). 
Dạng sóng kiểu số được hình thành từ các chuỗi xung kết hợp lại. 
Những đặc điểm của số 
Positive-going pulse 
Negative-going pulse 
28 
Giản đồ định thời được dùng để chỉ ra quan hệ giữa hai hay nhiều dạng sóng kiểu số 
Giản đồ định thời (timing diagram) 
29 
Dữ liệu nối tiếp (serial data) và 
song song (parallel data) 
Dữ liệu Số có thể được truyền giữa hai thiết bị theo kiểu nối tiếp (serial) hoặc theo kiểu song song (parallel) 
30 
Chương 1: Giới thiệu 
31 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Qui trình thiết kế Số 
Truyền thống 
Dựa vào các mô hình toán học 
Sử dụng các phương pháp phân tích 
Qui định các ràng buộc 
Hữu ích với các thiết kế nhỏ 
Không phù hợp với các thiết kế lớn trong thực tế 
CAD (Computer-Aided Design): 
Thiết kế dựa vào máy tính 
Sử dụng phần mềm dựa trên mô hình toán học và các phương pháp phân tích 
Dễ dàng, tiện lợi cho người sử 
dụng 
Nhiều chi tiết được trừu tượng hóa 
Rất phù hợp cho các thiết kế trong thực tế (thiết kế phức tạp) 
32 
Qui trình thiết kế Số 
đồ 
Yêu cầu thiết kế 
Mô tả kỹ thuật 
bằng sơ đồ, lưu 
Thiết kế 
Mô phỏng 
Thiết kế hoạt 
động đúng? 
Sửa lại 
thiết kế 
33 
35 
Thử nghiệm thực tế 
Qui trình thiết kế Số 
Kiểm tra 
Thiết kế hoạt động đúng với 
mô tả kỹ thuật? 
Hoàn thành sản phẩm 
Có lỗi 
nhỏ? 
Sửa lại 
thiết kế 
Sửa lỗi 
Ví dụ: đường dữ liệu (data path) của một chip đơn giản 
36 
Ghi chú : học chi tiết hơn trong môn Kiến trúc máy tính 
Máy phân tích luận lý (logic analyzer) có thể hiển thị đồng thời nhiều kênh (channels) của thông tin dạng số và có thể hiển thị giá trị dữ liệu của từng tín hiệu tại từng thời điểm cụ thể trên màn hình hiển thị 
Thiết bị kiểm tra và đo lường 
36 
Chương 1: Giới thiệu 
37 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Các loại chip Số 
38 
Dựa vào đặc điểm, tính năng 
Các chip tiêu chuẩn, cơ bản (Standard chip) 
Chứa một lượng nhỏ các cổng logic 
Thực thi những hàm, chức năng đơn giản (NOT, AND, 
OR,) 
Ví dụ: các chip họ 74xx 
Altera DE2 board with Cyclone II FPGA chip 
Các loại chip Số 
39 
A. Dựa vào đặc điểm, tính năng 
Các chip có khả năng lập trình được ( Programmable Logic Devices ( PLD ) hoặc Field-Programmable Gate Array ( FPGA ) ) 
Tập hợp các cổng chưa được kết nối, việc kết nối giữa các cổng này được lập trình bởi người sử dụng thông qua các CAD tools 
Chức năng của chip có thể được thiết kế bởi người sử dụng 
41 
Các loại chip Số 
A. Dựa vào đặc điểm, tính năng 
Các chip chuyên dụng thực hiện một ứng dụng cụ thể 
(Application-Specific Integrated Circuit ( ASIC )) 
Tối ưu để thực thi một chức năng cụ thể 
Tối ưu về hiệu suất, tốc độ thực thi 
Nhiều mạch logic được tích hợp hơn 
Giá thành cao 
A tray of ASIC chips 
An ASIC-based USB Bitcoin miner. The ASIC 
chip is on the bottom-left of the device 
Các loại chip Số 
41 
Dựa vào độ tích hợp của các cổng logic 
Độ tích hợp nhỏ (Small Scale Integration - SSI ): 
1 đến 20 cổng 
Độ tích hợp trung bình (Medium Scale Integration - MSI ): 
20 đến 200 cổng 
Độ tích hợp lớn (Large Scale Integration - LSI ): 
200 đến 1.000 .000 cổng 
Độ tích hợp cực lớn (Very Large Scale Integration - VLSI ): 
trên 1.000.000 cổng 
Chương 1: Giới thiệu 
42 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trình thiết kế Số (digital design processing) 
Các loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
44 
Những thuật ngữ của Số 
Tương tự (analog):	 tín hiệu được biểu diễn liên tục 
Số (digital):	 biểu diễn một lượng rời rạc hoặc tập hợp của các giá trị rời rạc 
Nhị phân (binary): Một hệ cơ số 2, biểu diễn bằng hai giá trị 0 
hoặc 1 
Bit:	 một ký tự nhị phân, có thể là 0 hoặc 1 
Chip logic lập trình được (programmable logic chip): Một loại chip số có khả năng lập trình được để thực hiện một chức năng cụ 
thể 
Chip logic chức năng cố định (fixed-function logic chip): Những loại chip số có chức năng cố định, không thể thay đổi 
F P GA 
ASIC