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

CHƯƠNG 1
NHẬP MÔN MẠCH SỐ
Giới thiệu tổng quan
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Môn học: Nhập môn Mạch số
Giảng viên: ThS. Hồ Ngọc Diễm
Email: diemhn@uit.edu.vn
Giờ tiếp SV: 15h20 – 16h20, thứ 2, 3, 6 hàng tuần
Địa điểm: P.E6.6
2
Thông tin giảng viên, Sách tham
khảo, Qui định môn học
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Sách tham khảo
3
Kỹ thuật số 1
Nguyễn Như Anh, NXB 
ĐHQG TP.HCM, 2002.
Digital design - Principles and 
Practices, John F. Wakerly, 4th
Edition, Prentice-Hall, 2001.
Digital Systems - principles and 
applications, Ronald J. Tocci, 10th
Edition, Prentice-Hall, 2001.
Thông tin giảng viên, Sách tham
khảo, Qui định môn học
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
THÔNG TIN GIẢNG VIÊN, SÁCH THAM 
KHẢO, QUI ĐỊNH MÔN HỌC
Trọng số đánh giá các phần: 
 Thực hành: 20%
 Kiểm tra giữa kì: 30%
 Thi cuối kì: 50%
4CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Mục tiêu môn học
• 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
5
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Vị trí, đối tượng môn học trong chuỗi
thiết kế và ứng dụng chip
 Vị trí của môn học
6
 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,
 Mạch logic tuần tự: mạch đếm đồng 
bộ, bất đồng bộ, thanh ghi dịch,
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chuỗi các môn học về thiết kế và ứng
dụng chip
• 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
7
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Nhập môn Mạch số
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
8
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
9
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
10
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• 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
11
Tổng quan
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
12
Tổng quan
Nguồn: 
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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.
13
Tổng quan
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14
Tổng quan
Định luật Moore và sự phát triển vi mạch
bán dẫn ngày nay
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tổng quan
 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)
15
Tương tự (Analog) và Số (Digital)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tổng quan
 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.
16
Tương tự (Analog) và Số (Digital)
Analog signal Digital signal
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ
Phân biệt những trường hợp bên dưới thuộc Tương tự hay Số?
(a) Đồng hồ điện tử
(b) Dòng điện ra ngoài một ổ cắm
(c) Nhiệt độ
(d) Điều khiển tăng/giảm âm thanh của Radio
Answer
(a) Số (digital)
(b) Tương tự (analog)
(c) Tương tự (analog)
(d) Tương tự: nếu kiểu xoay/ Số: nếu kiểu bấm nút
18
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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.
19
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Những thuận lợi khi thao tác
trên dữ liệu số
• 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
20
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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.
Những hạn chế khi thao tác
trên dữ liệu số
21
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
ADC DAC
Tương tự (analog)  Số (digital)
22
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Digital data
CD drive
10110011101
Analog
reproduction
of music audio
signal
Speaker
Sound
waves
Digital-to-analog
converter
Linear amplifier
23
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)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24
Tương tự (analog)  Số (digital)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25
Tương tự (analog)  Số (digital)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ thao tác trên dữ liệu số
26
• 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
27
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Những đặc điểm của số
28
• 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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• 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.
29
Những đặc điểm của số
Positive-going pulse Negative-going pulse
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• Giản đồ định thời được dùng để chỉ ra quan hệ giữa hai
hay nhiều dạng sóng kiểu số
30
Giản đồ định thời (timing diagram)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• Dữ liệu Số có thể được truyền giữa hai thiết bị theo kiểu
nối tiếp (serial) hoặc theo kiểu song song (parallel)
31
Dữ liệu nối tiếp (serial data) và
song song (parallel data)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
32
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
33
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)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
34
Qui trình thiết kế Số
Yêu cầu thiết kế
Mô tả kỹ thuật
bằng sơ đồ, lưu đồ
Thiết kế
Mô phỏng
Thiết kế hoạt
động đúng?
Sửa lại
thiết kế
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ: đường dữ liệu (data path) 
của một chip đơn giản
36Ghi chú: học chi tiết hơn trong môn Kiến trúc máy tính
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• 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
37
Thiết bị kiểm tra và đo lường
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
38
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
1. 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
39
Các loại chip Số
A. Dựa vào đặc điểm, tính năng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2. 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
40
Altera DE2 board with Cyclone II FPGA chip
Các loại chip Số
A. Dựa vào đặc điểm, tính năng
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3. 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
41
Các loại chip Số
A. Dựa vào đặc điểm, tính năng
A tray of ASIC chips
An ASIC-based USB Bitcoin miner. The ASIC 
chip is on the bottom-left of the device
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
• 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
42
Các loại chip Số
B. Dựa vào độ tích hợp của các cổng logic
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chương 1: Giới thiệu
• 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
43
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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
FPGA
ASIC
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
THẢO LUẬN ???
45
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt