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

NHẬP MễN MẠCH SỐ 
CHƯƠNG 1 
Giới thiệu tổng quan 
Sỏch 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. 
Thụng tin giảng viờn, Sỏch tham khảo, Qui định mụn học 
2 
THễNG TIN GIẢNG VIấN, SÁCH THAM KHẢO, QUI ĐỊNH MễN HỌC 
3 
Trọng số đỏnh giỏ cỏc phần: 
Thực hành:	 20% 
Kiểm tra giữa kỡ: 30% 
Thi cuối kỡ: 50% 
Mục tiờu mụn học 
4 
Hiểu được luận lý số (digital logic) ở mức cổng (gate level) và mức chuyển mạch (switch level) của cỏc thành phần logic tổ hợp (combinational logic) và logic tuần tự (sequential logic) 
Thiết kế và thực thi cỏc mạch logic tổ hợp và tuần tự 
Phõn tớch được cỏc mạch logic số từ đơn giản đến phức tạp 
Biết sử dụng cỏc cụng cụ (tools) hỗ trợ và cỏc Kit thực hành trong thiết kế logic Số 
Vị trớ, đối tượng mụn học trong chuỗi 
thiết kế và ứng dụng chip 
Vị trớ của mụn học 
Đối tượng mụn học: 
Cổng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, 
Chốt, Flip-flop, thanh ghi (register) 
Mạch logic tổ hợp: cộng, trừ, so 
sỏnh, chọn kờnh, phõn kờnh, 
5 
Mạch logic tuần tự: mạch đếm đồng 
bộ, bất đồng bộ, thanh ghi dịch, 
Chuỗi cỏc mụn học về thiết kế và ứng dụng chip 
6 
Toỏn rời rạc 
Nhập mụn mạch số 
Kiến trỳc mỏy tớnh 
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 nhỳng 
Vi xử lý – Vi điều khiển 
Nhập mụn Mạch số 
7 
Nội dung mụn học: 
Chương 1: Giới thiệu 
Chương 2: Biểu diễn số trong cỏc hệ cơ số khỏc nhau 
Chương 3: Đại số Boolean và cỏc cổng luận lý (logic gates) 
Chương 4: Mạch logic và đỏnh giỏ 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 trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Chương 1: Giới thiệu 
9 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Cụng nghệ vi điện tử hay vi mạch tớch hợp đó cú cuộc cỏch mạng to lớn trờn thế giới với cỏc thiết bị thụng minh ra đời: laptop, mỏy tớnh bảng, điện thoại thụng minh, 
internet,  
Nền cụng nghiệp bỏn dẫn đó cú doanh thu tăng vượt bậc, từ 21 tỷ đụ la năm 1985 đến 324 tỷ đụ la năm 2012 
10 
Tổng quan 
Robert Noyce, 1927 - 1990 
Biệt danh “ụng chủ của thung lũng Silicon” (Mayor of Silicon Valley) 
Đồng sỏng lập cụng ty bỏn dẫn Fairchild năm 1957 
Đồng sỏng lập cụng ty Intel năm 1968 
với Gordon Moore 
Đồng phỏt minh ra mạch tớch hợp (integrated circuit) với Jack Kilby 
Tổng quan 
11 
Nguồn:  
Gordon Moore, 1929 - 
Đồng sỏng lập cụng ty Intel năm 1968 với Robert Noyce 
Tỏc giả của định luật Moore (Moore’s law) nổi tiếng: 
Số lượng transistor trờn mạch tớch hợp sẽ tăng xấp xỉ gấp đụi sau mỗi 2 năm (  ) 
Định luật Moore được phỏt biểu năm 1965. 
Tổng quan 
12 
Tổng quan 
13 
Định luật Moore và sự phỏt triển vi mạch bỏn dẫn ngày nay 
Tổng quan 
14 
Tương tự (Analog) và Số (Digital) 
Cỏc thiết bị và hệ thống Tương tự (Analog) 
Xử lý trờn cỏc tớn hiệu liờn tục (vớ dụ: tớn hiệu õm thanh truyền 
đến một Micro) 
Cỏc thiết bị và hệ thống Số (Digital) 
Xử lý trờn cỏc giỏ trị rời rạc của tớn hiệu tại mỗi thời điểm, giỏ trị này hoặc bằng 0 hoặc bằng 1(vớ dụ: sự sỏng hay tắt của một búng đốn) 
Tổng quan 
Tương tự (Analog) và Số (Digital ) 
Hệ thống Tương tự (analog system) thường tiờu tốn nhiều cụng suất hơn hệ thống Số (digital system) 
Hệ thống Số cú thể xử lý, lưu trữ và truyền dữ liệu hiệu quả hơn hệ thống Tương tự, nhưng nú chỉ cú thể xử lý tớn hiệu tại mỗi thời điểm riờng biệt. 
Analog signal 
Digital signal 
15 
Tổng quan 
Tớn hiệu tương tự 
(Analog signal) 
Điện ỏp trờn dõy dẫn của một Microphone 
Âm thanh truyền đến một Microphone 
Tớn hiệu số 
(Digital signal) 
- Nỳt nhấn trờn một bàn phớm 
16 
Vớ dụ 
Phõn biệt những trường hợp bờn dưới thuộc Tương tự hay Số? 
Đồng hồ điện tử 
Dũng điện ra ngoài một ổ cắm 
Nhiệt độ 
Cỏt trờn bói biển 
Điều khiển tăng/giảm õm 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 nỳt 
17 
Cỏc thiết bị và hệ thống số ngày nay 
Ngày nay, thuật ngữ “Số” hoặc “kỹ thuật số” đó trở nờn rất quen thuộc thụng qua cỏc sản phẩm được sử dụng rộng rói: computer, điện thoại thụng minh, mỏy tớnh bảng, mỏy nghe nhạc, mỏy chụp hỡnh/quay phim, tự động húa, robots, giao thụng, truyền thụng và giải trớ. 
18 
Những thuận lợi khi thao tỏc trờn dữ liệu số 
19 
Dễ thiết kế 
Thụng tin được lưu trữ dễ dàng 
Độ chớnh xỏc cao và ớt bị tỏc động bởi nhiễu (noise) 
Cú thể lập trỡnh được 
Tốc độ đỏp ứng nhanh 
Nhiều mạch số cú thể chế tạo thành cỏc Chip 
Cỏc tớn hiệu/thành phần trong thế giới thực chủ yếu tồn tại ở dạng tương tự (analog): nhiệt độ, ỏp xuất, õm thanh, tốc độ, 
Việc chuyển dữ liệu từ dạng tương tự (analog) về dạng dữ liệu số (digital) để xử lý, thụng thường 3 bước sau được ỏp dụng: 
Chuyển tớn hiệu tương tự từ thực tại về hỡnh thức số 
Xử lý trờn dữ liệu thuộc dạng số 
Chuyển dữ liệu số ở ngừ ra về lại hỡnh thức tương tự rồi xuất 
kết quả ra bờn ngoài. 
20 
Những hạn chế khi thao tỏc trờn 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 tớn hiệu tương tự và tớn hiệu số để đạt mục đớch mong muốn. 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
23 
Tương tự (analog)  Số (digital) 
24 
Vớ dụ thao tỏc trờn dữ liệu số 
Nộn audio/video để giảm dung lượng: MP3, MP4, 
Một CD cú thể lưu trữ 20 bài hỏt khi khụng nộn, nhưng cú thể lưu trữ 200 bài hỏt đó nộn dữ liệu. 
Nộn dữ liệu số cũng được dựng trong xử lý ảnh: JPEG, PNG,  
Một vớ dụ về cỏch thức nộn dữ liệu 
25 
Chương 1: Giới thiệu 
26 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Những đặc điểm của số 
Trạng thỏi 
Cao (High): điện ỏp từ 2V đến 5V 
Thấp (Low): điện ỏp từ 0V đến 0.8V 
Khụng xỏc định (Invalid): điện ỏp từ 0.8V đến 2V 
Cú thể tạo ra lỗi (error) trong mạch số 
27 
Dạng súng 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 nú chuyển từ mức logic thấp (low) đến mức logic cao (high). Ngược lại được gọi là xung chuyển mức õm (negative-going pulse). 
Dạng súng kiểu số được hỡnh thành từ cỏc chuỗi xung kết hợp lại. 
Những đặc điểm của số 
Positive-going pulse 
Negative-going pulse 
28 
Giản đồ định thời được dựng để chỉ ra quan hệ giữa hai hay nhiều dạng súng kiểu số 
Giản đồ định thời (timing diagram) 
29 
Dữ liệu nối tiếp (serial data) và 
song song (parallel data) 
Dữ liệu Số cú 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 trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Qui trỡnh thiết kế Số 
Truyền thống 
Dựa vào cỏc mụ hỡnh toỏn học 
Sử dụng cỏc phương phỏp phõn tớch 
Qui định cỏc ràng buộc 
Hữu ớch với cỏc thiết kế nhỏ 
Khụng phự hợp với cỏc thiết kế lớn trong thực tế 
CAD (Computer-Aided Design): 
Thiết kế dựa vào mỏy tớnh 
Sử dụng phần mềm dựa trờn mụ hỡnh toỏn học và cỏc phương phỏp phõn tớch 
Dễ dàng, tiện lợi cho người sử 
dụng 
Nhiều chi tiết được trừu tượng húa 
Rất phự hợp cho cỏc thiết kế trong thực tế (thiết kế phức tạp) 
32 
Qui trỡnh thiết kế Số 
đồ 
Yờu cầu thiết kế 
Mụ tả kỹ thuật 
bằng sơ đồ, lưu 
Thiết kế 
Mụ phỏng 
Thiết kế hoạt 
động đỳng? 
Sửa lại 
thiết kế 
33 
35 
Thử nghiệm thực tế 
Qui trỡnh thiết kế Số 
Kiểm tra 
Thiết kế hoạt động đỳng với 
mụ tả kỹ thuật? 
Hoàn thành sản phẩm 
Cú lỗi 
nhỏ? 
Sửa lại 
thiết kế 
Sửa lỗi 
Vớ dụ: đường dữ liệu (data path) của một chip đơn giản 
36 
Ghi chỳ : học chi tiết hơn trong mụn Kiến trỳc mỏy tớnh 
Mỏy phõn tớch luận lý (logic analyzer) cú thể hiển thị đồng thời nhiều kờnh (channels) của thụng tin dạng số và cú thể hiển thị giỏ trị dữ liệu của từng tớn hiệu tại từng thời điểm cụ thể trờn màn hỡnh 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 trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
Cỏc loại chip Số 
38 
Dựa vào đặc điểm, tớnh năng 
Cỏc chip tiờu chuẩn, cơ bản (Standard chip) 
Chứa một lượng nhỏ cỏc cổng logic 
Thực thi những hàm, chức năng đơn giản (NOT, AND, 
OR,) 
Vớ dụ: cỏc chip họ 74xx 
Altera DE2 board with Cyclone II FPGA chip 
Cỏc loại chip Số 
39 
A. Dựa vào đặc điểm, tớnh năng 
Cỏc chip cú khả năng lập trỡnh được ( Programmable Logic Devices ( PLD ) hoặc Field-Programmable Gate Array ( FPGA ) ) 
Tập hợp cỏc cổng chưa được kết nối, việc kết nối giữa cỏc cổng này được lập trỡnh bởi người sử dụng thụng qua cỏc CAD tools 
Chức năng của chip cú thể được thiết kế bởi người sử dụng 
41 
Cỏc loại chip Số 
A. Dựa vào đặc điểm, tớnh năng 
Cỏc chip chuyờn 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 tớch hợp hơn 
Giỏ thành cao 
A tray of ASIC chips 
An ASIC-based USB Bitcoin miner. The ASIC 
chip is on the bottom-left of the device 
Cỏc loại chip Số 
41 
Dựa vào độ tớch hợp của cỏc cổng logic 
Độ tớch hợp nhỏ (Small Scale Integration - SSI ): 
1 đến 20 cổng 
Độ tớch hợp trung bỡnh (Medium Scale Integration - MSI ): 
20 đến 200 cổng 
Độ tớch hợp lớn (Large Scale Integration - LSI ): 
200 đến 1.000 .000 cổng 
Độ tớch hợp cực lớn (Very Large Scale Integration - VLSI ): 
trờn 1.000.000 cổng 
Chương 1: Giới thiệu 
42 
Tổng quan 
Những đặc điểm của Số (digital features) 
Qui trỡnh thiết kế Số (digital design processing) 
Cỏc loại chip Số 
Những thuật ngữ của Số 
44 
Những thuật ngữ của Số 
Tương tự (analog):	 tớn hiệu được biểu diễn liờn tục 
Số (digital):	 biểu diễn một lượng rời rạc hoặc tập hợp của cỏc giỏ trị rời rạc 
Nhị phõn (binary): Một hệ cơ số 2, biểu diễn bằng hai giỏ trị 0 
hoặc 1 
Bit:	 một ký tự nhị phõn, cú thể là 0 hoặc 1 
Chip logic lập trỡnh được (programmable logic chip): Một loại chip số cú khả năng lập trỡnh được để thực hiện một chức năng cụ 
thể 
Chip logic chức năng cố định (fixed-function logic chip): Những loại chip số cú chức năng cố định, khụng thể thay đổi 
F P GA 
ASIC