Bài giảng Nhập môn mạch số - Chương 1: Giới thiệu - Trần Văn Cường

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
NHẬP MÔN MẠCH SỐ
211/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Thông tin chung môn học
Môn học: Nhập môn Mạch số
Giảng viên: 
 Email: 
Giờ tiếp SV: 
 Địa điểm:
3Kỹ 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.
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Thông tin chung môn học
 Sách tham khảo
411/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Thông tin chung môn học
 Trọng số đánh giá môn học
Thực hành: 20%
Kiểm tra giữa kì: 20%
Quá trình: 10%
Thi cuối kì: 50%
Mục tiêu môn học
5
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
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,
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Chuỗi các môn học về thiết kế và ứng dụng chip
7
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
811/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Nhập môn mạch số
 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
911/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
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
 Tóm tắt nội dung chương học
10
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
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
 Tóm tắt nội dung chương học
Tổng quan
 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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
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
Nguồn: 
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tổng quan
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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tổng quan
14
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tổng quan
 Định luật Moore và sự phát triển vi mạch bán dẫn ngày
nay
Tổng quan
15
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
16Analog signal Digital signal
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
❖ Tín hiệu tương tự
(Analog signal)
- Điện áp trên dây dẫn của một Microphone
- Âm thanh truyền đến một Microphone
17
❖ Tín hiệu số
(Digital signal)
- Nút nhấn trên một bàn phím
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tổng quan
Ví dụ
Answer
(a) Số (digital)
(b) Tương tự (analog)
(c) Tương tự (analog)
(d) Tương tự: nếu kiểu xoay/ Số: nếu kiểu bấm nút
18
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved. 18
 Phân biệt 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
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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved. 19
Những thuận lợi khi thao tác trên dữ liệu số
20
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved. 20
 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.
21
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved. 21
Những hạn chế khi thao tác trên dữ liệu số
ADC DAC
2211/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved. 22
Tương tự (analog)  Số (digital)
Digital data
CD drive
10110011101
Analog
reproduction
of music audio
signal
Speaker
Sound
waves
Digital-to-analog
converter
Linear amplifier
23
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tương tự (analog)  Số (digital)
 Nhiều hệ thống kết hợp giữa xử lý tín hiệu tương tự và
tín hiệu số để đạt mục đích mong muốn.
24
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tương tự (analog)  Số (digital)
25
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tương tự (analog)  Số (digital)
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.
26
Một ví dụ về cách thức nén dữ liệu
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Chương 1: Giới thiệu
27
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
 Tóm tắt nội dung chương học
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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Những đặc điểm của số
 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.
29Positive-going pulse Negative-going pulse
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 Giản đồ định thời được dùng để chỉ ra quan hệ giữa hai
hay nhiều dạng sóng kiểu số
30
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Giản đồ định thời
 Dữ liệu Số có thể được truyền giữa hai thiết bị theo kiểu nối
tiếp (serial) hoặc theo kiểu song song (parallel)
31
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Dữ liệu nối tiếp (serial data) và song song
(parallel data)
Chương 1: Giới thiệu
32
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
 Tóm tắt nội dung chương học
33
❖ 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)
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Quy trình thiết kế số
34
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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Quy trình thiết kế số
35
Thử nghiệm
thực tế
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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Quy trình thiết kế số
Ví dụ: đường dữ liệu (data path) của một
chip đơn giản
36
Ghi chú: học chi tiết hơn trong môn Kiến trúc máy tính11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Thiết bị kiểm tra và phân tích tín hiệu
Chương 1: Giới thiệu
38
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
 Tóm tắt nội dung chương học
39
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Các loại chip số
 Dựa vào đặc điểm và 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
40
Altera DE2 board with Cyclone II FPGA 
chip
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 Dựa vào đặc điểm và 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
Các loại chip số
41
A tray of ASIC chips
An ASIC-based USB Bitcoin miner. The 
ASIC chip is on the bottom-left of the device
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Các loại chip số
 Dựa vào đặc điểm và 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
42
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Các loại chip số
 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
43
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
 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
 Tóm tắt nội dung chương học
44
 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
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Những thuật ngữ
45
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.
Tóm tắt nội dung chương học
 Qua Chương 1, sinh viên cần nắm những nội dung chính
sau:
Tại sao mình cần học kiến thức Nhập môn mạch số. Kiến thức
này liên quan đến ngành mình học như thế nào?
Tín hiệu tương tự, Tín hiệu số khác nhau như thế nào? Mạch
tương tự và Mạch số khác nhau như thế nào?
Sự liên quan giữa Kiến thức Nhập môn mạch số và Máy tính
Quy trình thiết kế một mạch số, hoặc lớn hơn nữa là thiết kế
một máy tính
THẢO LUẬN ???
46
11/2/2017 Copyrights 2016 UIT-CE. All Rights Reserved.