Tải bản đầy đủ (.pdf) (32 trang)

TÌM HIỂU CÁC MẠCH CẤU THÀNH ALU

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (672.02 KB, 32 trang )

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
BỘ MƠN: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
---BÁO CÁO ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI: 02

Thành viên thực hiện
1.Nguyễn Văn Hoàng Anh
MSSV: 2001207387
2.Lê Hoài Anh
MSSV: 2001190408
3.Trần Minh Quân
MSSV: 2001207294
4.Đỗ Văn Thao
MSSV: 2001207293


ĐỀ TÀI 02
TÌM HIỂU CÁC MẠCH CẤU THÀNH ALU


MỤC TIÊU
-

Trang bị thêm kiến thức về mạch số :
+

Đại số BOOL.

+


Cổng cơ bản.

+

Các mạch thực hiện phép toán số học : cộng, trừ, nhân, chia,…( mức 4 bit, 8 bit ).

+

Các mạch thực hiện phép toán logic: and, or, not, …(mức 4 bit, 8 bit ).

+

Minh họa trên phần mềm mô phỏng.


NỘI DUNG
I. TÌM HIỂU VỀ BỘ VI XỬ LÍ INTEL 4004.
II. LÝ THUYẾT VỀ CỔNG CƠ BẢN.
III. THIẾT KẾ BIỂU THỨC LOGIC.
1.

Các phép toán số học và phép toán ở đại số Bool.

2.

Thiết lập biểu thức Logic.

3.

Thực hiện mạch từ biểu thức Logic.

IV. CÁC ĐỊNH LÝ ĐẠI SỐ BOOL.
V. SỰ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC LOẠI CỔNG LOGIC.
VI. ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LÝ BOOL ĐỂ RÚT GỌN BIỂU THỨC LOGIC.
VII. BỘ XỬ LÝ LOGIC VỀ TOÁN HỌC (ALU - Arithmetic and Logic Unit)


I.
-

TÌM HIỂU VỀ BỘ VI XỬ LÍ INTEL 4004.
Tốc độ xung nhịp tối đa là 740 kHz . 4004 có xếp hạng xung nhịp tối đa này khi phát hành lần đầu tiên năm 1971
Thời gian chu kỳ lệnh: tối thiểu 10,8 μs (8 chu kỳ đồng hồ / chu kỳ máy)
Thời gian thực hiện lệnh 1 hoặc 2 chu kỳ máy (10,8 hoặc 21,6 μs), 46250 đến 92500 lệnh mỗi giây.
-

-

-

Việc thêm hai số có 8 chữ số (mỗi số 32 bit, giả sử các chữ số BCD 4 bit) sẽ mất 850 μs được xác nhận quyền sở hữu hoặc
khoảng 79 chu kỳ máy (632 tích tắc đồng hồ), trung bình chỉ dưới 10 chu kỳ (80 tích tắc) cho mỗi cặp chữ số và tốc độ hoạt
động là 1176 × 8 phép cộng 8 chữ số mỗi giây 
Chương trình và dữ liệu lưu trữ riêng biệt. Tuy nhiên, trái ngược với các thiết kế kiến trúc Harvard, sử dụng các bus riêng biệt ,
4004, với nhu cầu luôn đếm ngược của nó, sử dụng một bus 4 bit ghép kênh duy nhất để truyền:
-

Địa chỉ 12 bit

-


Hướng dẫn 8 bit

Từ dữ liệu 4 bit
Có khả năng giải quyết trực tiếp 5120 bit (tương đương 640 byte) RAM, được lưu trữ dưới dạng 1280 "ký tự" 4 bit và được tổ chức
thành các nhóm đại diện cho 1024 "dữ liệu" và 256 ký tự "trạng thái" (512 và 128 byte).
Có khả năng giải quyết trực tiếp 32,768 bit ROM, tương đương và được sắp xếp dưới dạng 4096 từ 8 bit (tức là byte). 
Bộ lệnh chứa 46 lệnh (trong đó 41 lệnh rộng 8 bit và 5 lệnh rộng 16 bit)
Tập thanh ghi chứa 16 thanh ghi, mỗi thanh ghi 4 bit
Ngăn xếp chương trình con bên trong , sâu 3 cấp.


- Các cấp độ logic
Biểu tượng

Min

Max

Đơn vị

V SS - DD

+ 15-5%

+ 15 + 5%

V

V IL


V DD

V SS −5,5

V

V IH

V SS −1,5

V SS +0,3

V

V CV

V SS −12

V SS −6,5

V

V OH

V SS −0,5

V SS

V



- Sơ đồ khối kiến trúc Intel 4004


- Sơ đồ nhân chip intel 4004 DIP


II.

LÝ THUYẾT VỀ CỔNG CƠ BẢN

1. Cổng AND
-

Một cổng AND có 2 đầu vào và 1 đầu ra. Mỗi giá trị này có thể có giá trị 0 hoặc 1 và giá trị
đầu ra phụ thuộc vào 2 giá trị đầu vào. Đầu ra chỉ là 1 khi cả hai giá trị đầu vào là 1 (Giống
như mạch điện gồm 2 công tắc nối tiếp với một bóng đèn, chỉ khi cả hai cơng tắc đóng thì
bóng đền mới sáng) . Dưới đây là  mơ hình và bảng chân lý cho một cổng AND.


2. Cổng OR
-

Cổng OR là gì một loại mạch logic kỹ thuật số mà đầu ra của nó chỉ ở mức CAO
đến mức logic 1 khi một hoặc nhiều đầu vào của nó ở mức CAO. ... Biểu thức
Boolean đưa ra cho cổng logic OR đới ới phép cộng được ký hiệu bằng dấu cộng ( +
) cho ra biểu thức Boolean của: A + B = Q.


3.


Cổng NOT
-

Cổng NOT là cổng cơ bản nhất của tất cả các cổng logic và thường được gọi là Bộ đệm đảo.
Cổng NOT đảo là ngõ vào tín hiệu đơn có mức đầu ra thường ở mức logic “1” và đi “THẤP”
đến mức logic “0” khi đầu vào duy nhất của nó ở mức logic “1”, nói cách khác là “ inverts ”(bổ
sung) tín hiệu đầu vào của nó. Đầu ra từ cổng NOT chỉ trả về “HIGH” một lần nữa khi đầu vào
của nó ở mức logic “0” cho chúng ta biểu thức Boolean của:  phủ của A  = Q. Sau đó, chúng ta
có thể xác định hoạt động của cổng NOT logic kỹ thuật số đầu vào duy nhất như sau:
“Nếu A KHƠNG đúng, thì Q đúng”.


4.
-

Cổng XOR
Cổng XOR là một khối xây dựng cơ bản của các mạch mật mã vì logic XOR hoạt động như một mật
mã đơn giản, tức là thực hiện XOR của một thơng điệp số hóa bằng khóa nhị phân tạo ra bản mã được
mã hóa. Thực hiện XOR bản mã với cùng một khóa sẽ tái tạo thơng điệp gốc


5. Cổng NAND
­

­

Cổng NAND ( NOT-AND ) là cổng logic tạo ra đầu ra chỉ sai nếu tất cả các đầu vào của nó là đúng; do
đó đầu ra của nó là phần bù cho cổng AND. Kết quả đầu ra THẤP (0) chỉ cho kết quả nếu tất cả các
đầu vào vào cổng là CAO (1); nếu bất kỳ đầu vào nào là THẤP (0), kết quả đầu ra là CAO (1). Một

cổng NAND được tạo ra bằng cách sử dụng bóng bán dẫn và diode đường giao nhau. Theo định lý De
Morgan, logic của cổng NAND hai đầu vào có thể được biểu thị là AB = A + B, làm cho cổng NAND
tương đương với các bộ nghịch lưu theo sau là cổng OR
Cổng NAND rất quan trọng vì bất kỳ hàm bool nào cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng kết
hợp các cổng NAND. Thuộc tính này được gọi là tính hồn chỉnh của hàm. Nó chia sẻ tài sản này
với cổng NOR. Các hệ thống kỹ thuật số sử dụng các mạch logic nhất định sẽ tận dụng được tính hồn
chỉnh về chức năng của NAND.


III. THIẾT KẾ BIỂU THỨC LOGIC.
1. Các phép toán số học và phép toán ở đại số Bool
1.1 Các phép toán số học:
 Phép cộng
Phép cộng tương tự như với các hệ số thập phân theo quy tắc sau:
0+0=0,
0+1=1,
1+0=1,
1+1=0 nhớ 1
 Phép trừ
Phép trừ được thực hiện tương tự như với các hệ số thập phân .
 Phép nhân
Phép nhân được thực hiện tương tự như nhân 2 số với hệ thập phân theo quy tắc sau:
0*0=0,
0*1=0,
1*0=0,
1*1=1
Bởi vì các đại lượng chỉ có hai trạng thái nên đại số Boole rất khác đại số thường và dễ tính tốn hơn. Ở đại số Boole khơng
có phân số, số thập phân, số ảo, số phức, căn số… mà chỉ thực hiện chủ yếu 3 phép tính tốn cơ bản sau:
 +Phép OR
+Phép  AND

+Phép phủ định NOT
Các phép tính trên khi áp dụng cho logic 0 và 1:


2. Thiết lập biểu thức Logic.
Lập hàm logic cho từng cổng ta đã biết cho bất cứ kết nối nào của các cổng. Từ biểu thức biết được ta có
thể tính logic ra tương ứng với mỗt tổ hợp logic vào, và lập bảng sự thật của các ngõ vào (biến số) và ngõ
ra (hàm). Để tính logic ra tương ứng với một tổ hợp logic và ta thường là tính thẳng trên mạch.
Ví dụ:

Ví dụ với mạch trên với 4 ngõ vào nên ta có tổng cộng 16 tổ hợp vào nên ta phải tính 16 trạng thái ra
khác nhau mới lập được bảng sự thật (Truth Table).


3. Thực hiện mạch từ biểu thức logic
-

Ngược lại với viết biểu thức từ mạch là thực hiện mạch từ biểu thức logic. Ví dụ cho biểu thức logic
cho là: nhìn vào biểu thức ta thấy ngõ ra là OR của 3 số hạng nên ta thực hiện mỗi số hạng Y trước.
Với số hạng đầu ta dùng AND, số hạng thứ 2 ta ĐẢO C sau đó AND với B, số hạng thứ 3 ta cũng
thực hiện tương tự , sau cùng ta OR 3 ba số hạng lại.


IV. CÁC ĐỊNH LÝ ĐẠI SỐ BOOL
+

Một biến số.

+


Giao hoán : AB = BA , A+B = B+A.

+

Phối hợp : ABC = A(BC) = (AB)C,

A+B+C = (A+B)+C = A+(B+C).

+

Phân phối : A(B+C) = AB+AC,

(A+B)(C+D) = AC+AD+BC+BD.


Một số đẳng thức hữu dụng


Định lý De Morgan

Các định lý của đại số Boole được chứng minh hay kiểm chứng bằng nhiều cách. Các cách chứng minh
hay kiểm chứng này tương đối đơn giản, người đọc có thể tự chứng minh hay kiểm chứng.


Ví dụ 1: Thiết kế mạch dùng hai cổng logic thỏa bảng sự thật sau đây

Giải ví dụ 1
 



V.

SỰ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC LOẠI CỔNG LOGIC
- Các cổng logic có thể chuyển dổi qua lại lẫn nhau từ cổng này thành cổng khác. Để thuận tiện cho việc thiết kế
mạch logic nên phải chuyển đổi giữa các cổng với nhau, chủ yếu là chuyển đổi AND thành OR và ngược lại,
chuyển đổi AND – OR thành NAND – NAND. Đa số các bài toán thiết kế logic đều yêu  cầu sử dụng cổng
NAND(việc chế tạo cổng NAND đơn giản hơn các cổng khác). Để thuận lợi cho việc chuyển đổi cần phải nắm
vững các định lý của đại số Boole và đặc biệt là định lý De Morgan.
Sau đây là một số chuyển đổi giữa các cổng với nhau:


VI. ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LÝ BOOL ĐỂ RÚT GỌN BIỂU THỨC LOGIC.



 Các định lý Boole giúp đơn giản các biểu thức logic. Việc đơn giản là cần thiết để mạch thiết kế thực

hiện đơn giản và kinh tế hơn. Rút gọn biểu thức là vận dụng các định lý từ hàm một biến cho đến
hàm nhiều biến và những đẳng thức hữu dụng. Đặt biệt là hai định lý De Morgan giúp ích cho rất
nhiều trong việc rút gọn biểu thức logic và cũng là cơng cụ chính để chuyển đổi các dạng mạch. Để
việc rút gọn biểu thức logic và chuyển đổi mạch dể dàng cần phải nắm vững các định lý của đại số
Boole và phải thông thạo chuyển đổi giữa các cổng logic.
Ví dụ 2: Rút gọn các biểu thức sau:

Giải:
a)



Ví dụ  3 :


Giải:
=
=)
=
Ngồi việc rút gọn biểu thức logic bằng đại số boole, còn sử dụng đại số boole để đơn giản mạch
logic. Để đơn giản mạch logic ta làm các bước sau:
– Từ mạch logic xác định biểu thức cho ngõ ra của mạch
– Sau khi xác định được hàm ngõ ra, tiến hành rút gọn biểu thức bằng cách dùng các định lý của đại
số boole, đặc biệt là sử dụng định lý De Morgan.
– Sau khi được biểu thức mới, chúng ta có được mạch logic mới tương đương với mạch logic đã cho.


Ví dụ 5: Đơn giản mạch.

Giải:

Trước tiên ta viết biểu thức logic cho ngõ ra:

Rút gọn biểu thức ta được:
Từ biểu thức vừa rút gọn được ta thành lập được mạch logic mới như hình 1.32b


VII. BỘ XỬ LÝ LOGIC VỀ TOÁN HỌC (ALU - Arithmetic and Logic Unit)
1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động.




ALU là một kết hợp logic mạch, nghĩa là đầu ra của nó sẽ thay đổi khơng đồng bộ để đáp ứng với

những thay đổi đầu vào. Trong hoạt động bình thường, tín hiệu ổn định được áp dụng cho tất cả các
đầu vào ALU và khi đủ thời gian (được gọi là "sự chậm trễ truyền bá") đã chuyển cho các tín hiệu
truyền qua mạch ALU, kết quả của hoạt động ALU xuất hiện ở các đầu ra ALU. Mạch bên ngoài
được kết nối với ALU chịu trách nhiệm đảm bảo sự ổn định của tín hiệu đầu vào ALU trong suốt quá
trình hoạt động và cho phép đủ thời gian để các tín hiệu truyền qua ALU trước khi lấy mẫu kết quả
ALU. 
Nói chung, mạch bên ngồi điều khiển ALU bằng cách áp dụng các tín hiệu cho các đầu vào của nó.
Thơng thường, mạch bên ngồi sử dụng logic tuần tự để kiểm soát hoạt động ALU, được thực hiện
bởi tín hiệu đồng hồ tần số đủ thấp để đảm bảo đủ thời gian cho các đầu ra ALU hoạt động trong các
điều kiện trường hợp xấu nhất.


×