Bài giảng gốc môn kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính
Nội dung môn học:Cung cấp cho sinh viên một cách nhìn tổng quát cấu tạo
bên trong máy tính và ph-ơng thức làm việc của máy tính.
Điều kiện ban đầu: có khái niệm và hiểu biết tối thiểu về kỹ thuật mạch
điện tử, khái niệm về xung và kỹ thuật số.
Tài liệu tham khảo:
Kỹ thuật vi xử lý: NXB thống kê 1983
Giáo trình kiến trúc máy tính: Vũ Chấn H-ng, NXB Giao thông vận tải
Kiến trúc máy tính: Nguyễn Đình Việt, NXB Giáo dục
Điều khiển và nối ghép các thiết bị ngoại vi: Trần Bá Thái, NXB thống kê
1987
Bên trong máy tính PC hiện đại: Phạm Hoàng Dũng, Hoàng Đức Hải NXB
khoa học và kỹ thuật.
Nội dung ch-ơng trình
Ch-ơng I: Các phần tử và các khâu cơ bản trong máy tính điện tử
Ch-ơng II: Các tổ hợp kỹ thuật số trong máy tính điện tử
Ch-ơng III: Biểu diễn thông tin trong máy tính.
Ch-ơng IV: Máy tính điện tử.
Ch-ơng V: Kiến trúc trong và nguyên lý làm việc của các khối trong máy
tính PC.
Ch-ơng VI: Thiết bị ngoại vi

1


Ch-ơng I:
Các phần tử cơ bản và các khâu cơ bản
trong máy tính Điện tử
1.1. Xung và cách tạo xung trong kỹ thuật số.
Ta biết rằng những đại l-ợng vật lý nh- điện áp hay dòng điện có thể biến
đổi liên tục có chu kỳ hay không có chu kỳ và có khi là điện áp hay dòng điện

luôn là hằng số xét trong một khoảng thời gian hữu hạn t0 đến tm nào đó.
Ta có định nghĩa Xung: Xung điện là những điện áp hoặc dòng điện tồn tại
trong một khoảng thời gian rất ngắn có thể so sánh đ-ợc với quá trình quá độ
trong mạch điện mà chúng tác dụng
1.1.1 Các thông số đặc tr-ng của tín hiệu Xung:
Xung hình thang lý t-ởng:
U,I
c

UH, IH

d
Um
b

a
o

ta

t

Hình 1.1
Ta có khái niệm sau: a,b là đáy xung, c, d là đỉnh xung, a, c là s-ờn lên và
d, b là s-ờn xuống của xung, Um là biên độ xung.
Xung hình thang trong thực tế.
Do các mạch điện tử khuếch đại xung hay đóng, mở, truyền dẫn xung đều
có giá trị điện dung, hay điện cảm mà xung hình thang trong thực tế sẽ có dạng
thực tế nh- sau:
U

b1
U

0,5
Um
0,1
Um

0,9
Um

U

TX

m

t0

ts

t b
t2 s t3 2

t1
Hình 1.2
2

t

Ta có đỉnh xung tại thời điểm t1 có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0,9 Um và giá
trị điện áp hay dòng điện tại thời điểm t0 hay t3 nhỏ hơn 0,1 Um là đáy xung
Khoảng thời gian biến đổi từ 0,1 - 0,9Um gọi là thời gian lên của xung.
Khoảng thời gian biến đổi từ 0,9 - 01Um gọi là thời gian xuống của xung.
Khoảng thời gian trung bình ứng với điểm 0,5Um là Tx gọi là độ rộng của
xung.
U là độ tụt áp đỉnh xung
b1 là b-ớu ®Ønh xung
b2 lµ b-íu sau khi kÕt thóc xung
+ Xung vuông góc
Đình nghĩa: nếu thời gian tt và ts rất nhỏ so với Tx thì ta có xung vuông
U

t
Hình 1.3
+ Xung răng c-a.
Là xung có giá trị điện áp của s-ờn tr-ớc và s-ờn sau biến đổi liên tục và
đỉnh xung là điểm biến đổi giá trị điện áp giữa s-ờn lên và s-ờn xuống của xung.

U

t
t2
Hình 1.4
Nếu tt =ts thì ta có xung tam giác
+ Xung hàm số mũ hay còn gọi là xung đinh
Là dạng xung có một s-ờn đột biến và một s-ờn biến thiên theo quy luật
hàm số mũ (H 1.5)
t1

U

e-t/x
Hình 1.5
t

3


Với x là giá trị tham số của mạch phụ thuộc vào các đại l-ợng R và C của
mạch xung.
B-ớc nhảy: Là sự chuyển rất nhanh của điện áp hoặc dòng điện giữa hai
mức cao H và mức thấp L.
Nếu từ mức thấp L lên mức cao ta gọi là b-ớc nhảy d-ơng và ng-ợc lại là
b-ớc nhảy âm minh hoạ nh- hình 1.6.a,b
5v

H

5v

L

L
tt

H

t

t
ts

H1.6a: B-ớc nhảy d-ơng

H1.6b: B-ớc nhảy âm

c) DÃy xung:
+ DÃy xung tuần hoàn
Định nghĩa: Là một dÃy xung có dạng giống nhau nghĩa là có thời gian tồn
tại các xung nh- nhau, có cùng chu kỳ T và khoảng cách xung không thay đổi.
Ví dụ dÃy xung hình chữ nhật, hình 1.7a và dÃy xung răng c-a H1.7b
u
uu
H1.7a: DÃy xung
hình chữ nhật

tx

t
tn
T

U

uM
H1.7a: DÃy xung
hình răng c-a

t
T

4


Các đại l-ợng đo l-ờng trong dÃy xung
Ta có T là chu kỳ là thời gian tồn tại giữa hai s-ờn tr-ớc hoặc sau của hai
xung liên tiếp trong một dÃy xung.
Um là biên độ
tx là độ rộng xung
tn là thời gian nghỉ giữa hai xung liên tiếp
Hệ số lấp đầy:


Độ rỗng xung:

Q=

tx
T
T
tx

+ DÃy xung không tuần hoàn:
Định nghĩa : Là một dÃy xung có dạng xung giống nhau nh-ng thời gian
tồn tại xung khác khác nhau
Ví dụ : DÃy xung chữ nhật không tuần hoàn hình 1.8a và dÃy xung hàm số
mũ không tuần hoàn ở hình 1.8b
U

t

H1.8a: DÃy xung hình chữ nhật không tuần hoàn

U

t

o

H1.8b: DÃy xung đinh không tuần hoàn

1.1.2: Cách tạo ra xung trong kỹ tht sè
Trong kü tht sè dïng tÝn hiƯu xung ®Ĩ chỉ thị cho hai trạng thái 0 và 1
ứng với tÝn hiƯu xung ë møc thÊp L vµ møc cao H. Để có những xung chuẩn tạo
thành tín hiệu xung nhịp từ đó gia công xử lý các tín hiệu ta phải có mạch tạo
xung.
Ta có sơ đồ khối của ph-ơng pháp tạo xung đơn giản nh- hình 1.9

5


U,I

Sửa s-ờn
xung,đỉnh
khuếch đại

Mạch

tạo dao
động

Tín hiệu xung

Hình 1.9
Thạch anh
Mạch dao động đ-ợc cấp bởi nguồn nuôi và phần tử chuẩn tần số thạch anh
có độ sai số tần số tạo ra rÊt nhá cì 10-7 - 10-8.
VD: 10MHZ cã khi chØ sai số + 1HZ. Tín hiệu của mạch dao động tạo xung
chuẩn không thể đ-a ra ghép truyền dẫn với các mạch đếm xung hay các mạch
và, hoặc, đảo.......đ-ợc vì công suất ghép của mạch tạo xung không đủ và ghép
nh- vậy sẽ dẫn đến sai tần số dao động và mất dao dộng tạo xung. Để nối ghép
với mạch ngoài phai cần bộ sửa s-ờn xung có nhiệm vụ ®ét biÕn s-ên xung
nghÜa lµ tt vµ ts rÊt nhá và mạch sửa đỉnh xung để đỉnh xung ở một giá trị Um
xác định với mức H và mức L.
Mạch khuếch đại sẽ đ-a ra công suất xung lớn hơn có khả năng ghép với
nhiều mạch cổng AND, OR, NOT hay các mạch đếm, dịch xung.....vv...sau này
ta sẽ xét đến.
1.1.3 Các phần tử tuyến tính R- C trong mạch xung
a) Quá trình quá độ ở mạch R- C khi có b-ớc nhảy điện áp
Cho mạch điện R- C nh- hình vẽ 1.10 gồm một điện trở R và một tụ điện C

OV

UR

R

UM

to

Hình 1.10

C

UC

tại t = 0 điện áp có b-ớc nhảy d-ơng từ 0 lên mức điện áp
với t > 0 ta cã Ur + Uc = UM
mµ ta cã: Ur = iR và i = C

dU c
d .t

Từ các biểu thức trên ta viết đ-ợc ph-ơng trình
R.C

d .U c
Uc UM
d .t

Giải ph-ơng trình vi phân (công nhận kết qu¶) ta cã:
t

U c (t )  U M (1 e RC )

Đặt = R.C và ta gọi là hằng số thời gian của mạch RC
6

t

UR UM

.e

Nhận xét: Uc(t) biến đổi theo chiều tăng dần theo quy luật hàm số mũ với t
tiến tới thì Uc(t) = UM
t

UR(t)biến đổi theo chiều giảm dần do phơ thc i(t )

U
 M e
R

Khi t tiÕn ®Õn vô cùng thì UR(t)= 0 và i(t) = 0
Trên thực tế thời gian không thể tính đến vô cùng đ-ợc, mà chỉ tới giá trị
quá độ t nào đó và trong kỹ thuật thời gian quá độ đ-ợc tính khi điên áp
Uc(t)0,9 UM và khi kết thúc giá trị tại thời điểm (tại thời điểm điện áp trên
UR(t)0,1UM
Trong kỹ thuật xung ta hay chọn thời gian quá độ tq độ = 2,3τ hay tq®é = 2,3R.C .
Khi tq®é = 3 thì ta coi các giá trị điện áp Uc UM vµ Ur = 0, i = 0 . BiĨu diễn quá
trình trên theo hình 1.11a,b.
Nhận xét giá trị RC càng lớn thì thời gian quá độ càng dài
UM

U

0,9UM

UR(t)

0,1UM

Uc(t)

Với R2 > R1
>
UR2(t)
UR1(t)

t

t

0

H1.11a

H1.11b

b)Quá trình quá độ của mạch R -C với kích thích đầu vào là xung vuông.
Nếu đặt lên mạch R-C một xung vuông góc thì quá trình quá độ xảy ra
trong mạch đ-ợc xem nh- là sự xếp chồng (quá trình xếp chồng tuân theo định
luật xếp chồng điện áp và dòng điện) của hai quá trình hai b-ớc nhảy. Biểu diễn
quá trình trên theo giản đồ điện áp nh- h×nh 1.12 a,b,c,d

7


UM
Hình 1.12
a) Xung vuông
t0

t

tt1

tx

UM
b)Sự xếp chồng của hai điện
áp và hai b-ớc nhảy

t1
t0

t

- UM

c)Điện áp UR(t)

UM
tx 3

2
+UR(t)

tx< 3

t

1

- UM
UM

1
b) điện áp Uc(t)

UC(t)
t

2
Sự thay đổi của UR và Uc trong quá trình quá độ chịu sự ảnh h-ởng của tỷ
lệ

t

x



nghĩa là phụ thuộc vào thời gian tồn tại xung tx và giá trị RC của mạch

điện
c) Mạch vi phân trong kỹ thuật xung.
Sơ đồ mạch điện nh- hình 1.13a gồm một tụ điện và một điện trở đầu vào là
dÃy xung hình chữ nhật đầu ra lấy điện áp trên ®iƯn trë R víi τ =RC nhá ®đ ®Ĩ
t¹o xung định hình 1.13b

8


C

U
vào

R

Uvào

0
+
URau
0

t

-u

URa

t

H.1.13a

H1.13b
Tác dụng để tạo xung đồng bộ, kích các mạch đếm, mạch trễ ..vv...
Mạch tích phân : Vẫn mạch điện gồm hai phần tử R,C ta lấy điện áp ra, trên
tụ điện ta sẽ có mạch tích phân nh- hình 1.14a và giản đồ thời gian sẽ nh- hình
1.14b khi đáp ứng đầu vào là một dÃy xung chữ nhật với = RC đủ lớn
R
Uvào

C

URa

H.1.14a: Mạch tích phân

Uvào

t
URa

t
Tác dụng: Dùng tách xung đồng bộ, khi kết hợp với phần tử khuếch đại
dùng làm mạch tạo xung tam giác, để tạo quét, chuyển đổi t-ơng tự - số..vv...
1.2: Dụng cụ bán dẫn
1.2.1: Đi ốt nguyên lý cấu tạo và phân loại
1: Nguyên lý cấu tạo:
Đi ốt đ-ợc cấu tạo bởi chất bán dẫn điện có hai miền dẫn điện P và N, tại
tiếp giáp giữa hai miền đó có vùng rào thế đặc biệt có tác dụng chỉ cho dòng

điện ®i qua theo mét chiỊu nhÊt ®Þnh (h2.1)

9


+U
I

-U

N

P

Vùng rào thế miền
tiếp giáp
Hình 1.15a
2. Ký hiệu của đi ốt: (h2.2)
A

K

Hình 1.15b

Ký hiệu của đi ốt nh- hình 1.15a một đầu là Anốt một đầu là Katốt, dòng
điện đi theo chiều từ A sang K chiều ng-ợc lại sẽ bị khoá. Tính chất dẫn điện
một chiều này đ-ợc ứng dụng để làm dụng cụ nắn dòng chỉnh l-u, khoá điện tử,
ghim mức...vv...
Tuỳ theo sự chế tạo của nhà sản xuất mà mỗi loại đi ốt sẽ có khả năng dẫn
điện khác nhau về c-ờng độ dòng điện dẫn qua, điện áp khoá, giới hạn điện áp

đánh thủng...vv...Mọi thông số sẽ đ-ợc ghi trong sổ tay tra cứu chế tạo và đồ thị
chỉ ra mối quan hệ đó gọi là đ-ờng đặc tuyến Von/ Amper của các loại đi ốt đó.
3. Đ-ờng đặc tuyến V - A của đi ốt
ith

mA

500
250
100

Ung
-V

300V 200V

100V

0,6v

Uth(+V)

10
20
30

Hình 1.16a: Đặc tuyến V-A của điốt

Phân loại đi ốt.
Trong kü tht t theo nhiƯm vơ mµ ng-êi ta chÕ tạo ra các loại đi ốt khác

nhau. Có loại đi ốt dòng rất lớn hàng trăm Amper điện áp ng-ợc chiều đ-ợc tới
một vài nghìn vôn hoặc dòng chỉ vài chục miliamper (mA) nh-ng điện áp đánh
thủng có thể chịu đ-ợc hàng chục KV và tần số làm việc cũng khác nhau. Trong
kỹ thuật máy tính ta chỉ quan tâm đến vài loại mà thôi.
Điốt nắn: Ký hiệu: A
k
Hình 1.16b
Các dạng vỏ trong chế tạo dòng thuận từ một vài A tới 15- 30A điện áp
ng-ợc chịu đựng đ-ợc vài chục Vôn tới 1000v, tần số hoạt động thấp, cao nhất
chỉ vài chục KHz ứng dụng tạo nguồn một chiều.
10


Điốt xung: điôt shotky ký hiệu:



A

Hình 1.17
k

Là điôt chế tạo theo công nghệ đặc biệt do đó có dải tần lµm viƯc rÊt lín cã
thĨ tíi vµi MHz hay GHz. øng dơng réng d·i trong kü tht xung, trun tin, kỹ
thuật tính toán.....
Điốt ổn áp: Là điôt có chiều dẫn thuận bình th-ờng nh- các điốt nắn dòng
khác, nh-ng do chế tạo khác mà khi đặt điện áp ng-ợc tới một điện áp Uz thì
dòng ng-ợc tăng rất nhanh và nội trở của điốt giảm xuống, lợi dụng tính chất này
của điốt ng-ời ta lắp vào mạch điện để làm điốt ổn áp. Uz th-ờng là 4,7v, 5,6v,
6v, 7,5v, 9v hay 12v

Hình 1.18a
A
k
Ký hiêu:
Vỏ ngoài phần lớn nh- điốt nắn dòng trên có ghi thông số điện áp dẫn
thông( hay điện áp Uz mà điốt làm nhiệm vụ ổn áp th-ờng thấy) đặc tuyến
Vôn/Amper của điốt ổn áp (còn gọi là điốt zêner) nh- H1.18b
Ith

UngV

4 3 2

1

50 mA

Uth(V)

100 mA
150 mA

ing

Hình1.18b: Đặc tuyến V-A của 1
điốt ổn áp có UZ= 4,7 v

d) Điốt biến dung:
Cấu tạo: Dựa vào miền tiếp giáp của hai lớp bán dẫn P và N có miền diện
tích không gian mà ng-ời ta chế tạo ra điốt biến dung trên nguyên tắc thay đổi

độ rộng miền điện tích, dẫn đến thay đổi điện dung của điốt
Ký hiệu:
Hình 1.19
A
K

Điốt biến dung ứng dụng trong thay đổi tần số để dò quét tín hiệu hay dao
động, tạo tần số có điều khiển bằng ph-ơng pháp số .v.v..
1.2.2 Transitor l-ỡng cực
1. Cấu tạo: Transitor gồm ba vùng bán dẫn giáp nhau nh- hình (1.20a) tạo
thành hai tiếp giáp p-n đó là tiếp giáp JE & JC nếu vùng p nằm giữa hai vùng n
hình (1.20b) thì Transitor đó là loại n-p-n cßn khi vïng n n»m gi-a hai vïng p thì
Transitor đó là loại p-n-p. Mỗi vùng bán dẫn đều đ-ợc nối ra ngoài vỏ nên
Transitor điển hình có ba chân (trừ loại đặc biệt nh- nh-: Transitor quang)
TC

TE
n
E

n

p
B

TC

TE
P
E

C

Hình 1.20a Transitor loại n-p-n

11

P

n
B

C

Hình 1.20b Transitor loại p-n-p


Do các miền bán dẫn đ-ợc pha tạp khác nhau mà khả năng dẫn điện khác
nhau mà miền điện tích không gian ảnh h-ởng rất lớn đến khả năng dẫn điện của
Transitor.
Miền có nồng độ tạp chất lớn nhất là miỊn Emiter cùc nèi ra ngoµi gäi lµ
cùc Emiter hay gọi là cực phát.
Miền ở giữa có nồng độ tạp chất nhỏ nhất và có độ dầy rất mỏng (vài m )
gọi là miền bazơ cực nối với miền này gọi là cực bazơ hay còn gọi là cực gốc
Miền có nồng độ tạp chất trung bình là miền Colecter hay còn gọi là cực
gốc
2) Ký hiệu trên sơ đồ mạch điện nh- hình (1.21.ab)
C

C

B

B
E

E

Hình 1.21 a: Transitor p-n-p (thuận)

Hình 1.21b: Transitor n -p -n (thuận)

3) Nguyên lý làm việc:
Ta xét tr-ờng hợp với Transitor loại p-n-p ta sẽ phân cực cho Transitor ở
chế độ nh- sau: Miền JE tiếp giáp E và B sẽ đ-ợc phân cực thuận và tiếp giáp JC
là phân cực ng-ợc nh- sơ đồ hình (1.22)

IC

C
IB

EEC

B
+

+

E

IE

Hình 1.22: Cách phân cực cho
Transitor loại p-n-p

Eb

Dòng điện IE = IC +IB ta bỏ qua dòng điện ng-ợc ở tiếp giáp JC khi
Transitor ở chế độ khuếch đại ta có hai hệ số đó là :
Hệ số truyền đạt dòng điện
= IC/ IE
Trong chế tạo càng gần đến 1 phẩm chất Transitor càng tốt
Hệ số khuếch đại dòng điện
= IC/IB
Hệ số đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC
Ngoài ra còn một loạt các tham số khác nh- nh-: điện áp thuận, điện áp,
chịu đựng của tiếp giáp CE, BE tần số làm việc họ đặc tuyến ra đặc tuyến vào
của từng loại Transitor..v.v..

12


Ví dụ một đặc tuyến vào và ra của một Transitor (H×nh 1.23a,b)
IB(μA)

IC mA

UCE=2V

25

IB = 25μA

50μA

20
15

40μA

10μA

30μA

IB = 15μA

20μA

IB = 10μA

10μA

IB = 5A

P tổn hao

IB = 20A

5A

UBE(V)

H1.22a: Đặc tuyến vào của Transitor

H122b: Đặc tuyến ra của Transitor

UCE (v)

4) ứng dụng của Transitor.
Dựa trên khả năng khuếch đại dòng điện của Transitor mà ng-ời ta có thể
tạo thành các mạch điện ứng dụng trong kỹ thuật khuếch đại công suất, kỹ thuật
điều khiển và kỹ thuật điện toán .....
Để thiết kế sẽ phải đề cập đến một số môn nh-: Vật liệu bán dẫn, kỹ thuật
mạch điện tử, kỹ thuật khuếch đại...Phạm vi môn học này ta chỉ xét một hai dạng
mạch ví dụ để hiểu đ-ợc tác dụng của Transitor trong các mạch điện tử đơn giản.
a. Mạch khuếch đại: có các mạch emitơ chung, colechtơ chung và gốc
chung ta xét một mạch emitơ chung hay còn gọi là mạch phát chung






gồm hai hệ đặc tuyến chính là hệ đặc
tuyến vào
UB= f(2)(Ib) với Uc= const
và hệ đặc tuyến ra:
IC=f1(Uc) với Ib=const

Hình 1.23

khi dòng Ib biến thiên theo tín hiệu đầu vào E thì trên Rg có một dòng
IcKEIb
KE là hệ số khuếch đại dòng điện của cách mắc mạch phát chung.
Vậy ta có điện áp ra trên URg = Ib . KE . Rg nh- vậy thông qua khả năng
khuếch đại dòng điện của Transitor mà trong mạch Emitơ chung Transitor đÃ
khuếch đại đ-ợc dòng điện, điện áp và công suất tÝn hiÖu ra.

13


b/ Mạch đóng mở: sơ đồ hình vẽ (1.24)

Ung
Rc
Rb

c
b

T
Rvào tầng sau, U ra

E

Xét một mạch emitơ ở chế độ đóng mở nh- sơ đồ hình (12.10) khi đầu vào
Uvào = 0v thì dòng vào Ib 0 Transitor T khoá tiếp giáp Rce= ta coi nh- hở
mạch nếu chọn Rc<< R tầng sau thì điện áp sụt trên Rvào tầng sau gần bằng
+Ung (mạch có tính chất của mạch đảo). Khi tín hiệu đầu vào Uv lớn (ví dụ
Uvào = + 2,5v) lúc này dòng I vào lớn nghĩa là dòng Ib của Transitor T lớn thì

dòng Ic lớn.
Điện trở CE của Transitor T còn rất nhỏ (rơi vào miền bÃo hoà) Transitor T
thông mạch, ta có thể coi mát (hay điện thế 0v) đặt lên cực trên của Transitor lúc
này điện áp ra Uc 0,2 ữ 0,3v
Những ứng dụng đóng mở này ứng dụng nhiều trong kỹ thuật máy tính, mà
sau này ta sẽ xem xét.
1.2.3.Transitor tr-ờng:
a) Khái niệm:Transitor tr-ờng là các linh kiện bán dẫn , khác với Transitor
l-ỡng cực thông th-ờng chúng đ-ợc điều khiển bằng tr-ờng điện. Do vậy tín
hiệu điều khiển bị tổn hao rất nhỏ.
b) Cấu tạo: Gồm một miếmg bán dẫn dẫn điện thuần nhất một loại p hay n
hai đầu đ-ợc nối điện cực là cực nguồn S, cực máng D, trên miếng bán dẫn đó
ng-ời ta cấy một miền bán dẫn P hay N để tạo thành miền tiếp giáp P- N nhhình 1.25 và chân nối ra từ điện cực tạo ra tiếp giáp P-N đó là cực cổng G
D
G

P n P
Hình 1.25
S

Transitor tr-ờng dẫn điện kiểu kênh n.
Nguyên lý làm việc: Vùng tiếp giáp P-N sẽ tạo ra miền điện tích không
gian. Khi thay đổi điện áp điều khiển thì vùng điện tích không gian sẽ thay ®ỉi
lµm thiÕt diƯn dÉn ®iƯn cđa Transitor thay ®ỉi dÉn ®Õn ®iƯn trë SD thay ®ỉi vµ
14


dòng IDS thay đổi. Do tiếp giáp P-N phân cực ng-ợc nên dòng dò rất nhỏ cỡ nA
(10 A). Ta nói rằng Transitor có trở kháng vào rất lớn trên thực tế chế tạo dòng
vào cỡ 10 30nA, điện trở vào cỡ vài chục M

Ký hiệu: Hình 1.26a,b

D

D

G

G
S

S

Transitor tr-ờng kênh N H.1.26 Transitor tr-ờng kênh P
Transitor tr-ờng có đặc tuyến giống nh- đèn điện tử chân không.
Do tiêu thụ công suất nhỏ mà Transitor đựoc chế tạo nhiều trong mạch tích
hợp dùng trong kỹ thuật tính toán.
Vi mạch tuyến tính và vi mạch số
1) Vi mạch tuyến tính: Ngày nay với công nghệ của mạch vi điện tử ng-ời
ta đà chế tạo đ-ợc các Transitor rất nhỏ, các điện trở ngay trên miếng tinh thể
silic, hay Ge, GaAs.....(bằng cách kiểm soát nồng độ tạp chất khuếch tán vào
tinh thể bán dẫn) do đó trong kỹ thuật đà tạo đ-ợc những mạch khuếch đại có
những tính năng khác nhau. Sơ đồ điển hình của một mạch khuếch đại thuận
toán nh- hình 1.27
+ Vcc
e1

+
a
Hình 1.27

e2

- Vcc

Tuỳ theo cách mắc mạch mà ng-ời ta có thể thay đổi hệ số khuếch đại U,I
thay đổi trở kháng vào và trỏ kháng ra.
Những vi mạch này đ-ợc ứng dụng trong các mạch khuếch đại âm tần, cao
tần, tạo xung chuyển đổi tín hiệu t-ơng tự - số vv......
Với vi mạch theo quy định của các nhà sản xuất ví dụ: vi mạch A741

- Vcc

1
2 -

8
7

3 +

6

4

5

dạng vẽ hai hàng chân A741

+ Vcc
Hình 1.28

Vi mạch số:
Cũng theo cách chế tạo vừa nêu ở trên ng-ời ta tích hợp các Transitor , đi
ốt, điện trở thành các mạch tạo hàm logíc mạch đếm, nhớ, giải mà trong kỹ thuật
số ng-ời ta gọi là vi mạch sè.
15


VÝ dơ mét lo¹i vi m¹ch sè th-êng dïng.Vi m¹ch 7400 bên trong vỏ 14 chân
là 4 cổng NAND nh- hình 1.29

+Vcc

14

1

13

12

11

10

2

3

4

5

9

8

6

7

GDN

Xét cổng chân 1 và chân 2 là hai đầuvào chân 3 là đầu ra chức năng của
hàm xung phần sau ta sẽ xét đến.
1.3. Các mạch cơ bản trong kỹ thuật số.
1.3.1) Khái niệm mạch logíc: Mạch logíc bao gồm các linh kiện mà chủ yếu là
các phần tử đóng, mở với hai trạng thái ổn định. Chúng đ-ợc ghép nối với nhau
nhằm thực hiện những quan hệ (còn gọi là hàm) logíc cho tr-ớc.
Cho một mạch logíc nh- hình vẽ 1.30

A
A

Mạch
logic

Q

A

Hình 1.30

B
Q

C

Theo sơ đồ khối trên ta có A,B,C là các đầu vào của các biến logíc độc lập
Q là đầu ra của của hàm lôgic và Q là giá trị phủ định của hàm lôgíc Q
Mạch tổ hợp là giá trị các biến ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc các biến
vào tại thời điểm đó.
Q = Q(A,B,C)
b) Mạch dÃy: Khi các biến ra phụ thuộc vào giá trị các biến vào và cả trạng
thái bên trong của mạch tại thời điểm xét:
Q =Q (A,B,C,St)
St là trạng thái trong của mạch tại thời điểm xem xét
1.3.2) Mức logíc:
Trong các mạch lôgic điện áp mang thông tin về giá trị của biến lôgíc do đó
nó chỉ có thể nằm ở giá trị hai miền giá trị cách biệt nhau là hai mức lôgíc mức
cao H và møc thÊp L
16


Ta có các mức và giới hạn mức nh- giản đồ điện áp theo thời gian nh- hình
1.31 sau:
U
UHmax

H

UHmin
ULmax

L

ULmin

t
Hình 1.31

Ta thÊy møc cao H sÏ ph¶i n»m trong kho¶ng UHMIN thấp L sẽ phải nằm trong khoảng:
ULMIN < L < ULMAX
ở mạch logíc họ TTL. (Transitor - Transitor logíc) dùng điện áp làm việc
của mạch là + 5v. Ta có các mức H và L nh- sau
Ura møc H
2,4v < UH <5v
møc L
0v < L < 0,4v
Víi Uvµo møc H
2,5v møc L
0v < L < 0,8v
với mạch lôgíc d-ơng ng-ời ta quy -ớc mức cao H là mức mang giá trị
logíc 1 và mức thấp L là mức mang giá trị logíc 0.
1.3.3. Ba phần tử logíc cơ bản
a) Mạch AND còn gọi là mạch và. Nhiệm vụ của mạch là thực hiện phép
nhân lôgíc giữa các biến đầu vào.
Ta có quan hệ: Q = A٨ B ^ C Hay Q = A.B.C
NhËn xÐt : Q= 1 khi tất cả các biến logíc đầu vào A,B,C đều bằng 1 và Q =0

khi các đầu vào có một đầu có giá trị bằng 0.
Ký hiệu trên sơ đồ: nh- hình 1.32 (a,b)
A
Q

B

C

Hay
là
dạng
khác

Hình 1.32a

A
Q

B
C

Hình 1.32b

b) Phần tử logíc OR (mạch huặc) là mạch thực hiện phép cộng logíc giữa
các biến đầu vào A,B,C .
Ta có đầu ra Q = Aν B ν C hay Q = A+ B + C
Nhận xét đầu ra Q = 0 khi tất cả ba biến đầu vào A,B,C đều bằng (0) và
Q=1 khi đầu vào có 1 biến mang giá trÞ 1.

17


Ký hiệu trên sơ đồ: Hình 1.33 (a,b,c)
A

A
B

Q

B

A

B

Q

1

Q

B

C

C

C

Hình 1.33b
Hình 1.33c
Hình 1.33a
c) Phần tử đảo NOT hay gọi là phủ định.
Là mạch thực hiện phép tính phủ định trên biến logíc A ở đầu vào.
Ta có quan hệ: Q=
Ký hiệu trên sơ đồ: A

Q =

Hình 1.34

1.3.4. Các phần tử logíc vạn năng:
a) Phần tử NAND (mạch và đảo)
Phần tử và đảo là mạch thực hiện hai phép tính logíc liên tiếp đó là phép
nhân logíc trên các biến A,B,C và các phép tính phủ định tiếp theo của tính logíc
đó.
Ta cã quan hÖ: Q= ABC
NhËn xÐt : Q = 0 khi tất cả các biến đầu vào A,B,C đều bằng 1 vµ Q= 1 khi
trong ba biÕn cã mét biÕn mang giá trị 0
Ký hiệu mạch trên sơ đồ: Hình 1.35 (a,b)
A

A

Q

Q

B

B
C

C

Hình 1.35b
Hình 1.35a
Phân tử NOR (mạch hoặc - đảo)
Là mạch thực hiện hai phép tính logíc liên tiếp nhau đó là phép cộng logíc
trên các biến vào A,B,C kế tiếp là phép tính phủ định của tổng logíc đó.
Ta cã quan hÖ: Q  A  B  C
NhËn xét: Q = 1 khi tất cả các biến vào A,B,C đều bằng 0 và Q =0 khi ít
nhất có một biến mang giá trị 1.
Ký hiệu trên sơ đồ: H×nh 1.36 (a,b)
A

A

B

B

1

Q
C

C

H×nh 1.36a

H×nh 1.36b
18

Q


Các phần tử NAND và NOR gọi là các phần tử logíc vạn năng vì ta có thể
dùng chúng thay cho ba phần tử logíc cơ bản với mạch NAND hai cửa vào ta nhhình 1.37a,b có thể viết :
A

A

A



0
1

Hình 1.37a
Hình 1.37b
A.1 A cho một đầu vào mang giá trị H.1.37a
A 0 A cho một đầu vào mang giá trị 0 đối với mạch NOR hai đầu vào
H.137b
Hay là A.B A.B A B hoặc A  .B  A  B  A.B
1.3.5) PhÇn tử logíc t-ơng đ-ơng và không t-ơng đ-ơng.
1) Phần tử logíc không t-ơng đ-ơng XOR (Exclusive OR)
còn gọi là mạch huặc loại trừ hoặc gọi là mạch cộng mô đun 2

Phần tử so hai đầu vào là một mạch logíc hai đầu vào logíc A, B và một đầu
ra Q dùng để thực hiện phép tính hoặc loại trừ trên hai biÕn vµo Avµ B.
Ta cã biĨu thøc quan hƯ: Q = A  B = A.B  B A
Ký hiệu trên sơ đồ: Hình 1.38 (a,b)
A
A
Q A.B B.A
Q

B

1

B

Hình 1.38a
Bảng chức năng của mạch XOR
A
0
1
0
1

Hình 1.38b

AB
0
1
1
0

B
0
0
1
1

Nhận xét: Đầu ra chỉ mang giá trị 0 khi hai đầu vào mang giá trị nh- nhau.
2) Phần tử logíc t-ơng đ-ơng XOR
còn gọi là phần tử so hai đầu vào, mạch thực hiện hai phép tính liên tiếp
hoặc loại trừ trên hai biÕn logÝc A, B tiÕp theo lµ phÐp tÝnh phủ định.
Biểu thức quan hệ: Q A B A.B A.B
Bảng chức năng
Ký hiệu trên sơ đồ: H.1.39
(a,b)
A
0
1
0
1

B
0
0
1
1

AB
1
0

0
1

A

A

A

B

Q
1

19

B


H.1.39a
H.1.39b
Nhận xét: đầu ra Q= 1 khi hai đầu vào mang giá trị nh- nhau
1.3.6. ứng dụng của các phần tử logíc thông dụng.
1) Tạo hàm logíc: Để thực hiện một hàm logíc ta phải có các mạch logíc để
có thể thực hiện hàm đó theo các phép toán trong đại số logíc( Đại số Bun)
Ví dụ: Cho một hàm sau:   X 1 X 2 X 3  X 1.X 3
Ta có sơ đồ mạch nh- hình vẽ: H.1.40
X1.X2.X3

X1

X2

Y = X1.X2.X3 + X1.X3

X3

X1

X .X
1

3

2)Cæng logÝc: Ng-êi ta hay sử dụng phần tử AND, OR làm cửa ngõ cho
thông tin đi qua, gọi là cổng logíc. Khi đ-ợc dùng nh- một cổng thì tín hiệu đặt
ở một đầu vào của cổng sẽ dùng làm tín hiệu đóng mở cổng .Tín hiệu của đầu
vào còn lại là tín hiệu thông tin cần truyền qua.
Ví dụ nh- sơ đồ sau: H.1.41 (a,b)
A

A

Q =AA

Q = A

0

Mạch dùng cổng AND

Mạch dùng cổng OR

1

Hình 1.41a

Hình 1.41b

3) Phần tử đảo có điều khiển.
Ta có thể dùng phần tử không t-ơng đ-ơng( hoặc phần tử t-ơng đ-ơng) nhmột phần tử đảo có điều khiển.
Ví dụ nh- dùng phần tử XOR dựa vào bảng chức năng ta có:
A

Q =AA

và khi

A

Q = A

0
B=1
Mạch dùng cổng OR

Mạch dùng cổng AND
B=0

1

Hình 1.41c

Hình 1.41d

4) Phần tử hoặc- loại trừ nhiều đầu vào.
Ta có thể dùng phần tử không t-ơng đ-ơng để thành lập mạch so thực hiện
phép hoặc - loại trừ trªn nhiỊu biÕn logÝc.

20


VÝ dơ cho m¹ch so ba biÕn A, B, C ta cã Q  A  B  C nh- h×nh 1.42
A
B

Q  A B C

C

H×nh 1.42
Hay ta cã thĨ vẽ thành một mạch hoặc loại trừ 3 đầu vào A, B, C
Bảng chức năng của mạch nh- sau:
A
0
0
0
1
1
1
1

B
0
0
1
0
0
1
1

C
0
1
0
0
1
0
1

Q A BC

0
1
1
1
0
0
1

Quy tắc tính giá trị ở mạch so nhiều đầu vào

Q = 0 khi số biến mang giá trị 1 ở đầu vào là số chẵn
Q = 1 khi số biến mang giá trị 1 ở đầu vào là số lẻ
Mạch ứng dụng để kiểm tra lỗi chẵn lẻ của kênh truyền tin
4) Mạch ba trạng thái:
Để truyền những tín hiệu xung (tín hiệu đà đ-ợc gia công xử lý) đến các
mạch điện khác nhau trong thiết bị truyền tin hay trong kỹ thuật tính toán. Ng-ời
ta dùng mạch điện ba trạng thái ở đầu ra của những mạch nhớ hay đầu vào các
mạch truyền dẫn số liệu ......vv
Mạch ba trạng thái có sơ đồ: Nh- hình 1.43
in

out

Bảng chức năng của mạch nh- sau:
ENABLE

ENABLE
0
0
1
1

IN
0
1
0
1

OUT
0

1
Z ( Trở kháng cao)
Z ( Trở kháng cao)

Hình 1.43a

Ta thấy mạch hoạt động nh- sau: khi đầu điều khiển cho phép có mức thấp
L (Mức logic 0) thì mạch truyền dẫn tín hiệu.
IN = 0 ta có out = 0và IN = 1 thì out = 1 vµ khi ENABLE ë møc cao (møc
logic 1) thì dù đầu vào IN = 0 hay IN = 1 thì đầu ra out đều ở mức trở kháng cao
ta coi nh- hở mạch về ghép nối điện
21


ứng dụng: Ta có sơ đồ ghép nối các thiết bị nh- hình 1.43b
2
ENABLE = 1

Z=
đ-ờng truyền tín hiệu
Z=
ENABLE = 1

ENABLE = 0

1
3

Hình 1.43b
Trên đ-ờng truyền tín hiệu các thiết bị 1, 2, 3 đều có dữ liệu chờ ở đầu ra

nh-ng chỉ có thiết bị 1 đ-a số liệu lên đ-ờng truyền còn thiết bị 2, 3 có đầu cho
phép ENABLE = 1 nên có trạng thái thứ 3 z = ta coi nh- tách khỏi đ-ờng
truyền.
1.3.7. Mạch trigơ
a) Khái niệm: mạch trigơ là một mạch điện có hai đầu vào và hai đầu ra và
nó có hai trạng thái ổn định 0 và 1 ở hai đầu ra khi có tác động ở đầu vào thích
hợp thì mạch có thể lật trạng thái từ 0 sang 1 ( hay từ 1 về 0) và ổn định ở trạng
thái này cho đến khi có tác động mới ở đầu vào. Ký hiệu trên sơ đồ nh- hình
1.44a
Q

e1

e2

Q

b) Các mạch trigơ kiểu tích hợp:
Bên cạnh các phần tử lôgíc dùng để thực hiện các hàm logíc cơ bản , các
loại sơ đồ trigơ có một ý nghĩa to lớn trong việc tạo nên những phần tử nhớ, đếm
, dịch.....Trong kỹ thuật số sự làm việc của trigơ này cũng sẽ đ-ợc mô tả nhờ các
hàm logíc cơ bản. Điều này cho ta khả năng hiểu đ-ợc nguyên lý hoạt động của
chúng mà không phụ thuộc vào việc thực hiện sơ đồ đó nh- thế nào trong từng
tr-ờng hợp.
c) Sơ đồ cơ sở:
Ta có thể tạo ra sơ đồ trigơ bằng cách gộp hai phần tử logíc Hoặc - Phủ
định (NOR) trong một vòng phản hồi nh- sơ đồ: nh- h×nh 1.44b
R
Q

H×nh 1.44b
Q

S
22


Mạch này có hai tín hiệu vào S (là đầu vào xác lập - set) và đầu R (đầu vào
xoá Reset) và hai đầu ra Q và Q
Nếu các tín hiệu vào đảo nhau ví dụ S= 1 và R = 0
th× Q  S  Q  1  Q  0
Q  R Q  0 0 1

do đó cả hai tín hiệu ra thực tế có trạng thái đảo nhau với R = 1 và S = 0 có
thể nhận đ-ợc các giá trị đầu ra ng-ợc lại của trigơ.
Nếu R = 0 và S = 0 trạng thái của tín hiệu ra vẫn giữ nguyên vì thế RS Trigơ có thể dùng để nhớ các thông tin. Nếu R = 1 và S = 1 thì cả hai tín hiệu ra
đều bằng 0 do đó tổ hợp tín hiệu vào này bị cấm.
Bảng trạng thái của trigơ - RS
S
0
0
1
1

R
0
1
0
1

Q
giữ giá trị tr-ớc
0
1
cấm

Ta có thể thiết kế một Trigơ - RS từ hai mạch NAND (và - đảo) chú ý rằng
các biến vào phải đảo là R và S
Sơ đồ nh- hình 1.44c
R
Q
Q
Hình 1.44c
QQ

S

Bảng trạng thái của trigơ - RS dùng phần tử và - đảo (NAND)
S

R

0
0
1
1

0
1
0

1

Q
cấm
1
0
giữ giá trị tr-ớc

Trên đây là phần tử logíc cơ bản tạo nên trigơ sang phần sau ta sẽ xét kỹ các
dạng trigơ và tác dụng của chúng trong phần tử tổ hợp kỹ thuật số ở ch-ơng tiếp
theo.
1.3.8. Mạch logíc họ TTL và CMOS
a) Mạch logíc họ TTL ( tranzitor - Tranzitor logíc) là các mạch logíc mà
cửa vào và cưa ra ®Ịu dïng Tranzitor l-ìng cùc.
23


Mạch dùng nguồn +5v công suất tiêu thụ điển hình 10mw trên một phần tử
và tốc độ chuyển mạch 10ns ( 10.10-9s)
Mạch logíc họ TTL có hai nhóm cơ bản 74xxx dùng trong th-ơng mại dải
nhiệt độ làm việc tin cậy từ 0 độ C đến +70độ C và 54xxx dùng trong quân sự
dải nhiệt độ rộng hơn từ - 55độ C đến 125độ C
Chủng loại:
N loại thông th-ờng
H Tốc độ chuyển mạch cao
L Công suất tiêu thụ thấp
S có điốt shotky tốc độ nhanh
LS công suất tiêu thụ thấp và có điốt shotky
- Các thông số của họ TTL
Điện ¸p cung cÊp =5v sai sè cho phÐp  2,5%

+ Mức logíc đầu ra : mức cao UH
Uout H 2,4v cho lo¹i N, H, L
Uout H  2,7v cho lo¹i S, L, S
Møc thÊp UOL  0,4v víi lo¹i N, H,L
UOL  0,5v víi lo¹i S, L, S....
+ Møc logíc đầu vào
mức cao UINH 2v
mức thấp UINL 0,8v
Ví dụ vi mạch 7400N là vi mạch bên trong có 4 cổng NAND còn 74LS00
cũng vậy nh-ng năng l-ợng tiêu thụ ít và tốc độ cao 74LS193 là vi mạch bên
trong có bốn trigơ đếm tốc độ cao.
b) Mạch logíc học CMOS là vi mạch đ-ợc cấu tạo bởi các traritor tr-ờng
Mạch dùng nguồn cung cấp 1.5-3v ( ngày nay trong c¸c chÝp vi xư lý thÕ hƯ
míi dïng nguồn 1,3 ữ1,8v) ở chế độ tĩnh điện áp vào và điện áp ra giữ ổn định ở
một mức logíc thì hầu nh- không tiêu thụ công suất của tín hiệu vào, và nguồn
tiêu thụ rất nhỏ. Khi ở chế ®é ®éng tÝn hiƯu vµo lµ tÝn xung vµ tÝn hiệu ra cũng
vậy thì công suất tiêu thụ tăng lên nó tỷ lệ với tần số làm việc của tín hiệu.
Mạch có -u điểm: - Độ chống nhiễu cao
Dòng vào m¹ch CMOS nhá (tỉn hao tÝn hiƯu ngn rÊt nhá) cỡ nA tiết
kiệm năng l-ợng do đó dễ dàng làm mát khi toả nhiệt .
Nh-ợc điểm : Thời gian làm việc lớn hơn họ TTL từ 50 ữ 100ns có thể chia
làm hai loại.
Các mạch CMOS tốc độ chậm họ 4xxx và họ 74Cxxx loại này độ ổn định
nhiễu rất cao, dòng ra nhỏ nh-ng trễ truyền đạt lớn.
Họ này điện áp cung cấp th-ờng là 7.5v trong đó họ 74 HCxxx thời gian trễ
truyền đạt 8 9 ns điện áp ra từ 2 6v dòng ra cỡ 4mA nó không t-ơng thích với
nối ghép họ TTL các họ còn lại t-ơng thích nối ghép với họ TTL về mặt điện và
ng-ỡng logic.

24

Ch-ơng II
Các tổ hợp kĩ thuật số trong máy tính điện tử
2.1 Các hàm logic
2.1.1 Đại số Bun (Boole)
Khái niệm: Mới nhìn qua thiết bị số có vẻ khá phức tạp. Tuy nhiên chúng
đ-ợc cấu tạo trên nguyên tắc ghép nhiều cặp các mạch logic đơn giản. Đại số
Bun đ-ợc sử dụng làm công cụ tạo ra các mạch này và vì nó đ-ợc dùng trong kĩ
thuật số nên còn đ-ợc gọi là đại số logic.
Biến logic: Biến logic khác với các biến đại số thông th-ờng. Biến lôgíc bao
gồm hai giá trị là 0 logic và 1 logic chúng được kí hiệu là 0 và 1
cũng không sợ lẫn kí hiệu này với các số 0 và số1 vì trong mỗi tr-ờng hợp
cụ thể sẽ rõ nó là số hay giá trị logic.
Hàm logic: Biểu diễn các nhóm liên hệ logic với nhau thông qua các phép
toán logic giá trị có thể lấy là 0 và 1
ba phép tính cơ bản giữa các biến lôgic đó là:
Phép hội (nhân logic)
Phép tuyển (cộng logic) phép nghịch đảo (phủ định logic)
+T-ơng tự với các số đại số, trong đại số logic ng-ời ta dùng các ký hiệu
sau đây cho các phép tÝnh
- PhÐp héi:
YX

1



X

2



X .X
1

2



X X
1

2

- PhÐp tuyÓn: Y= X1ν X2=X1+X2
- Phép phủ định:
Các định lý với các phÐp tÝnh logic
-LuËt giao ho¸n:
x1 . x2 = x2. x1
x1 + x2 = x2 + x1
-Lt kÕt hỵp:
x1 (x2 . x3) = (x2 . x1) . x3
x1 + (x2+x3) = (x1 + x2) + x3
-LuËt ph©n phèi:
x1 . (x2 + x3) = x1.x2 + x1.x3
x1 + x2.x3 = (x1 + x2) (x1+ x3)
-PhÐp ghim:
x1 (x1+x2) = x1

x1 + x1x2 = x1
-Phép lặp:
x. x
=x
x+x
=x
-Phép phủ định:
x. x = 0
xx = 1

(2.1.a)
(2.1b)
(2.2a)
(2.2b)
(2.3a)
(2.3b)
(2.4a)
(2.4b)
(2.5a)
(2.5b)
(2.6a)
(2.6b)

-Phép phủ định kép: x x
-Định lý Demogan: x1 . x 2  x1  x 2

(2.7)
(2.8a)

x1  x 2  x1 . x 2

(2.8b)

x1 . x 2  x1 x 2

25