bài giảng môn học cấu trúc máy tính bài 5 mạch tuần tự mạch lật mạch

MẠCH TUẦN TỰ
MẠCH TUẦN TỰ
MẠCH LẬT
MẠCH LẬT

@IT
@IT
@IT
@IT
MẠCH TUẦN TỰ

Các mạch số xét trước đây là các mạch tổ hợp,
các ngõ ra tại một thời điểm độc lập với ngõ
vào tại thời điểm đó.

Tuy mọi hệ thống đều có mạch tổ hợp nhưng
thực tế là hầu hết đều có thành phần lưu trữ,
do đó chúng ta cần đề cập đến mạch tuần
tự.

Kiểu mạch tuần tự thông dụng nhất thuộc loại
đồng bộ.

@IT
@IT
@IT
@IT

MẠCH TUẦN TỰ

Mạch tuần tự đồng bộ sử dụng các tín hiệu ảnh
hưởng đến các thành phần lưu trữ chỉ tại các
khoảng thời gian rời rạc.

Việc đồng bộ hóa được thực hiện qua một thiết
bị định thời gọi là mạch tạo xung đồng hồ, tạo
ra một dãy
xung đồng hồ
tuần hoàn.

Các xung đồng hồ này phát qua hệ thống theo
một cách nào đó làm cho các thành phần chỉ bị
ảnh hưởng bởi sự xuất hiện của xung đồng bộ.

@IT
@IT
@IT
@IT
MẠCH TUẦN TỰ

Trong thực tế, các mạch tuần tự đồng bộ theo
đồng hồ được dùng nhiều nhất.

Nó có tính ổn định và có thể dễ dàng ngắt
thời gian của chúng thành các bước rời rạc
độc lập và có thể xem xét các bước đó một
cách riêng lẻ.
@IT

@IT
@IT
@IT
Mạch lật là dạng mạch đơn giản nhất có chức
năng lưu trữ 1bit nhị phân.
- Có hai ngõ ra: 1 cho trị bình thường và 1 cho
trị bù.
-
Mạch lật duy trì trạng thái nhị phân cho đến
khi có xung đồng hồ điều khiển làm thay đổi
trạng thái.
-
Sự khác nhau của các mạch lật là số ngõ vào
và cách thức các ngõ vào tác động đến trạng
thái nhị phân.
MẠCH LẬT

@IT
@IT
@IT
@IT
Có 3 ngõ vào: S (set-đặt); R (reset-khởi động;
C (clock- đồng hồ)
Có 1 ngõ ra Q, đôi khi có ngõ ra bù (ký hiệu
bằng 1 vòng tròn nhỏ)
Một ký hiệu mũi tên trước chữ C biểu thị một
ngõ nhập động
. chỉ báo động cho biết mạch lật
đáp ứng với một chuyển tiếp dương (từ 0 sang 1)
của tín hiệu đồng hồ ở ngõ nhập.

Mạch lật SR:

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật SR: (tt)

Hoạt động:
Nếu không có tín hiệu nhập đồng hồ C, ngõ ra
cũng không thay đổi bất chấp trị của R và S.
Chỉ khi tín hiệu đồng hồ thay đổi từ 0 sang 1,
ngõ ra mới bị ảnh hưởng theo trị của ngõ vào S và
R.
Nếu S = 1; R = 0 thì Q chuyển sang 1
Nếu S = 0; R = 1 thì Q chuyển sang 0
Nếu S= 0; R = 0 thì đồng hồ chuyển, ngõ ra
không đổi.
Nếu S và R =1 ngõ ra không xác định, có thể là
0 hoặc 1 tuỳ thuộc vào thời giaan trì hoãn trong
mạch

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật SR: (tt)
- Cột S và R cho các giá trị nhập.
- Q(t) là trạng thái nhị phân của ngõ ra Q tại một
thời điểm

(trạng thái hiện tại)
- Q(t+1) là trạng thái nhị phân ngõ ra Q sau khi
xuất hiện một chuyển tiếp đồng hồ.
(trạng thái
kế tiếp)

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật SR: (tt)
- Nếu S = R = 0, một chuyển tiếp đồng hồ
không thay đổi trạng thái, nghĩa là:
Q(t+1) = Q(t).
- Nếu S = 0; R = 1 mạch lật qua trạng thái 0
- Nếu S = 1; R = 0 mạch lật qua trạng thái 1
- Khi S = R = 1 trạng thái mạch lật không xác
định nên ít khi được dùng trong thực tế

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật D: (Data)
Mạch lật SR được đổi sang mạch lật D bằng
cách đưa vào một cổng đảo giữa S và R và
cũng dùng ký hiệu D cho ngõ vào duy nhất.
Khi D = 1, ngõ ra là 1; khi D = 0, ngõ ra là 0

@IT

@IT
@IT
@IT
Mạch lật D: (Data) (tt)
-
Trạng thái kế Q(t+1) được xác định từ ngõ
vào D.
-
Mối quan hệ có thể biểu diễn bằng phương
trình đặc tính: Q(t+1) = D
- Nghĩa là ngõ ra Q nhận trị từ ngõ vào D khi
tín hiệu đồng hồ chuyển từ 0 sang 1.
-
Lưu ý là không có điều kiện nhập để giữ trạng
thái của mạch lật D.

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật D: (Data) (tt)
-
Mạch lật D thuận tiện là chỉ có một ngõ vào
nhưng bất tiện là không có điều kiện không
đổi Q(t+1) = Q(t)
- Điều kiện không đổi có thể lấy bằng cách vô
hiệu tín hiệu đồng hồ hoặc cho ngõ ra trở lại
ngõ vào, khi đó thì xung đồng hồ sẽ giữ trạng
thái mạch lật không đổi.

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật JK:
Là một cải tiến của mạch lật SR trong đó
điều kiện không xác định của SR được định
nghĩa trong JK.
Ngõ vào J, K hoạt động giống như S, R để
đặt và xóa mạch lật.
Khi J, K đều bằng 1, một chuyển tiếp đồng
hồ sẽ chuyển ngõ ra mạch lật sang trạng thái
bù.

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật JK:
Tương đương với mạch SR. Thay vì không xác
định, mạch lật JK có điều kiện bù
Q(t + 1) = Q’(t) khi J = K = 1

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật T:

Mạch lật T là mạch xuất phát từ mạch lật JK

với 2 ngõ vào được kết nối thành một ngõ
vào T.

Vì vậy mạch lật T chỉ có hai điều kiện:
- Khi T = 0 (J=K=0), một chuyển tiếp đồng
hồ không thay đổi trạng thái của mạch lật
- Khi T = 1 (J=K=1), một chuyển tiếp đồng
hồ làm bù trạng thái mạch lật.
Các điều kiện này có thể biểu diễn bằng
phương trình thuộc tính:
Q(t+1) = Q(t) ⊕ T

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật T:

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật lề:

Các mạch lật nói trên chỉ là một trong hai loại
mạch lật lề.

Đây là loại mạch thông dụng nhất để đồng bộ
việc thay đổi trạng thái trong một chuyển tiếp
xung đồng hồ.


Trong loại mạch này, các chuyển tiếp xuất xảy ra
tại một mức xung đồng hồ xác định.

Khi mức nhập xung quá ngưỡng này, các ngõ
nhập bị khoá lại sao cho mạch lật không đáp ứng
với các thay đổi ở ngõ nhập sau đó, cho đến khi
xung đồng hồ trở về 0 và một xung khác đến.

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật lề:

Một số mạch lật lề tạo chuyển tiếp ở lề lên
của tín hiệu đồng hồ (chuyển tiếp lề dương –
Postive edge transition
)

Và một số khác tạo chuyển tiếp ở lề xuống
của tín hiệu đồng hồ (chuyển tiếp lề âm –
Negative edge transition
)

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật lề:


Tín hiệu xung trong mạch lật D lề dương.

Trị ngõ nhập D chuyển sang ngõ xuất Q khi
đồng hồ tạo chuyển tiếp dương.

Ngõ xuất không thể thay đổi khi đồng hồ ở
mức 1, mức 0 hoặc chuyển tiếp từ mức 1
xuống 0.

@IT
@IT
@IT
@IT
Mạch lật lề:

Chuyển tiếp đồng hồ dương bao gồm:
- Thời gian tối thiểu gọi là thời định
(setup
time)
- Trong đó ngõ nhập D phải duy trì một hằng trị
trước khi chuyển và một thời gian hưu hạn gọi
là thời lưu
(hold time)
- Trong đó ngõ nhập D không thay đổi chuyển
tiếp dương.
- Chuyển tiếp dương có hiệu lực thường là một
phần rất nhỏ trong tổng chu kỳ xung đồng hồ.

@IT

@IT
@IT
@IT
Mạch lật lề:
Mạch lật lề

@IT
@IT
@IT
@IT
MẠCH TUẦN TỰ

Mạch tuần tự là một kết nối các mạch lật với
các cổng.

Bản thân các cổng tạo thành mạch tổ hợp,
nhưng khi gộp vào với các mạch lật, toàn bộ
mạch được sắp vào loại mạch tuần tự.

Khối mạch tổ hợp nhận tín hiệu nhị phân từ
các ngõ nhập ngoài và đi vào mạch lật.

Các cổng trong mạch tổ hợp xác định trị nhị
phân lưu vào mạch lật sau mỗi chuyển tiếp
đồng hồ.

@IT
@IT
@IT
@IT

MẠCH TUẦN TỰ (tt)

Phương trình nhập mạch lật:
-
Một biến nhập ngoài x
-
Một biến xuất ngoài y
-
Hai mạch lật D có đồng hồ
-
Các cổng AND, OR, và NOT tạo thành phần tổ
hợp của mạch.
-
Các kết nối giữa các cổng trong mạch tổ hợp
có thể xác định qua các biểu thức boolean.
-
Phần mạch tổ hợp tạo ngõ nhập cho các mạch
lật được mô tả qua các biểu thức boolean gọi
là phương trình mạch lật.

@IT
@IT
@IT
@IT
MẠCH TUẦN TỰ (tt)

Bảng trạng thái mạch lật:
- Hoạt động của mạch tuần tự được xác định từ
các ngõ nhập, xuất và trạng thái của các mạch lật.
- Ngõ ra và trạng thái kế là hàm của các ngõ

nhập và trạng thái hiện tại.
- Mạch tuần tự được xác định qua bảng trạng
thái liên kết các ngõ ra và trạng thái kế như là một
hàm của các ngõ nhập và trạng thái hiện hành.
- Mạch tuần tự có đồng hồ, chuyển tiếp từ trạng
thái hiện hành sang trạng thái kế được kích hoạt
bởi một tín hiệu đồng hồ

@IT
@IT
@IT
@IT
MẠCH TUẦN TỰ (tt)

Lược đồ trạng thái:
- Thông tin trong bảng trạng thái có thể biểu
diễn dưới dạng hình ảnh trong lược đồ trạng
thái.
- Trạng thái được biểu diễn bằng một vòng
tròn và chuyển tiếp giữa các trạng thái được ghi
nhận bằng các đường nối các vòng.
- Các đường nối được ghi bằng hai số nhị
phân được ghi cách nhau bằng dấu (/).
- Số phía trước là trị hiện tại; số sau là trị
xuất trong trạng thái hiện hành.