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

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn Mạch số - Chương 1: Giới thiệu tổng quan - Nguyễn Thanh Sang

1. NHẬP MÔN MẠCH SỐ CHƯƠNG 1 Giới thiệu tổng quan
2. Thông tin giảng viên, Sách tham khảo, Qui định môn học Sách tham khảo Digital Systems - principles and Digital design - Principles and Kỹ thuật số 1 applications, Ronald J. Tocci, 10th Practices, John F. Wakerly, 4th Nguyễn Như Anh, NXB Edition, Prentice-Hall, 2001. Edition, Prentice-Hall, 2001. ĐHQG TP.HCM, 2002. 3
3. Mục tiêu môn học • 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 5
4. Chuỗi các môn học về thiết kế và ứng dụng chip • 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 7
5. 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 9
6. 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
7. 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
8. Tổng quan 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) 15
9. Tổng quan  Tín hiệu tương tự  Tín hiệu số (Analog signal) (Digital signal) - Điện áp trên dây dẫn của một Microphone - Nút nhấn trên một bàn phím - Âm thanh truyền đến một Microphone 17
10. 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. Những hạn chế khi thao tác trên dữ liệu số  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
12. 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. CD drive 10110011101 Digital-to-analog Linear amplifier Digital data converter Analog reproduction of music audio Speaker signal Sound waves 23
13. Tương tự (analog)  Số (digital) 25
14. 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 27
15. 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. Positive-going pulse Negative-going pulse 29
16. Dữ liệu nối tiếp (serial data) và song song (parallel data) • Dữ liệu Số có thể được truyền giữa hai thiết bị theo kiểu nối tiếp (serial) hoặc theo kiểu song song (parallel) 31
17. Qui trình thiết kế Số  Truyền thống  CAD (Computer-Aided Design): Thiết kế dựa vào máy tính - Dựa vào các mô hình toán học - Sử dụng phần mềm dựa trên mô - Sử dụng các phương pháp phân hình toán học và các phương pháp tích phân tích - Qui định các ràng buộc - Dễ dàng, tiện lợi cho người sử - Hữu ích với các thiết kế nhỏ dụng - Không phù hợp với các thiết kế - Nhiều chi tiết được trừu tượng hóa lớn trong thực tế - Rất phù hợp cho các thiết kế trong thực tế (thiết kế phức tạp) 33
18. Qui trình thiết kế Số Thử nghiệm Sửa lỗi thực tế Kiểm tra Có lỗi Sửa lại nhỏ? thiết kế Thiết kế hoạt động đúng với mô tả kỹ thuật? Hoàn thành sản phẩm 35
19. Thiết bị kiểm tra và đo lường • 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
20. Các loại chip Số A. Dựa vào đặc điểm, tính năng 1. 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 39
21. Các loại chip Số A. Dựa vào đặc điểm, tính năng 3. 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 An ASIC-based USB Bitcoin miner. The ASIC chip is on the bottom-left of the device A tray of ASIC chips 41
22. 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 43
23. THẢO LUẬN ??? 45