Bài giảng kỹ thuật số - Nguyễn Đức Thiện

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỐ
(Bậc: Cao đẳng)
GV biên soạn: NGUYỄN ĐỨC THIỆN
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỔ
Bậc: Cao Đẳng
Số tiết: 30
GVGD: NGUYỄN ĐỨC THIÊN
Quảng Ngãi - Năm 2014
LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng Kỹ thuật số được biên soạn trên cơ sở đề cương chi tiết học phần Kỹ thuật số trong chương trình đào tạo bậc Cao Đẳng chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử. Bài giảng gồm có 9 chương:
Chương 1 CÁC HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ
Chương 2 CÁC CỔNG LOGIC VÀ ĐẠI SỐ BOOLE
Chương 3 CỔNG LOGIC TTL VÀ CMOS
Chương 4 GIAO TIẾP CỔNG LOGIC
Chương 5 CÁC MẠCH TỔ HỢP MSI
Chương 6 MẠCH TUẦN Tự FLIP-FLOP VÀ GHI DỊCH
Chương 7 MẠCH ĐÉM, MẠCH ĐỊNH THỜI
Chương 8 MẠCH CHUYÊN ĐỔI ADC VÀ DAC
Chương 9 BỘ NHỚ BÁN DẪN
Trong quá biên soạn bài giảng không tránh khỏi những thiếu sót. Hy vọng nhận được sự góp ý của bạn đọc để lần biên soạn tiếp theo có chất lượng tốt hơn.
MỤC LỤC
Chương 1 CÁC HỆ THÔNG SÔ VÀ MÃ
Một số trong hệ thống số bất kỳ nói chung là gồm có hai phần: nguyên và thập phân được biểu diễn như sau:
(N)b = dn-1dn-2 . . .do , d-1d-2 . . .d-m
Trong đó
N: Một số
b: Hệ thống số
n: Số chữ số trong phần nguyên m: Số chữ số trong phần thập phân dn-1: Chữ số có nghĩa lớn nhất d_m: Chữ số có nghĩa thấp nhất di thuộc b
i = -m n-1
Neu gọi V là giá trị của số (N)b thì:
V = dn-i.bn 1 + dn-2.bn 2 + . . . + do.b0 + d-i.b 1 + d-2.b 2 + . . . +d-m.b m
Hệ thong thập phân (Decimal number system)
Hệ thống thập phân hay còn gọi là hệ cơ số mười (Decimal number system, viết tắt là D). Trong hệ thống thập phân người ta dùng tổ hợp 10 ký hiệu {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} với qui ước về giá trị {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}, để biểu diễn các giá trị số.
Ví dụ 1.1: Số (253,49)D có giá trị như sau:
= (253,49)d = 2.102 + 5.101 + 3.100 + 4.10-1 + 9.10-2
Ví dụ 1.2: Số 475,28 có giá trị như sau:
= (475,28)d = 4.102 + 7.101 + 5.100 + 2.10-1 + 8.10-2
Hệ thong nhị phân (Binary number system)
Hệ thống nhị phân hay còn gọi là hệ cơ số hai (Binary number system, viet tắt là B). Trong hệ nhị phân người ta dùng tổ hợp 2 ký hiệu {0, 1} với qui ước về giá trị {0, 1}, để biểu diễn các giá trị số.
Hệ thống nhị phân được dùng trong các máy tính để biểu hai mức điện áp, mức điện áp cao ứng với 1 và mức điện áp thấp ứng với 0. Một công tắc có thể đóng (để dòng điện đi qua làm sáng bóng đèn, hoặc hở (không có dòng điện đi qua, làm bóng đèn tắt), một transistor ngưng dẫn hay dẫn bão hòa.
Ví dụ 1.3: Một số nhị phân 8 bit.
MSB
1
0
1
0
LSB
1
1
0
1
Thứ tự bit	7
6
5
4
3
2
1
0
MSB (Most Significant Bit): Bit có nghĩa lớn nhất.
LSB (Least Significant Bit): Bit có nghĩa bé nhất.
Số nhị phân 4 bit được gọi là nipple.
Số nhị phân 8 bit được gọi là byte.
Số nhị phân 16 bit được gọi là word (từ).
Số nhị phân 32 bit được gọi là doubleword.
Số nhị phân 64 bit được gọi là quadword.
Lũy thừa nguyên của 2 được trình bày như sau:
210 = 1024 = 1K (Kilo)
220 = 210.210 = 1K . 1K = 1M (Mega)
230 = 210.220 = 1K . 1M = 1G (Giga)
Chuyển một số từ hệ thống nhị phân sang hệ thống thập phân
Chính là tính toán giá trị của số nhị phân đó.
Ví dụ 1.4: Số (10010101)B có giá trị:
= (10010101)B = 1.27 + 0.26 + 0.25 + 1.24 + 0.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 128 + 16 + 4 + 1 = (149)D
Ví dụ 1.5: Số (101011,10)B có giá trị như sau:
= (101011,10)B = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 + 1.2-1 + 0.2-2 = 32 + 8 + 2 + 1 + 0,5 = (43,5)d
Chuyển đổi một số từ hệ thống thập phân sang hệ thống nhị phân
Đối với phần nguyên:
Thực hiện phép chia liên tiếp cho 2 đồng thời giữ lại các số dư. Số nhị phân là dãy số dư đọc từ lần chia cuối cùng về lần chia đầu tiên.
Đối với phần thập phân:
Thực hiện phép nhân liên tiếp với 2 và giữ lại phần nguyên được sinh ra.
Ví dụ 1.6: Chuyển số (26)D sang hệ thống nhị phân
Thương
dư
26/2	13
0
13/2	6
1
6/2	3
0
3/2	1
1
1/2	0
1
Vậy (26)d = (11010)b
Ví dụ 1.7 : Chuyển số (13,25)D sang hệ thống nhị phân Phần nguyên:
Thương
dư
13/2
6
1
6/2
3
0
3/2
1
1
1/2
0
1
(13)d
= (1101)b
Phần thập phân:
0,25
0,50
X 2
X 2
0,50
1,00
0
1
(0,25)d
= (0,01)b
Vậy (13,25)d = (1101,01)b
Hệ thống thập lục phân (Hexadecimal number system)
Hệ thống thập lục phân hay còn gọi là hệ cơ số 16 (Hexadecimal number system, viết tắt là H). Trong hệ thống thập lục phân người ta dùng 16 ký hiệu {0, 1, 2, . . . , 9, A, B, C, D, E, F} với qui ước về giá trị {0, 1, 2, . . . , 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15}, để biểu diễn các giá trị số.
Chuyển một số từ hệ thống thập lục phân sang hệ thống thập phân
Chính là tính toán giá trị của số đó.
Ví dụ 1.8: Số (3A,2F)H có giá trị như sau:
V = 3.161 + 10.160 + 2.16-1 + 15.16-2 = 48 + 10 + 0,125 + 0,0586 =
(58,1836)d
Tương tự như trên số (3A,2F)H trong hệ thống thập lục phân được chuyển thành số (58,1836)D trong hệ thống thập phân.
Chuyển đổi một số từ hệ thống thập phân sang hệ thống thập lục phân:
Đối với phần nguyên:
Thực hiện phép chia liên tiếp cho 16 đồng thời giữ lại các số dư. Số thập lục phân là dãy số dư đọc từ lần chia cuối cùng về lần chia đầu tiên.
Đối với phần thập phân:
Thực hiện phép nhân liên tiếp với 16 và giữ lại phần nguyên được sinh ra.
Ví dụ 1.9 : Chuyển số (675,625)D sang hệ thống thập lục phân
Phần nguyên:
Thương
dư
675/16
42
3
42/16
2
10
2/16
0
2
(675)d = (2A3)h
Phần thập phân:
0,625
X	16
10,000
A
(0,625)d = (0,A)h
Vậy (675,625)d = (2A3,A)h
Chuyển đổi một số từ hệ thống nhị phân sang hệ thống thập lục phân:
Đối với phần nguyên:
Thay thế các nhóm gồm 4 bit bắt đầu từ LSB (Least significant bit: bit ít ý nghĩa nhất) và chuyển dần về phía MSB (Most significant bit: bit nhiều ý nghĩa nhất) bằng các ký hiệu tưong ứng trong hệ thống thập lục phân.
Đối với phần thập phân:
Thay the các nhóm gồm 4 bit bắt đầu từ bit tiếp theo ngay sau dấu phẩy và chuyển dần về phía bên phải bằng các ký hiệu tưong ứng trong hệ thống thập lục phân.
Bảng 1.1 Bảng thập phân - nhị phân - thập lục phân
Decimal
Binary
Hexa
0
0000
0
1
0001
1
2
0010
2
3
0011
3
4
0100
4
5
0101
5
6
0110
6
7
0111
7
8
1000
8
9
1001
9
10
1010
a
11
1011
B
12
1100
C
13
1101
D
14
1110
E
15
1111
f
Ví dụ 1.10: Chuyển số (1010101111,0001111001)B sang hệ thống thập lục phân
Phần nguyên:
(1010101111)B = 10 1010 1111 = (2AF)h
Phần thập phân:
(0,0001111001)b = 0,0001 1110 0100 = (0,1E4)h
Vậy (1010101111,0001111001)B = (2AF,1E4)h
Chuyển một số từ hệ thống thập lục phân sang hệ thống nhị phân:
Thay the mỗi ký hiệu trong hệ thống thập lục phân bằng 4 bit nhị phân tương đương của nó.
Ví dụ 1.11: Chuyển số (2F,9A)H sang hệ thống nhị phân
(2F,9A)h = 0010 1111 , 1001 1010 = (101111,1010101)b
So có dấu
Vì trong máy tính và các mạch số sử dụng hệ thống nhị phân, do đó để biểu diễn dấu của một số người ta phải sử dụng các ký hiệu (hay các bit) 0 và 1. Thông thường một bit thêm vào được đặt ở vị trí MSB, với giá trị 0 biểu diễn số dương và giá trị 1 để biểu diễn số âm.
Ví dụ 1.12 : Một số có dấu 8 bit 01000100 = + (1.26 + 1.22) = + 68 = 68
Ví dụ 1.13 : Một số có dấu 8 bit 11000100 = - (1.26 + 1.22) = - 68
Có 3 loại số nhị phân có dấu:
Mã thuận
Bit có trọng số cao nhất (MSB) dùng để biểu diễn dấu và các bit còn lại dùng để biểu diễn độ lớn.
Neu dùng n bit để biểu diễn số nhị phân có dấu thì có thể biểu diễn được 2n số nhị phân có dấu.
Số dương lớn nhất được biểu diễn là +(2n-1 -1)
Số âm lớn nhất được biểu diễn là -(2n-1 -1)
Số 0 được biểu diễn bởi 2 số: Số +0 và số -0
Ví dụ 1.14: Cho n = 8 bit thì có thể biểu diễn 2n = 28 = 256 số nhị phân có dấu
Số +0 được biểu diễn là 00000000 = +0
Số -0 được biểu diễn là và 10000000 = -0
Số +1 được biểu diễn là 00000001 = +(1.2o) = +1 = 1
Số -1 được biểu diễn là 10000001 = -(1.2o) = -1
Số dương lớn nhất được biểu diễn là: 01111111 = +(1.26 + 1.25 +1.24 +1.23 +1.22 +1.21 +1.20 ) = +(27 -1) = +127
Số dương âm nhất được biểu diễn là: 11111111 = -(1.26 + 1.25 +1.24 +1.23 +1.22 +1.21 +1.20 ) = -(27 -1) = -127.
Ví dụ 1.15 : Số nhị phân có dấu 6 bit
010101 = +21	110101 = -21
000000 = +0	100000 = -0
Cách biểu thị dấu - độ lớn cho số nhị phân có dấu trên không cho phép thực hiện các phép toán vì kết quả thường sai.
Ví dụ 1.15 : Đối với số nhị phân có dấu 5 bit
01000 (+8)
01000 (+8)
+	01010 (+10)
+	10010 (-2)
10010 (-2)
11010 (-10)
sai
sai
Ví dụ 1.15 bên trái, bit MSB được hiểu là độ lớn thay vì bit dấu thì kết quả là đúng.
Số bù một
Số bù 9 của một số thập phân được định nghĩa qua ví dụ 1.16 sau:
Số bù 9 của 8 là: 9 - 8 = 1
Số bù 9 của 7818 là 9999 - 7818 = 2181
Tương tự như vậy số bù 1của một số nhị phân n bit là hiệu số của 111 . . . (n bit) và số nhị phân đó.
Ví dụ 1.17: Số bù 1 của 10 là:
11
	10
01
Số bù 1 của 101101 là:
111111
101101
010010
Vậy trong hệ thống nhị phân nếu ta thay bit 1 bằng bit 0 và ngược lại ta sẽ được một số nhị phân khác gọi là bù 1 của số nhị phân đó.
Ví dụ 1.18: Đối với số nhị phân 4 bit
Số bù 1 của 0010 (2) là: 1101
Số bù 1 của 1000 (8) là: 0111
Đe thực hiện các phép toán số học, người ta vẫn biểu thị số có dấu ở dạng dấu - độ lớn. Số dương với bit dấu là 0 - độ lớn, số âm với bit dấu là 1 - bù 1của độ lớn.
Ví dụ 1.19: Đối với số có dấu 5 bit gồm có bit dấu MSB và 4 bit độ lớn
2 =	0010 (độ lớn)
+2 = 0	0010 (số dương 2)
-2 = 1 bù 1 (0010) = 1(1101) =11101	(số âm 2)
Bit dấu của số dương là 0 và bù 1 của nó là 1, nên số âm được biểu thị bởi số bù 1 của số dương tương ứng.
Ví dụ 1.20: Đối với số có dấu 5 bit
-8 = bù 1 (+8) = bù 1 (01000) = 10111
Thực hiện phép trừ hai số nhị phân A - B bằng cách thực hiện phép cộng:
A - B = A+ (-B) = A + bù 1 (+B)
Ví dụ 1.21: 8 - 2 = 8 + (-2) = 8 + bù 1 (+2)
0	1000 (+8)
+	1	1101 (bù 1 của +2)
0101 (+5)
Số 1 đầu tiên bỏ, sai
Ket quả sai, nhưng nếu lấy số nhớ tràn (số nhớ trên hàng cao hơn của bit dấu) cộng vào kết quả:
0	1000 (+8)
+	1	1101 (bù 1 của +2)
10	0101
0	0110 (+6)
Thì kết quả sau cùng là đúng.
Ví dụ 1.22: 2 - 8 = 2 + (-8) = 2 bù 1 (+8)
0	0010 (+2)
+	1	0111 (bù 1 của +8)
1001 (-9)
sai
Ket quả sai, nhung lấy bù 1 của độ lớn kết quả, còn bit MSB chỉ số âm giữ nguyên.
Bù 1 (1001) = 0110 = 6.
Ket quả là -6 đúng.
Quy luật trừ hai số nhị phân duơng là:
Đổi hiệu A - B thành tong A + (-B) thay số âm -B bởi bù 1 của +B, sau đó cộng bình thuờng. Neu có bit nhớ tràn thì đem cộng với tổng để có kết quả cuối cùng, nếu tổng là số âm thì thay độ lớn của tổng bằng số bù 1 của nó.
Ví dụ 1.23: 8 - 8 = 8 + (-8) = 8 + bù 1 (+8)
0	1000 (+8)
+	1	0111 (bù 1của +8)
1111
Vì tổng là số âm nên kết quả cuối cùng là: - bù 1 (1111) = - 0000 = - 0
Ví dụ 1.24: 84 - 67 = 84 + (-67) = 84 + bù 1 (+67)
0	1010100	(+84)
+	1	0111100	(bù 1của +67)
10	0010000
1	►	1
0	0010001	(+17)
Ví dụ	1.25:	67 - 84 = 67	+ (-84) = 67 + bù 1 (+84)
0	1000011	(+67)
+	1	0101011 (bù 1của +84)
1	1101110
- bù 1	(1101110) = - (0010001) = -	17
Việc thực hiện phép trừ trên chưa được thuận tiện. Số bù 1 có hai số 0: với số 4 bit thì +0 = 0000 và - 0 = 1111, do đó số bù 1 ít được dùng.
Neu dùng n bit để biểu diễn số nhị phân có dấu thì có biểu diễn được 2n số nhị phân có dấu.
Số dưong lớn nhất được biểu diễn là +(2n-1 -1)
Số âm lớn nhất được biểu diễn là -(2n-1 -1)
Số 0 được biểu diễn bởi 2 số: Số +0 và số -0.
Ví dụ 1.26: Cho n = 4 bit thì có thể biểu diễn 2n = 24 = 16 số nhị phân có dấu
Số dưong lớn nhất được biểu diễn là +(2n-1 -1) = +(23 -1) = +7
Số âm lớn nhất được biểu diễn là -(2n-1 -1) = -(23 -1) = -7
Số 0 được biểu diễn bởi 2 số: Số +0 và số -0.
Bảng 1.2 Số bù một và giá trị của nó
Bù một
Giá trị của số bù một
0000
+0
0001
+1
0010
+2
0011
+3
0100
+4
0101
+5
0110
+6
0111
+7
1000
-7
1001
-6
1010
-5
1011
-4
1100
-3
1101
-2
1110
-1
1111
-0
Từ bảng trên ta thấy giá trị +5 được biểu diễn là 0101 bù một của nó là 1010 có giá trị là -5 và ngược lại.
Số bù hai
Số bù 10 của số thập phân được định nghĩa qua ví dụ 1.27 sau:
Số bù 10 của 8 là: 10 - 8 = 2
Viết dưới dạng:
Số bù 10 của 8 là: 10 - 8 = (9 + 1) - 8 = (9 - 8) + 1 = (bù 9 của 8) + 1
Ví dụ 1.28:
Số bù 10 của 7818 là: 10000 - 7818 = (9999 + 1) - 7818 = (9999 - 7818) + 1 = (bù 9 của 7818) + 1
Bù 2 của số nhị phân được định nghĩa tương tự. Ví dụ 1.29:
Bù 2 của 10 là: 100 - 10 = 010
Viết dưới dạng:
Bù 2 của 10 là: 100 - 10 = (11 + 1) - 10 = (11 - 10) + 1 = (bù 1của 10) + 1
Vậy bù 2 của một số nhị phân là bù 1 của số đó rồi cộng thêm 1.
Ví dụ 1.30: Với số nhị phân 4 bit chưa có dấu
8 = 1000
bù 1 (8) = 0111
bù 2 (8) = 0111 + 1 = 1000
0 = 0000
bù 1 (0) = 1111
bù 2 (0) = 1111 + 1 = 1	0000
bỏ
2 = 0010
bù 1 (2) = 1101
bù 2 (2) = 1101 + 1 = 1110
Từ số bù 2 của một số muốn trở lại số đó thì lấy bù 2. Ví dụ 1.30 trên bù 2 của 2 là 1110.
Bù 2 (1110) = bù 1 (1110) + 1 = 0001 + 1 = 0010 = 2 trở lại số ban đầu.
Trong tính toán, số dương cũng được viết ở dạng dấu - độ lớn, số âm được thay the bởi số bù 2 của số dương tương ứng.
Ví dụ 1.31: Số nhị phân 5 bit có bit MSB là bit dấu
+2
= 0
0010
+0
= 0
0000
bù 1 (+2)
= 1
1101
bù 1 (+0)
= 1
1111
+
1
+
1
-2
= 1
1110
- 0	=
1 0
0000
bỏ
Vì -0 tức bù 2 của +0 tạo số nhớ tràn, nên trong biểu thị số nhị phân ở dạng bù 2, số 0 được biểu thị là +0 = 0 0000 (số nhị phân 5 bit kể cả bit dấu).
Phép trừ sử dụng số bù hai:
Trừ hai số dương A và B được đổi thành phép cộng: A - B = A + bù 2 (+B)
Neu tổng là dương thì là kết quả sau cùng, neu tổng số là âm thì lấy bù 2 của độ lớn để có độ lớn sau cùng (còn dấu là dấu trừ), bỏ đi số nhớ tràn nếu có.
Ví dụ 1.32: 8 - 2 = 8 + bù 2 (+2)
0	1000 (+8)
+	1	1110 (bù 2 của +2)
0110 (+6)
bỏ
Ví dụ 1.33: 2 - 8 = 2 + bù 2 (+8)
0	0010 (+2)
+	1	1000 (bù 2 của +8)
1	1010 (số âm)
Độ lớn: 1010, bù 1: 0101, bù 2: 001 + 1 = 0110 = 6. Vậy kết quả là: -6. Neu A âm thì thay bằng bù 2 của số dương tương ứng.
Ví dụ 1.34: -2 - 8 = +(-2) + (-8) = bù 2 (+2) + bù 2 (+8)
1	1110 (bù 2 của +2)
+	1	1000 (bù 2 của +8)
0110 (số âm)
bỏ
Độ lớn: 0110, bù 1: 1001, bù 2: 1001 + 1 = 1010 = 10. Vậy kết quả là: -10.
Neu dùng n bit để biểu diễn số nhị phân có dấu thì có biểu diễn đuợc 2n số nhị phân có dấu. Trong phuong pháp này MSB (Most significant bit: bit có ý nghĩa nhất) bằng 0 thì số đó là số duong, nếu MSB bằng 1 thì số đó là số âm.
Số duong lớn nhất đuợc biểu diễn là +(2n-1 -1)
Số âm lớn nhất đuợc biểu diễn là -2n-1
Ví dụ 1.35: Cho n = 4 bit thì có thể biểu diễn 2n = 24 = 16 số nhị phân có dấu
Số duong lớn nhất đuợc biểu diễn là +(2n-1 -1) = +(23 -1) = +7
Số âm lớn nhất đuợc biểu diễn là -2n-1 = -23 = -8
Bảng 1.3 Bảng số bù hai và giá trị của nó
Bù hai
Giá trị của số bù hai
0000
+0
0001
+1
0010
+2
0011
+3
0100
+4
0101
+5
0110
+6
0111
+7
1000
-8
1001
-7
1010
-6
1011
-5
1100
-4
1101
-3
1110
-2
1111
-1
Từ bảng trên ta thấy giá trị +5 đuợc biểu diễn là 0101 bù hai của nó là 1011 có giá trị là -5 và nguợc lại.
Các loại mã
Máy tính và các mạch số được dùng để thao tác dữ liệu có thể là số, chữ cái hay các ký tự đặc biệt. Thông tin trong máy tính và mạch số đều được biểu diễn dưới dạng các ký tự 0 và 1 của hệ nhị phân. Một tổ hợp các ký tự 0 và 1 được gán cho một chữ số, một ký tự chữ cái, hoặc một ký tự đặc biệt theo một cách thức nhất định. Quá trình này gọi là mã hoá, có nhiều cách mã hoá khác nhau do đó có nh ... iện đủ lớn theo quy định. Cầu chì của phần tử nhớ đứt rồi thì không có cách gì nối lại như cũ được , tức không thể thay đổi nội dung được nữa.
Ngoài hình thức cầu chì, người ta còn che tạo PROM dùng diode Schottky thay the phưong pháp cầu chì trên. Khi xuất xưởng, tất cả các diode Schottky đều ngắt (ở trạng thái phân cực ngược), tưong ứng bit 0. Đe tạo ra bit 1, người sử dụngphải đặt điện áp ngược đủ lớn để diode Schottky đánh thủng tạo thành chập cực thông mạch vĩnh viễn.
Bộ nhớ chỉ đọc có thể viết lại (EPROM)
Thực tiễn luôn luôn có nhu cầu sửa chữa, đổi mới một số dữ liệu nào đó trong ROM, do vậy người ta không thỏa mãn với ROM cố định và PROM. EPROM giải quyết và đáp ứng nhu cầu trên nên có ứng dụng rộng rãi. Hiện nay EPROM sử dụng phần tử nhớ trên cơ sở transistor FAMOS (Floating - gate Avalanche - inection Metal Oxide Semiconductor - Bán dẫn oxýt kim loại phun - cực cổng thác lũ thả nổi).
Ket cấu của transistor FAMOS
Cực cửa thả nôi
SiO2	/ D
Lớp đế N
Hình 9.4 Cấu tạo của transistor FAMOS
Transistor FAMOS cơ bản là transistor MOS cực cổng Si kênh P. Điểm khác biệt của nó là cực cổng hoàn toàn bị SiO2 cách ly, nên ở trạng thái “bồng bềnh”, và có tên cực cổng thả nổi. Cực này vốn không mang điện, nên không có kênh dẫn giữa cực nguồn S và cực máng D, transistor FAMOS ở trạng thái ngắt.
Nhưng nếu đặt điện áp tương đối lớn (ví dụ -30V) giữa D và S, làm cho chuyển tiếp PN giữa cực máng D và đe bị đánh thủng thác lũ, điện tử trong vùng nghèo kiệt nhờ điện trường mạnh gia tốc lớn bay từ vùng P+ ra ngoài. Do tốc độ cao, có một phần điện tử xuyên qua lớn oxýt rất mỏng để tới cực cổng thả nổi, chúng được tồn trữ ở đó. Quá trình này gọi là phun thác lũ. Khi không còn điện áp đặt giữa D và S, vì điện tích ở cực cổng không có lối thoát đi, nên bảo tồn lâu dài ở cực cổng (ở 1000C, một năm suy giảm chưa tới 1%). Điều chỉnh biên độ điện và thời gian của điện áp giữa DS, thì có thể điều khiển lượng điện tử phun vào. Khicực cổng có nhiều điện tử (điện tích âm) thì có thể tạo ra kênh dẫn giữa D và S làm cho transistor FAMOS trở thành thông. Neu dùng tia cực tím hoặc tia X chiếu vào transistor FAMOS làm trung hòa điện tích ở cực cổng, kênh dẫn biến mất, transistor FAMOS trở lại trạng thái ngắt. Đe tiện tiến hành việc khử bỏ kênh dẫn, khi bao gói, người ta để một cửa sổ thạch anh cho việc chiếu xạ khi cần.
EPROM cấu tạo từ transistor trường, mỗi phần tử nhớ gồm một transistor MOS. Dây từ điều khiển cực cổng. Khi xuất xưởng, tất cả các FAMOS đều ở trạng thái hở mạch. Người sử dụng căn cứ vào dữ liệu lưu giữ, đưa xung điện áp âm vào dây bit đã chọn, lại điều khiển dây từ cho MOS theo địa chỉ thông dẫn. FAMOS ở dây bit đã chọn sẽ đánh thủng thác lũ, phun điện tử vào cực cổng của nó.
Khi đọc ra, dây từ chọn hàng phần tử nhớ, FAMOS nào đã có điện tử phun vào cực cổng của nó sẽ dẫn điện, dây bit tương ứng sẽ có mức cao. FAMOS nào không có điện tử phun vào cực cổng thì hở mạch, dây bit tương ứng sẽ có mức thấp.
Bộ nhớ RAM (Random Access Memory - Bộ nhớ đọc viết)
RAM là một phần không thể thiếu của máy tính điện tử số. Hiện nay, RAM là bộ nhớ bán dẫn.
RAM bán dẫn có ưu điểm:
+ Tốc độ lớn
+ Thể tích nhỏ
+ Dung lượng lớn
+ Tiết kiệm điện năng
+ Độ tin cậy cao
Kết cấu của RAM bán dẫn
Trong máy tính điện tử số, cả chương trình và số liệu đều biểu thị bằng số nhị phân. RAM bán dẫn là vi mạch (IC) cỡ lớn, bao gồm hàng trăm, hàng nghìn phần tử nhớ để lưu trữ số nhị phân đó.
Một phần tử nhớ có thể nhớ một số nhị phân (1 bit). Căn cứ vào so bit, RAM có hai hình thức kết cấu tổ chức bộ nhớ là:
+ Nhiều từ 1 bit
+ Nhiều từ nhiều bit
Trong kết cấu nhiều từ 1 bit, mỗi tổ chức cơ sở của bộ nhớ chỉ nhớ 1 bit. Ví dụ: RAM 1024 X 1 là bộ nhớ có 1024 phần tử nhớ 1 bit.
Trong kết cấu nhiều từ nhiều bit, mỗi tổ chức cơ sở của bộ nhớ lưu giữ nhiều bit. Ví dụ: RAM 256 X 4 là bộ nhớ có 256 phần tử nhớ 4 bit.
Tích số của số phần tử nhớ cơ sở và so bit của phần tử đó là dung lượng của bộ nhớ RAM. Ví dụ: RAM 16384 X 1 có dung lượng 16384 bit bằng 16Kbit.
Nói chung RAM bán dẫn có cấu trúc nhiều từ 1 bit
Sơ đồ khối của RAM
Hình 9.6 Sơ đồ khối của RAM bán dẫn
Bộ giải mã địa chỉ:
Trong RAM có rất nhiều phần tử nhớ; để phân biệt, từng phần tử nhớ được gán một địa chỉ. Mỗi lần đọc hoặc viết chỉ có thể làm việc với một phần tử nhớ có địa chỉ đã cho. Hoặc là viết vào phần tử xét, hoặc là đọc ra nội dung đã viết vào trước đó, quá trình này gọi là truy nhập xuất bộ nhớ. Mã nhị phân biểu thị địa chỉ cần truy nhập truy xuất được đưa vào bộ giải mã địa chỉ. Sau khi đã giải mã, ở đầu ra ta có tín hiệu tích cực một dây tưong ứng để mở thông đường vào / ra cho dữ liệu viết / đọc vào phần tử có địa chỉ đó.
Điều khiển đọc viết:
Đối với phần tử nhớ được chọn theo địa chỉ, sự đọc ra hay viết vào tùy thuộc vào sự điều khiển của tín hiệu điều khiển đọc / viết. Ví dụ R/W, mức logic 1 là đọc, mức logic 0 là viết. Cũng có RAM có hai đường dây tín hiệu riêng lẻ để điều khiển tín hiệu đọc viết.
Đầu vào / ra:
Bằng các đầu vào ra mà RAM có thể trao đổi tin tức với bộ xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit). Các đường dây dữ liệu là hai chiều, do tín hiệu điều khiển đọc / viết mà khi đọc, nó là đầu ra; khi viết nó là đầu vào. Số đầu vào ra phụ thuộc vào so bit trong một địa chỉ.
Ví dụ: RAM 1024 X 1 mỗi địa chỉ là một phần tử nhớ nên tưong ứng chỉ có một đầu vào ra. RAM 256 X 4 mỗi địa chỉ là của một nhóm 4 phần tử nhớ nên tưong ứng có 4 đầu vào / ra.
Cũng có RAM dây dữ liệu vào riêng, dây dữ liệu ra riêng. Đầu ra nói chung là mạch ra 3 trạng thái hay mạch hở cực góp.
Điều khiển chọn chíp:
Do sự hạn che về khả năng tích hợp RAM trên mỗi chip, bộ nhớ RAM của máy tính phải do nhiều chip RAM ghép nối logic với nhau. Khi CPU truy nhập truy xuất bộ nhớ theo địa chỉ thì địa chỉ đó thường tương ứng với một chip RAM nào đó được chọn. Điều khiển chọn chip nhằm mục đích đó.
Neu tín hiệu chọn chíp dẫn vào chíp RAM nào đó ở mức tích cực thì chíp đó được chọn. Tín hiệu đầu ra bộ giải mã của chíp xét sẽ điều khiển mở thông đường vào / ra cho việc trao đổi dữ liệu giữa CPU và phần tử nhớ có địa chỉ CPU phát ra, (Những chip RAM khác không có tín hiệu chọn chíp ở mức tích cực thì không được chọn, nghĩa là bị ngắt khỏi liên hệ với CPU).
Ma trận nhớ:
Các phần tử nhớ của RAM thường được bố trí dạng ma trận, gọi là ma trận nhớ. Đầu ra bộ giải mã địa chỉ điều khiển sự nối / ngắt giữa phần tử nhớ trong ma trận với đầu vào / ra của bộ nhớ. Phần tử nhớ tương ứng với địa chỉ được giải mã được nối thông, những phần tử khác bị ngắt.
Ma trận nhớ và bộ giải mã địa chỉ của RAM 1024 X 1.
Ma trận này có hình thức kết nối nhiều từ 1 bit, cấu trúc thành ma trận 32 X 32, mỗi khối vuông nhỏ trong hình vẽ là một phần tử nhớ. Sự nối thông với mạch ngoài của phần tử nhớ do tín hiệu đầu ra bộ giải mã địa chỉ điều khiển. Có 10 dây địa chỉ, tương ứng 1024 địa chỉ của 1024 phần tử nhớ.
A0
A1
A2
A3
A4
A5 A6 A7 A8 A9
Hình 9.7 Ma trận nhớ và bộ giải mã địa chỉ của RAM 1024X1
Giải mã địa chỉ phân làm hai: Bộ giải mã hàng và bộ giải mã cột.
Các dây địa chỉ A0	A4 là đầu vào bộ giải mã hàng. Đầu ra bộ giải mã hàng
là 32 dây X0	X31 là các dây chọn hàng.
Các dây địa chỉ A5	A9 là đầu vào bộ giải mã cột. Đầu ra bộ giải mã cột là
32 dây Y0	Y31 là các dây chọn cột.
Dây chọn hàng Xi điều khiển sự nối thông của mỗi phần tử nhớ trong hàng tuơng ứng của ma trận nhớ và dây bit
Dây chọn cột Xi điều khiển sự nối thông của dây bit mỗi cột tuơng ứng với dây dữ liệu D , D.
Ví dụ: Khi X0 = 1, Y0 = 1, 32 phần tử nhớ 0-0	0-31 của hàng thứ nhất
trong ma trận nhớ đuợc nối thông với dây bit tuơng ứng. Trong 32 đôi dây bit thì chỉ có một đôi dây bit đuợc Y0 điều khiển nối thông với dây dữ liệu. Vậy chỉ có một phần tử nhớ 0-0 đuợc nối thông với dây dữ liệu. Phần tử nhớ 0-0 trên đuợc đọc hay đuợc viết, vấn đề này do tín hiệu đọc viết điều khiển.
Neu là đọc thì tin tức luu trữ trong phần tử nhớ 0-0 sẽ xuất ra dây dữ liệu, đầu vào / ra và truyền đen CPU.
Neu là viết thì CPU đua tin tức cần đuợc viết qua đầu vào / ra, dây dữ liệu và ghi vào phần tử nhớ 0-0.
Tuơng tự khi Khi X31 = 1, Y31 = 1, thì phần tử nhớ 31-31 đuợc nối thông với dây dữ liệu, với điều khiển đọc / viết, CPU thông qua BUS dữ liệu, đầu vào / ra, dây dữ liệu thực hiện đọc hay viết vào phần tử nhớ 31-31.
Mạch điện tuơng đối đơn giản dùng để điều khiển đọc viết.
1
2
4
Hình 9.8 Mạch điều khiển đọc / viết của RAM
Các cổng 1	5 làm thành bộ điều khiển đọc viết.
Khi cs= 0; R/W = 1 thì Kr = 0, Kw = 1 thực hiện đọc.
Khi cs= 0; R/W = 0 thì Kr = 1, Kw = 0 thực hiện viết.
Các cổng 6, 7 và bán dẫn MOS Tb T2 làm thành mạch đầu ra 3 trạng thái.
Khi Kr = 0, Kw = 1 thì cổng 11, 12 bị ngắt, cổng 6, 7 sẵn sàng. Dữ liệu D qua cổng 8 đảo pha, qua mạch 3 trạng thái rồi ra đầu ra I/O: I/O = D.
Vậy mạch đã thực hiện đọc.
Khi Kr = 1, K w = 0 thì công 6, 7 bl ngắt, đâu ra của chúng là mức thâp làm cho bán dẫn T1, T2 bị khóa, mạch ra ba trạng thái thể hiện trở kháng cao. Trong khi đó các cổng 11, 12 sẵn sàng, đuờng vào cho dữ liệu đuợc mở thông qua các cổng 9, 10, 11, 12, 13, 14 với D = I/O và D = I/O, tức là thực hiện việc viêt vào bộ nhớ.
Khi cs= 1; Kr = 0; Kw = 1; nghĩa là khi chip RAM không đuợc chọn, thì mạch 3 trạng thái thể hiện trở kháng cao và các cổng 11, 12 cũng bị ngắt, I/O bị ngắt khỏi D, D tức không đọc, không viết.
RAM đuợc giới thiệu ở hình trên luu giữ 1 bit ở 1 địa chỉ. Thực te thuờng dùng luu giữ 8 bit hay 16 bit ở địa chỉ. Vậy nên phải ghép song song các RAM nhiều từ 1 bit.
Hình 9.9 dưới đây giới thiệu 8 chip RAM 1024 X 1 cấu trúc thành bộ nhớ RAM 1024 X 8. Trong hình này, các dây địa chỉ, dây đọc / viết, dây chọn chip đều nối song song, còn các dây I/O được dùng riêng lẻ.
I/ O1	I/ O2	I/ O8
Hình 9.9 Bộ nhú RAM 1024 X 8 bit dùng 8 chip RAM 1024 X 1
+ Phần tử nhớ RAM tĩnh
Phần tử nhớ là hạt nhân của bộ nhớ. Căn cứ vào sự khác biệt nguyên lý làm việc, chúng phân thành RAM tĩnh và RAM động. Căn cứ vào công nghệ sản xuất, chúng được phân thành lưỡng cực và MOS.
Phần tử nhớ NMOS 6 bóng bán dẫn
Xi
+Ed
+Ec
T4
T6
Dây bit B
T7
T3
T1
T2
^j
T5
Dây bit B
T8
Yj
Hình 9.10 Phần tử nhớ RAM tĩnh 6 bóng bán dẫn NMOS
T và T2 làm thành một bộ đảo pha. T3 và T4 cũng làm thành một bộ đảo pha khác. Đầu vào đầu ra của hai bộ đảo pha nối chéo nhau tạo thành một Flip-Flop RS cơ bản, nghĩa là cấu trúc nên phần tử nhớ.
T1 thông T3 ngắt là trạng thái 0.
T3 thông T1 ngắt là trạng thái 1.
T5, T6 là các bóng bán dẫn điều khiển.
Dây Xj điều khiển T5, T6 thông hoặc ngắt, do đó điều khiển sự nối thông đầu ra của Flip-Flop với dây bit.
Khi Xj = 1 thì T5, T6 thông, do đó FF thông với dây bit.
Khi Xi = 0 thì T5, T6 ngắt, do đó FF ngắt khỏi dây bit.
T7, T8 là các bóng bán dẫn điều khiển sự nối thông dây bit với dây dữ liệu bằng tín hiệu dây Yj.
Khi Yj = 1 thì T7, T8 thông, do đó dây bit thông với dây dữ liệu.
Khi Yj = 0 thì T7, T8 ngắt, do đó dây bit ngắt khỏi dây dữ liệu.
Không phải mỗi phần tử nhớ đều có riêng T7, T8. Mà T7, T8 là dùng chung cho cả cột phần tử nhớ.
Vậy chỉ có phần tử nhớ nào mà các giá trị Xi, Yj của nó đều bằng 1 thì mới đuợc nối thông với dây dữ liệu, nghĩa là mới có thể đọc viết đối với phần tử nhớ đó. Ta nói phần tử nhớ i-j đuợc chọn.
Bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có 1 dây Xi nào đó có thể có mức 1, và cũng chỉ có 1 dây Yj nào đó có thể có mức 1. Nghĩa là khi truy cập truy xuất, lúc nào cũng chỉ có một phần tử nhớ đuợc chọn; các phần tử nhớ khác giữ nguyên trạng thái, tức là luu giữ không đổi nội dung đã ghi vào.
+ Phần tử nhớ RAM động
Phần tử nhớ RAM động MOS sử dụng điện dung cực cửa (gate) của bóng bán dẫn MOS để nhớ tạm thời giữ liệu. Do có sự rò điện nên điện tích luu giữ trên điện dung cực cửa bị suy giảm dần. Vậy để dữ liệu luu giữ không bị mất đi, phải bù điện tích bị rò mất bằng cách định kỳ nạp điện bổ sung cho điện dung cực cửa. Việc này đuợc gọi là làm tuơi dữ liệu bộ nhớ động.
Dây dữ liệu
T1 và T2 nối ghép chéo nhau.
Dữ liệu (điện tích) lưu trữ trên C1 và C2. Điện áp trên C1, C2 điều khiển Tb
T2 thông hay ngắt.
Khi C1 nạp điện tích (điện áp trên C1 lớn horn điện áp cắt của T1) và C2 không có điện tích (điện áp trên C2 nhỏ hon điện áp cắt của T2) thì T1 thông, T2 ngắt, tưong ứng với trạng thái 0 của phần tử nhớ.
Khi C2 nạp điện tích, C1 không có điện tích thì T2 thông, T1 ngắt, tưong ứng với trạng thái 1 của phần tử nhớ.
T3 và T4 là những bóng điều khiển sự nối thông phần tử nhớ với dây bit.
T5 và T6 là mạch điện nạp trước của dây bit, dùng chung cho tất cả các phần tử nhớ cùng cột trong ma trận nhớ. Khi bắt đầu truy nhập truy xuất bộ nhớ, trên cực cửa của T5 và T6 có xung nạp trước nên T5 và T6 nối thông, do đó các dây bit B và
B có điện áp cao vì thông với nguồn ED. Sau khi kết thúc xung nạp trước, T5 và T6 ngắt, dây bit cách li khỏi nguồn ED.
Nhưng do tác dụng của điện dung phân bố CB và CB . Khi đó điện áp mức cao của dây bit có thể duy trì thêm một khoảng thời gian nữa. Trong khoảng thời gian này, giả sử tiến hành đọc dữ liệu, dây X có mức cao, T3 và T4 thông. Giả sử phần tử nhớ có trạng thái là 0 (T1 thông, T2 ngắt) thì G1 có mức cao, G2 có mức thấp. Lúc này CB phóng điện qua T1 và T3. Do đó dây bit B biến thành mức thấp. Do T2 ngắt, dây bit B vẫn ở mức cao. Vậy dữ liệu nhớ trong phần tử nhớ đã được đọc ra dây bit B và B . Neu lúc này dây Y cũng ở mức cao thì tín hiệu sẽ đưa đen đầu ra của RAM qua dây dữ liệu D và D.
Vậy mạch điện nạp trước của dây bit có tác dụng gì? Trong khoảng thời gian T3 và T4 thông, nếu dây bit không được nạp điện trước thì mức cao có được của dây B chỉ do C1 phóng điện qua T4 nạp vào CB. Neu the điện tích trên C1 bị suy giảm. CB có giá trị thậm chí lớn hơn C1 (vì có nhiều phần tử nối vào dây bit). Vậy có thể G1 không giữ nguyên mức cao sau 1 lần đọc, tức là dữ liệu bị mất.
Nhờ có mạch điện nạp trước, điện the dây bit B còn cao hơn điện the G1 một ít. Vậy khi đọc dữ liệu, điện tích trên C1 không những không hề bị suy giảm, mà còn được làm tươi nhờ sự nạp điện thêm cho C1 qua T4.
Khi tiến hành viết, đầu vào dữ liệu của RAM sẽ làm thay đổi trạng thái phần tử nhớ thông qua dây dữ liệu và dây bit, tức là đưa dữ liệu vào lưu giữ trong phần tử nhớ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
John F.Wakerly (1999), Digital Design principles practices, Prentice hall,
Nguyễn Hữu Phuong (2001), Mạch số, NXB Thống kê, Tp Hồ Chí Minh.
Vũ Đức Thọ (1996), Cơ sở kĩ thuật điện tử số, NXB Giáo dục, Hà Nội.
1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND
Hình 3.18 7404: 6 cổng NOT
TTL Schottky 74S và 74LS
Diode Schottky
Hình 3.19 TTL Schottky
Một cách là kết hợp transistor với một diode Schottky mắc giữa nền và thu. Khi transistor ở vùng khuếch đại diode không dẫn. Khi hiệu điện the nền - thu đạt đen 0,3V diode dẫn và giữ không cho transistor vào vùng bão hòa. Hiệu điện the nền - thu phân cực thuận cần để transistor dẫn bão hòa là:
VBCsat = * VBesat - VCEsat = 0,8 - 0,2 = 0,6V
Có nghĩa là transistor chỉ tiến đen gần bão hòa chứ không thực sự bão hòa. Ket quả là thời gian trữ transistor thấp, nên tốc độ chuyển mạch tăng.
Các điện trở nhỏ kết hợp với transistor Schottky làm tăng tốc độ, nhưng cũng làm tăng công suất tiêu tán.
Transistor Darlington ở ngõ ra làm giảm thời tăng khi ngõ ra đổi từ thấp lên
cao.