Bài giảng Thiết kế luận lý 1 - Chương 6: Bộ đếm và thanh ghi

dce

2011

Khoa KH & KTMT

Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính

Biên soạn tài liệu:

BK

TP.HCM

Phạm Tường Hải

Phan Đình Thế Duy

Nguyễn Trần Hữu Nguyên

Nguyễn Quang Huy

^dceTài liệu tham khảo

2011

• “Digital Systems, Principles and Applications”,

8^th/5^thEdition, R.J. Tocci, Prentice Hall

• “Digital Logic Design Principles”, N.

Balabanian & B. Carlson – John Wiley &

Sons Inc., 2004

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

2

dce

2011

Bộ đếm và thanh ghi

BK

TP.HCM

^dceGiới thiệu (1)

2011

• Bộ đếm (Counter) là gì?

– Đếm tuần tự: 1, 2, 3, ..., 100, 1, 2, ...

– Biểu đồ trạng thái

– Bộ đếm đồng bộ và bất đồng bộ

2

12

10

4

6

8

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

4

^dceGiới thiệu (2)

2011

• Bộ đếm sử dụng Flip-

Flop (FF)

– Bộ đếm N bit Æ sử

dụng N – FF

– Mạch đếm cơ bản

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

5

^dceBộ đếm bất đồng bộ

2011

• Bất đồng bộ (Asynchronous – Ripple)

– Xung CLK chỉ được cấp cho FF A

– Ngõ xuất FF đóng vai trò xung CLK cho FF B, tương tự

cho các FF còn lại

– Các ngõ xuất DCBA biểu diễn cho số nhị phân 4 bit với D

là bit trọng số cao nhất (MSB)

– Tồn tại thời gian trễ (delay) giữa các đáp ứng của các FF

trong bộ đếm

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

6

^dceBộ đếm bất đồng bộ

2011

• Bộ đếm bất đồng bộ 4-bit

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

7

^dceBộ đếm bất đồng bộ

2011

• “MOD number”

– Số trạng thái bộ đếm đi qua trong mỗi chu kỳ trước khi

quay lại trạng thái ban đầu

– Tăng “MOD number” bằng cách thêm các FF vào bộ đếm

– MOD number = 2^N

– Ví dụ:

Bộ đếm MOD-80 cần bao nhiêu FF ?

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

8

^dceChia tần số (Frequency Division)

2011

• Ngõ xuất của mỗi FF có tần số bằng ½ tần số của tín

hiệu tại chân CLK của FF

• Ngõ xuất của FF thứ 2 có tần số bằng ¼ tần số của

tín hiệu xung CLK

• Sử dụng N-FF có thể tạo ngõ xuất với tần số bằng

1/2^Ntần số CLK ngõ nhập

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

9

^dceChia tần số (Frequency Division)

2011

• Trong bất kỳ bộ đếm nào, tín hiệu ngõ xuất của FF

cuối cùng (MSB) có tần số bằng tần số của tín hiệu

CLK chia cho “MOD number” của bộ đếm

• Ví dụ

– Bộ đếm MOD-16, ngõ xuất của FF cuối cùng có tần số

bằng 1/16 tần số tín hiệu xung CLK - gọi là bộ đếm chia 16

(divide-by-16 counter)

– Bộ đếm MOD-60

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

10

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

• Bộ đếm bất đồng bộ cơ bản N-FF được giới hạn đến

MOD number = 2^N(MOD number lớn nhất có thể đạt

được với N-FF)

• Bộ đếm cơ bản với MOD number < 2^N: bộ đếm bỏ

qua một số trạng thái trong chuỗi đếm thông thường

• Ví dụ

Cổng NAND làm thay

đổi trình tự chuỗi đếm

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

11

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

• Ngõ xuất của cổng NAND được kết nối với ngõ nhập

bất đồng bộ CLR của mỗi FF

– Ngõ xuất = HIGH: không ảnh hưởng đến bộ đếm

– Ngõ xuất = LOW: các FF sẽ bị xoá về 0, tương ứng bộ

đếm sẽ về trạng thái 000 ngay lập tức

• 2 ngõ nhập của cổng NAND là 2 tín hiệu ngõ xuất B

và C, ngõ xuất cổng NAND = LOW khi B = C = 1

– Điều kiện xoá xảy ra khi bộ đếm chuyển từ trạng thái 101

sang 110 tại thời điểm cạnh xuống (NGT) của xung CLK

thứ 6

– Khi các FF bị xoá, ngõ xuất cổng NAND = HIGH, điều kiện

B = C = 1 không còn tồn tại Æ bộ đếm hoạt động bình

thường

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

12

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

Spike (glitch)

Ngõ xuất cổng NAND

xuống 0 Æ Xoá bộ

đếm về trạng thái 000

000 001 010 011 100 101 000 … Æ MOD-6

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

13

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

Trạng thái

tạm thời

• Bộ đếm đếm từ giá trị 000

111

(0) đến 101 (5), bỏ qua giá

trị 110 và 111 Æ 6 trạng

thái Æ bộ đếm MOD-6

110

000

• Duty cycle: tỷ lệ phần trăm

thời gian tín hiệu ở trạng

thái tích cực trên tổng thời

gian 1 chu kỳ

001

101

010

– Xung vuông đối xứng : 50%

100

011

– Ngõ xuất C (xét mức logic 1):

33.33% (⅓)

Biểu đồ chuyển trạng thái

(State Transition Diagram)

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

14

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

• MOD number = ?

• Tần số tại ngõ xuất D = ?

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

15

^dceBộ đếm với MOD number < 2^N

2011

• Quy trình xây dựng bộ đếm từ bắt đầu từ 0 và có

MOD number = X

– Tìm số lượng FF nhỏ nhất sao cho 2^N≥ X. Nếu 2^N= X, bỏ

qua bước 2 và 3

– Kết nối ngõ xuất của cổng NAND với ngõ nhập bất đồng

bộ của tất cả các FF

– Xác định FF có ngõ xuất ở mức 1 (HIGH) tại trạng thái bộ

đếm = X, kết nối ngõ xuất các FF này vào các ngõ nhập

của cổng NAND

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

16

^dceBộ đếm Mười – bộ đếm BCD

2011

• Bộ đếm Mười (Decade): gồm 10 trạng thái phân biệt

hay bộ đếm MOD-10 (không quan tâm đến thứ tự)

• Bộ đếm BCD: bộ đếm đếm từ 0000 Æ 1001

• Ứng dụng bộ đếm MOD-10: chia tần số cho 10

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

17

^dceBộ đếm xuống bất đồng bộ

2011

• Ngõ xuất A (LSB) thay đổi

trạng thái tại mỗi bước đếm

(tương tự bộ đếm lên)

• Ngõ xuất B thay đổi trạng thái

khi A từ 0 Æ 1 (cạnh lên)

• Ngõ xuất C thay đổi trạng thái

khi B từ 0 Æ 1 (cạnh lên)

Æ Xung CLK được đưa vào FF A

A’ đóng vai trò xung CLK cho FF B

B’ đóng vai trò xung CLK cho FF C

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

18

^dceBộ đếm xuống bất đồng bộ

2011

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

19

^dceIC đếm bất đồng bộ

2011

• IC 74LS293 (TTL)

Thiết kế luận lý 1

6/2/2011

20

Bài giảng Thiết kế luận lý 1 - Chương 6: Bộ đếm và thanh ghi - Nguyễn Quang Huy