Hướng Dẫn Thực Hành Tổ Chức Máy Tính: Mạch Số, Mạch Cộng Trừ - ĐH Tôn Đức Thắng

Hướng dẫn thực hành môn Tổ chức Máy tính từ bộ môn Mạng Máy tính và Truyền thông Dữ liệu. Tài liệu hữu ích cho sinh viên và người học.

• Tác giả: Trần Trung Tín
• Trường học: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Mạng Máy Tính Và Truyền Thông Dữ Liệu
• Đề tài: Thực Hành Mạch Số
• Loại tài liệu: Hướng dẫn thực hành
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Mục lục
• 1. THỰC HÀNH MẠCH SỐ
• 1.1. Biểu diễn hàm Boole bằng mạch logic
• 1.2. Vận hành giả lập mạch logic
• 1.3. Kiểm thử mạch con
• 1.4. Kiểm thử tự động
• 1.5. Thực hiện mạch con
• 1.6. Phân tích mạch logic
• 2. MẠCH CỘNG / TRỪ NHỊ PHÂN
• 2.1. Mạch cộng bán phần
• 2.2. Mạch cộng toàn phần
• 2.3. Mạch cộng nhị phân 4-bit
• 2.4. Máy tính 4-bit đầu tiên của bạn
• 2.5. Pin n-bit trong Logism
• 2.6. Tách / gộp dây tín hiệu
• 2.7. Mạch trừ nhị phân 4-bit
• 3. MẠCH TỔ HỢP
• 3.1. Mạch giải mã BCD-to-LED-7-segment
• 3.2. Mạch giải mã 3x8 và 4x16
• 3.3. Ứng dụng: Thực hiện mạch tổ hợp
• 3.4. Bàn phím số
• 3.5. Mạch trộn kênh MUX 4 đến 1
• 3.6. Mạch tách kênh DeMUX 1 đến 4
• 4. MẠCH TUẦN TỰ
• 4.1. Điện trở kéo lên
• 4.2. Mạch đếm bất đồng bộ
• 4.3. Bộ đếm thập phân
• 4.4. Mạch đếm đồng bộ (Synchronous Counter)
• 4.5. Cổng nạp song song
• 4.6. Các bộ đếm khác
• 4.7. Bộ đếm vòng
• 4.8. Bộ đếm Johnson
• Ứng dụng Logisim
• A.1. Vẽ mạch logic từ biểu thức Boole
• A.2. Vẽ mạch logic từ bảng sự thật
• A.3. Rút gọn mạch logic và Bìa-K
• A.4. Tìm biểu thức từ mạch logic
• A.5. Các đầu nút trong Logisim

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mạch Số Logic Trong Tổ Chức Máy Tính

Trong thế giới tổ chức máy tính, mạch số và mạch logic đóng vai trò nền tảng, tương tự như viên gạch xây nên tòa nhà. Chúng là những khối xây dựng cơ bản để thực hiện các phép toán, điều khiển và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống máy tính. Mạch số vận hành dựa trên hai mức điện thế cao và thấp, tương ứng với giá trị nhị phân 0 và 1, tạo thành ngôn ngữ riêng của máy tính. Đại số Boolean, với các phép toán AND, OR, và NOT, là công cụ toán học để mô tả và thiết kế mạch logic. Các cổng logic cơ bản như cổng AND, cổng OR, cổng NOT là những thành phần không thể thiếu, kết hợp với nhau để tạo ra các mạch phức tạp hơn. Từ những mạch cộng đơn giản đến bộ nhớ, tất cả đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản này.

Bill Gates từng nói: “Máy tính ra đời để giải quyết những vấn đề trước đây chưa từng tồn tại”. Mạch số chính là chìa khóa để giải quyết những vấn đề đó. Thiết kế mạch số hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về đại số Boolean, kiến thức về các linh kiện điện tử, và kỹ năng sử dụng các phần mềm thiết kế mạch logic. Việc phân tích mạch logic là cần thiết để đảm bảo mạch hoạt động đúng theo yêu cầu và tối ưu hóa hiệu suất. Do đó, việc thực hành mạch số và thực hành mạch logic là vô cùng quan trọng đối với sinh viên và kỹ sư tổ chức máy tính.

1.1. Giới Thiệu Đại Số Boolean và Ứng Dụng Trong Mạch Logic

Đại số Boolean là một nhánh của đại số trừu tượng, chỉ làm việc với các đại lượng nhận giá trị Đúng (True) hoặc Sai (False), tương ứng với hệ thống số nhị phân trong mạch logic. Nó cung cấp một hệ thống các quy tắc và phép toán để đơn giản hóa và tối ưu hóa các biểu thức logic, từ đó giúp thiết kế mạch số hiệu quả hơn. Ví dụ, luật DeMorgan cho phép chuyển đổi giữa các phép toán AND và OR, giúp linh hoạt hơn trong thiết kế mạch. Đại số Boolean có nhiều ứng dụng, từ thiết kế mạch điều khiển đơn giản đến xây dựng các hệ thống phức tạp trong kiến trúc máy tính.

1.2. Vai Trò Của Cổng Logic Cơ Bản AND OR NOT

Cổng logic là những linh kiện điện tử thực hiện các phép toán logic cơ bản như AND, OR, và NOT. Cổng AND cho ra tín hiệu đầu ra là 1 chỉ khi tất cả các đầu vào đều là 1. Cổng OR cho ra tín hiệu đầu ra là 1 khi ít nhất một trong các đầu vào là 1. Cổng NOT đảo ngược tín hiệu đầu vào. Các cổng này là nền tảng để xây dựng các mạch logic phức tạp hơn. Ví dụ, một mạch cộng có thể được xây dựng từ các cổng AND, OR, và XOR.

1.3. Mối Liên Hệ Giữa Mạch Số và Kiến Trúc Máy Tính

Mạch số là thành phần vật lý thực hiện các chức năng logic trong kiến trúc máy tính. Từ bộ xử lý trung tâm (CPU) đến bộ nhớ (RAM), tất cả đều dựa trên các mạch số phức tạp. Kiến trúc máy tính định nghĩa cách các thành phần này tương tác với nhau, và mạch số cung cấp phương tiện để thực hiện sự tương tác đó. Việc hiểu rõ mối liên hệ này là rất quan trọng để thiết kế hệ thống số hiệu quả.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Mạch Số Độ Trễ Tối Ưu Hóa

Trong thiết kế mạch số, việc đảm bảo mạch hoạt động chính xác và hiệu quả là một thách thức không nhỏ. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ trễ, tức là thời gian cần thiết để tín hiệu truyền qua mạch. Độ trễ có thể ảnh hưởng đến tốc độ xử lý của hệ thống, đặc biệt trong các mạch phức tạp với nhiều tầng logic. Việc tối ưu hóa mạch logic để giảm độ trễ là một công việc quan trọng, đòi hỏi kiến thức về đại số Boolean, kỹ năng phân tích mạch, và sử dụng các công cụ phần mềm mô phỏng mạch số. Ngoài ra, việc thiết kế mạch tiết kiệm năng lượng cũng là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các thiết bị di động và hệ thống nhúng. Các kỹ thuật như sử dụng cổng logic có công suất thấp, giảm điện áp hoạt động, và thiết kế mạch logic tối ưu có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng.

2.1. Ảnh Hưởng Của Độ Trễ Đến Hiệu Suất Của Hệ Thống Số

Độ trễ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống số. Trong một mạch phức tạp, độ trễ của mỗi cổng logic sẽ cộng dồn, dẫn đến thời gian xử lý tổng thể chậm hơn. Điều này có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong các ứng dụng thời gian thực, nơi mà tốc độ phản hồi là rất quan trọng.

2.2. Các Phương Pháp Tối Ưu Hóa Mạch Logic Để Giảm Độ Trễ

Có nhiều phương pháp để tối ưu hóa mạch logic và giảm độ trễ. Một phương pháp phổ biến là sử dụng đại số Boolean để đơn giản hóa các biểu thức logic, từ đó giảm số lượng cổng logic cần thiết. Một phương pháp khác là sử dụng các kỹ thuật thiết kế mạch tiên tiến như sử dụng các cổng logic có độ trễ thấp, hoặc thiết kế mạch song song để tăng tốc độ xử lý.

2.3. Thiết Kế Mạch Tiết Kiệm Năng Lượng Yêu Cầu Giải Pháp

Thiết kế mạch tiết kiệm năng lượng là một yêu cầu ngày càng quan trọng. Các giải pháp bao gồm sử dụng các cổng logic có công suất thấp, giảm điện áp hoạt động, và sử dụng các kỹ thuật thiết kế mạch logic tối ưu để giảm số lượng chuyển mạch.

III. Mạch Cộng Trừ Nhị Phân Cách Xây Dựng Cơ Bản Đến Nâng Cao

Mạch cộng và mạch trừ nhị phân là những thành phần cơ bản trong tổ chức máy tính. Chúng thực hiện các phép toán số học cơ bản trên dữ liệu nhị phân. Từ mạch cộng bán phần đơn giản chỉ cộng hai bit, đến mạch cộng toàn phần có thể cộng thêm bit nhớ, và mạch cộng nhị phân 4-bit có thể cộng hai số 4-bit, chúng là nền tảng để xây dựng các bộ xử lý số học phức tạp hơn. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách thiết kế mạch cộng trừ nhị phân là rất quan trọng đối với sinh viên và kỹ sư tổ chức máy tính.

3.1. Mạch Cộng Bán Phần Nguyên Lý Hoạt Động Ứng Dụng

Mạch cộng bán phần là một mạch logic đơn giản cộng hai bit đầu vào và tạo ra hai bit đầu ra: tổng và bit nhớ. Nó là khối xây dựng cơ bản cho các mạch cộng phức tạp hơn.

3.2. Mạch Cộng Toàn Phần Mở Rộng Khả Năng Cộng Với Bit Nhớ

Mạch cộng toàn phần mở rộng khả năng của mạch cộng bán phần bằng cách thêm một đầu vào cho bit nhớ từ phép cộng trước đó. Nó tạo ra hai bit đầu ra: tổng và bit nhớ cho phép cộng tiếp theo.

3.3. Mạch Cộng Nhị Phân 4 Bit Ghép Nối Ứng Dụng Thực Tế

Mạch cộng nhị phân 4-bit được xây dựng bằng cách ghép nối bốn mạch cộng toàn phần. Nó có thể cộng hai số nhị phân 4-bit và tạo ra một số tổng 4-bit và một bit nhớ.

IV. Mạch Tổ Hợp Giải Mã Mã Hóa MUX DeMUX Ứng Dụng

Mạch tổ hợp là một loại mạch số mà đầu ra của nó chỉ phụ thuộc vào các đầu vào hiện tại, không phụ thuộc vào trạng thái trước đó. Các loại mạch tổ hợp phổ biến bao gồm mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch MUX (Multiplexer), và mạch DeMUX (De-Multiplexer). Mạch giải mã chuyển đổi một mã nhị phân thành một tín hiệu đầu ra duy nhất. Mạch mã hóa thực hiện chức năng ngược lại, chuyển đổi một tín hiệu đầu vào thành một mã nhị phân. Mạch MUX chọn một trong nhiều tín hiệu đầu vào và chuyển nó đến đầu ra. Mạch DeMUX thực hiện chức năng ngược lại, chuyển một tín hiệu đầu vào đến một trong nhiều đầu ra. Các mạch tổ hợp này có nhiều ứng dụng, từ điều khiển hiển thị đến định tuyến dữ liệu.

4.1. Mạch Giải Mã Từ BCD sang LED 7 Đoạn Hướng Dẫn Chi Tiết

Mạch giải mã BCD-to-LED-7-segment chuyển đổi một mã BCD (Binary-Coded Decimal) thành các tín hiệu điều khiển để hiển thị số trên một LED 7 đoạn.

4.2. Mạch Mã Hóa Ưu Tiên Ứng Dụng Trong Bàn Phím Số

Mạch mã hóa ưu tiên chọn tín hiệu đầu vào có mức ưu tiên cao nhất và tạo ra mã nhị phân tương ứng. Nó được sử dụng trong bàn phím số để mã hóa các phím được nhấn.

4.3. MUX DeMUX Ghép Kênh Tách Kênh Nguyên Tắc Ví Dụ

MUX (Multiplexer) chọn một trong nhiều tín hiệu đầu vào và chuyển nó đến đầu ra. DeMUX (De-Multiplexer) thực hiện chức năng ngược lại, chuyển một tín hiệu đầu vào đến một trong nhiều đầu ra.

V. Mạch Tuần Tự Flip Flop Bộ Đếm Lưu Trữ Điều Khiển

Mạch tuần tự là một loại mạch số mà đầu ra của nó phụ thuộc không chỉ vào các đầu vào hiện tại mà còn vào trạng thái trước đó. Mạch tuần tự sử dụng các phần tử lưu trữ như flip-flop để lưu giữ trạng thái. Các flip-flop có thể là loại S-R, D, J-K, hoặc T. Mạch tuần tự được sử dụng để xây dựng các bộ đếm, thanh ghi, và các hệ thống điều khiển phức tạp. Alan Turing từng nói: “Nếu một cỗ máy được kỳ vọng là không thể sai lầm, thì nó cũng không thể thông minh.” Mạch tuần tự cho phép máy tính có “trí nhớ” và khả năng thực hiện các tác vụ phức tạp hơn.

5.1. Flip Flop S R D J K T Phân Loại Nguyên Lý Hoạt Động

Flip-flop là một mạch điện tử có hai trạng thái ổn định và có thể được sử dụng để lưu trữ một bit thông tin. Các loại flip-flop khác nhau có các đặc tính và ứng dụng khác nhau.

5.2. Bộ Đếm Bất Đồng Bộ Đồng Bộ Thiết Kế Ứng Dụng

Bộ đếm là một mạch điện tử đếm số lượng xung đồng hồ. Bộ đếm có thể là bất đồng bộ (ripple counter) hoặc đồng bộ, với các ưu điểm và nhược điểm khác nhau.

5.3. Thanh Ghi Tạo Xung Đồng Hồ Điện Trở Kéo Lên

Thanh ghi là một tập hợp các flip-flop được sử dụng để lưu trữ nhiều bit thông tin. Việc tạo xung đồng hồ và sử dụng điện trở kéo lên đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của mạch.

VI. Thực Hành Mạch Số Phần Mềm Mô Phỏng Báo Cáo Thực Hành

Việc thực hành mạch số là vô cùng quan trọng để nắm vững kiến thức lý thuyết và phát triển kỹ năng thiết kế mạch. Các phần mềm mô phỏng mạch số như Logisim cho phép sinh viên và kỹ sư thiết kế, mô phỏng, và phân tích mạch logic một cách trực quan. Việc lập báo cáo thực hành mạch số giúp củng cố kiến thức và trình bày kết quả một cách rõ ràng. Ngoài ra, việc giải các bài tập mạch số và xem xét các ví dụ mạch logic giúp hiểu sâu hơn về các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng thực tế.

6.1. Top Phần Mềm Mô Phỏng Mạch Số Ưu Điểm Nhược Điểm

Có nhiều phần mềm mô phỏng mạch số khác nhau, mỗi phần mềm có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ví dụ, Logisim là một phần mềm mã nguồn mở, dễ sử dụng, phù hợp cho người mới bắt đầu. Các phần mềm chuyên nghiệp hơn như Multisim cung cấp nhiều tính năng nâng cao nhưng đòi hỏi kiến thức và kỹ năng cao hơn.

6.2. Hướng Dẫn Lập Báo Cáo Thực Hành Mạch Số Cấu Trúc Nội Dung

Một báo cáo thực hành mạch số nên có cấu trúc rõ ràng, bao gồm: mục tiêu, phương pháp, kết quả, và kết luận. Kết quả nên được trình bày bằng hình ảnh, bảng biểu, và đồ thị để dễ hiểu. Báo cáo cần thể hiện rõ kiến thức đã học và kỹ năng thực hành đã đạt được.

6.3. Bài Tập Mạch Số Ví Dụ Mạch Logic Giải Pháp Phân Tích

Giải các bài tập mạch số và xem xét các ví dụ mạch logic là một cách hiệu quả để củng cố kiến thức và phát triển kỹ năng thiết kế mạch. Việc phân tích các bài tập và ví dụ giúp hiểu sâu hơn về các nguyên tắc cơ bản và ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU Trần Trung Tín HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH MÔN HỌC: TỔ CHỨC MÁY TÍNH TP. HỒ CHÍ MINH 2024 Mục lục 1 THỰC HÀNH MẠCH SỐ 1 1.1 Biểu diễn hàm Boole bằng mạch logic .1 Vận hành giả lập mạch logic .2 Kiểm thử mạch con .3 Kiểm thử tự động .2 Thực hiện mạch con .3 Phân tích mạch logic. 5 2 MẠCH CỘNG / TRỪ NHỊ PHÂN 6 2.1 Mạch cộng bán phần .2 Mạch cộng toàn phần .3 Mạch cộng nhị phân 4-bit .4 Máy tính 4-bit đầu tiên của bạn .1 Pin n-bit trong Logism .2 Tách / gộp dây tín hiệu .5 Mạch trừ nhị phân 4-bit. 12 3 MẠCH TỔ HỢP 13 3.1 Mạch giải mã BCD-to-LED-7-segment .2 Mạch giải mã 3x8 và 4x16 .1 Ứng dụng: Thực hiện mạch tổ hợp .2 Bàn phím số .4 Mạch trộn kênh MUX 4 đến 1 .5 Mạch tách kênh DeMUX 1 đến 4.

23 i MỤC LỤC i 4 MẠCH TUẦN TỰ 24 4.2 Điện trở kéo lên .1 Mạch đếm bất đồng bộ .2 Bộ đếm thập phân .3 Mạch đếm đồng bộ (Synchronous Counter) .1 Cổng nạp song song .4 Các bộ đếm khác .1 Bộ đếm vòng .2 Bộ đếm Johnson. 36 A Ứng dụng Logisim 37 A.1 Vẽ mạch logic từ biểu thức Boole .2 Vẽ mạch logic từ bảng sự thật .3 Rút gọn mạch logic và Bìa-K .4 Tìm biểu thức từ mạch logic .5 Các đầu nút trong Logisim. 44 Bài thực hành LAB 1 THỰC HÀNH MẠCH SỐ “Máy tính ra đời để giải quyết những vấn đề trước đây chưa từng tồn tại” - Bill Gates, người sáng lập Microsoft. Trong đại số trừu tượng, đại số Boole làm việc với các đại lượng chỉ nhận giá trị Đúng hoặc Sai và có thể thể hiện hệ thống số nhị phân, hoặc các mức điện thế trong mạch điện logic.

Do đó đại số Boole có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện và khoa học máy tính, cũng như trong logic toán học. Để hiện thực trên nền tảng đại số Boole, các mạch số vận hành với hai mức điện thế cao và thấp cùng với các cổng cơ bản. Các tín hiệu đi qua các cổng này và đến ngõ ra để biểu diễn cho kết quả mong đợi. Các mạch số này được sản xuất và tích hợp lại thành một linh kiện1 và được dùng như một thành phần của một mạch số khác có chức năng phức tạp hơn.1 Biểu diễn hàm Boole bằng mạch logic Yêu cầu 1.

Thực hiện các hàm Boole sau đây thành mạch điện: F(x,y,z) = (x OR y) AND (NOT z) F(a,b,c) = a. Sử dụng các linh kiện cơ bản trên thanh tác vụ để hoàn tất mạch. • Pin input là đầu vào cho mạch logic. Khi được thiết lập kích thước 1-bit, cổng tương đương với một biến số trong công thức đại số Boole.

Khi được thiết lập n-bit với n > 1 thì cổng là ngõ vào của cụm n-bit. Mỗi bit của đầu vào có thể thiết lập giá trị HIGH, LOW và FLOATING lần lượt tương ứng với logic 1, 0 và thả nổi. • Pin output là đầu ra của mạch logic, tương đương với giá trị của hàm số Boole khi cổng có thiết lập 1-bit. Đầu ra này cũng có thể tăng độ rộng lên n − bit để biểu 1 Thường gọi là IC, viết tắt từ Integrated Circuit 1 diễn kết quả nhiều bit.

Các đầu vào, đầu ra đều có thể đặt tên (Label) trong phần thuộc tính của từng linh kiện. • Cổng logic AND, OR và NOT là 3 cổng cơ bản tương ứng với 3 phép toán của đại số Boole. Mỗi cổng đều có thể thiết lập số chân vào, cũng như hướng đặt linh kiện và thuộc tính điện của các đầu vào và đầu ra. • Dây nối kết nối dữ liệu giữa hai đầu nối của hai hoặc nhiều linh kiện.

Tất cả đầu nối tham gia vào một dây dẫn cần tương đồng về độ rộng.1: Mạch logic được xây dựng trên Logisim 1.1 Vận hành giả lập mạch logic Mạch điện có thể vận hành giả lập khi được kích hoạt tại chọn lựa Simulate → Simulation Enable. Các dây dẫn sẽ có màu sắc như hình 1. Trong đó: • màu xám là không có kết nối; • màu xanh lục tối/sáng thể hiện tín hiệu 0/1; • màu đen đậm là dây tín hiệu n-bit; • màu cam là không đồng nhất độ rộng bit giữa các đầu kết nối; • màu đỏ là có lỗi mạch.2: Các thể hiện của dây dẫn trong Logisim 1.2 Kiểm thử mạch con Với một mạch điện đã hoàn thành và đã kích hoạt giả lập, các đầu ra sẽ thể hiện giá trị tùy thuộc vào bộ tín hiệu đầu vào. Để thay đổi các tổ hợp tín hiệu đầu vào khác, chúng ta sử dụng công cụ Toolbar → Poker tool (hoặc nhấn Ctrl+1).

Mỗi lần chọc vào một đầu vào, trạng thái của đầu vào sẽ thay đổi. Sau khi đã kiểm thử tất cả tổ hợp có thể có của các đầu vào và đầu ra đều cho kết quả mong muốn, chúng ta có thể kết luận rằng mạch logic đã hiện thực hoàn hảo. Xem xét hàm Boole sau đây: F(x,y,z) = (x OR y) AND (NOT z) (a) Với tổ hợp giá trị (x=true; y=false; z=true) thì đầu ra F có giá trị nào? (b) Có bao nhiêu tổ hợp giá trị (x,y,z) khác nhau? Gợi ý. (a) - Trên lý thuyết, một hàm đại số Boole có thể được lượng giá khi chúng ta thay toàn bộ các biến số thành giá trị nhị phân 0 hoặc 1.

Các cụm nhiều biến số được lượng giá bởi định nghĩa của phép toán NOT, AND và OR. - Trên thực hành, một mạch điện trong tình trạng chạy giả lập sẽ mang trạng thái được xác lập bởi các đầu vào và cấu trúc mạch logic. Sử dụng công cụ Poker nhấp lên các đầu vào x, y và z để chuyển giá trị chúng thành 1, 0 và 1 tương ứng theo thứ tự. Giá trị đầu ra F sẽ xác lập sau đó.

(b) Mỗi đầu vào đơn (là một biến số) sẽ có giá trị là 0 hay 1. Vậy n đầu vào đơn n sẽ có 2 tổ hợp khả dĩ.3 Kiểm thử tự động Khi số tổ hợp đầu vào có số lượng lớn, việc kiểm thử từng bộ tổ hợp sẽ tốn nhiều thời gian và công sức. Chương trình Logisim không cung cấp công cụ kiểm thử tự động, tuy nhiên có một vài phương pháp thay thế: - Sử dụng dự án CENG232 Logisim TestBench được cung cấp tại https:// github.com/ozansz/logisim-testbench. - Sử dụng Bộ hiện thực và giả lập trực tuyến tại https://circuitverse.

Vấn đề kiểm thử tự động sẽ được trình bày trong các chương sau.2 Thực hiện mạch con Khi xây dựng các mạch ngày càng phức tạp hơn, chúng ta cần xây dựng các mạch nhỏ hơn mà có thể sử dụng nhiều lần dưới dạng mô-đun được lồng trong các mạch lớn. Trong Logisim, mạch nhỏ hơn được sử dụng trong mạch lớn hơn được gọi là mạch con (sub circuit). Điều này tương tự như tạo ra một hàm con và gọi nó nhiều lần trong hàm main, hoặc các hàm con khác. Việc mô-đun giúp cho mạch điện đơn giản, dễ thiết kế và gỡ lỗi, cũng như thể hiện ưu điểm nổi trội của mạch số là khả năng mở rộng và thiết kế hệ thống.

Có 2 phần quan trọng: hiện thực mạch con và đóng gói mạch con. • Hiện thực mạch con Một mạch con cần xác định số đầu vào và số đầu ra cũng với chức năng của nó. - Nếu chức năng của mạch con được biểu diễn bởi một hàm số Boole, tham khảo Phụ lục A.1 để hiện thực mạch. - Nếu chức năng của mạch con được xác định bằng bảng sự thật, tham khảo Phụ lục A.2 để hiện thực mạch.

- Hoặc mạch con có thể hiện thực bằng cách sử dụng các cổng và linh kiện trong thư viện của Logisim. • Đóng gói mạch con Các mạch con khi được sử dụng trong một mạch khác với một hình dạng nhất định, thông thường là một hình chữ nhật mà xung quanh các các chân điện vào và ra, một rãnh khuyết được vẽ để tránh nhầm lẫn khi linh kiện được xoay hướng. Tuy vậy, người thiết kết có thể bố trí lại các chân vào ra và hình dạng của mạch con bằng cách chọn lựa Project → Edit Circuit Appearance, rồi bố trí các chân và vẽ các hình dạng cần thiết.3: Hình dạng của mạch con (trái) và thể hiện của chúng ở mạch khác (phải) Yêu cầu 3.3 Phân tích mạch logic - Rút gọn mạch logic: tham khảo Phụ lục A. - Tìm biểu thức từ mạch logic: tham khảo Phụ lục A.4 Kết luận Chương trình Logisim đã được giới thiệu với một số chức năng đầu tiên và các cổng cơ bản.

Bằng việc ghép nối các cổng thành một mạch con, ghép nối các mạch con thành một mạch con lớn hơn, chúng ta có thể hiện thực ý tưởng "Trừu tượng hóa" của máy tính điện tử. Các mô tả của quá trình phân tích, hiện thực và ghép nối được trình bày trong các chương tiếp theo. 5 Bài thực hành LAB 2 MẠCH CỘNG / TRỪ NHỊ PHÂN "Hành trình vạn dặm, bắt đầu từ một bước chân.1 " Một chương trình máy tính được hình thành bởi hàng vạn câu lệnh có nghĩa được bố trí theo giải thuật nhất định. Một câu lệnh ở ngôn ngữ cấp cao lại được biên dịch thành vài thao tác mã máy.

Và một thao tác mã máy được thực thi bởi cụm mạch tổ hợp và mạch tuần tự, nơi mà các tín hiệu điện được tiếp nhận, xử lý và kết quả được truyền đến cổng ra - cũng bằng tín hiệu điện. Trong hệ thập phân, phép cộng giữa hai số tự nhiên được thực thi theo từng cặp kí số, bắt đầu từ hàng đơn vị rồi đến hàng chục và hàng trăm. Trong hệ nhị phân cũng theo quy tắc đó, và để giải quyết phép cộng hai số 32-bit với nhau, trước tiên chúng ta cần một phần cứng thực hiện phép cộng hai số 1-bit, sau đó mở rộng đến bit nhớ (carry bit) và cuối cùng là ghép nối các phần từ thành mạch cộng rộng hơn.1 Mạch cộng bán phần Tại hàng đơn vị, hai số 1-bit được cộng với nhau theo 4 tổ hợp khả hiện được liệt kê trong bảng 2. Mạch cộng bán phần (half adder) này có 2 đầu vào có hai đầu ra: S và C.

• S: là kết quả của phép cộng nhị phân của hai bit đầu vào a với b. • C: là bit tràn (còn gọi là bit nhớ) mang tín hiệu 1 khi cả 2 bit đầu vào là 1. 1 “Thiên lý chi hành, thủy vu túc hạ ” - Lão Tử.1: Bảng sự thật mạch cộng bán phần a+b Yêu cầu 1.