Giáo trình Thực tập Kỹ thuật số - Bài 6: Bộ logic và số học (Arithmetic and Logic Circuits)

 69
Bài 6: bộ logic và số học 
(Arithmetic and Logic Circuits) 
A. Phần tóm tắt lý thuyết 
Bộ logic và số học (ALU) là một mạch tổ hợp, thực hiện một số thuật toán 
logic và số học. Cấu tạo ALU bao gồm 1 bộ hợp kênh có các lối vào là các mạch 
thực hiện các thuật toán số học hoặc logic . Các đầu chọn S0 , S1 ... của hợp kênh 
làm nhiệm vụ chọn 1 thuật toán nào đó đ−ợc thực hiện và cho kết quả ở lối ra của 
hợp kênh . 
D−ới đây là một ví dụ về ALU 1 bit. Bằng 2 đầu chọn lọc S0, S1 của hợp kênh 4 
lối vào ta thực hiện đ−ợc 1 thuật toán số học và 3 thuật toán logic : Σ, Q1, Q2 , Q3 
cho hai số nhị phân 1 bit . 
Hoạt động của bộ ALU này tuân theo bảng chân lý d−ới đây. Thuật toán số 
học nhờ mạch FA, các thuật toán logic nhờ cửa AND, OR và EXOR. Hợp kênh vào 
4 ra 1 với hai đầu chọn lọc S0, S1 sẽ dẫn thuật toán nào đến đầu ra Q. 
S1 S0 Q3 Q2 Q1 Σ Q 
0 0 x x x Σ
0 1 x x Q1 x 
1 0 x Q2 x x 
1 1 Q3 x x x
Σ 
Q1 
Q2 
Q3 
Q
Q3=AB+AB
Q2=A+B
Q1=A.B
S0
S1
Ci
B
A
74LS153
I3a
I2a
I1a
I0a
S1
S0
I3b
I2b
I1b
I0b
Ea
Eb
Ya
Yb
FA
Ci
A
B
S
Co
 70
 Bộ logic số học 4 bit 74LS382 thuộc họ 74. Với 3 đầu vào chọn lọc S0, 
S1, S2 ta có thể thực hiện đ−ợc 8 thuật toán cho hai số nhị phân 4 bit: 
(A = A3 A2 A1 A0 và B = B3 B2 B1 B0). 
ở đây kể cả hai thuật toán CLEAR (F = 0000) và PRESET (F = 1111) thì tổng 
số thuật toán thực hiện đ−ợc là 8. 
Ci dùng cho phép tổng , iC dùng cho phép hiệu. 
C0 là đầu chuyển đi cho cả bộ ALU này (Carry in = Ci , Carry out = C0). 
F3, F2, F1, F0 là các đầu ra chức năng. 
OVR là đầu ra “v−ợt thang” (OVERFLOW). Đầu ra OVR báo rằng kết quả của 
thuật toán số học hoặc lớn hơn +7 hoặc bé hơn –8. 
 Minus : bớt đi hoặc trừ đi 
 Plus : thêm vào hoặc cộng vào. 
 BA ⊕ : A hoặc tuyệt đối B 
 A + B : A hoặc B 
 A . B : A và B. 
Ví dụ: 
0011
1010
0123
0123
==
==
BBBBB
AAAAA
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
=
=+
=
=
0010.
1011
0111min
1101
BB
BA
BusA
BplusA
Phép toán 8 bit: 
 Với mỗi ALU 74LS382 ta thực hiện đ−ợc các thuật toán hai số nhị phân 
Đầu vào 
S2 S1 S0 
Chức năng 
 0 0 0 
 0 0 1 
 0 1 0 
 0 1 1 
 1 0 0 
 1 0 1 
 1 1 0 
 1 1 1 
F = 0000 (clear) 
F = B minus A minus 1 plus Ci 
F = A minus B minus 1 plus Ci 
F = A plus B plus Ci 
F = A ⊕ B 
F = A + B 
F = A . B 
F = 1111 (preset) 
A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
Ci
S0
S1
S2
F3
F2F1
F0
Co
Over
74LS382
 71
4-bit . Muốn thực hiện các thuật toán với hai số nhị phân 8bit. 
 A = A7A6A5A4A3A2A1 
 và B = B7B6B5B4B3B2B1 
thì phải ghép nối tiếp 2 ALU 74LS382. Ta làm nh− sau: 
ADD/SUB → Ci là đầu chuyển vào của tầng thứ nhất. 
Đầu chuyển ra C01 của tầng thứ nhất nối với đầu chuyển vào Ci tầng thứ hai. 
Các đầu chọn S0, S1, S2 mắc song song. Kết quả F là một số nhị phân 8-bit : 
 01234567 FFFFFFFFF = 
C02 là đầu chuyển ra của tầng thứ hai. 
Co
F7
F6
F5
F4
F3
F2
F1
F0
SUB/ADD
S0
S1
S2
B7B6
B5B4
B3B2
B1B0
A7A6
A5A4
A3A2
A1A0
A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
Ci
S0
S1
S2
F3
F2F1
F0
Co
Over
74LS382
A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
Ci
S0
S1
S2
F3
F2F1
F0
Co
Over
74LS382
 72
B. Phần thực nghiệm 
1. Nghiên cứu hoạt động của ALU 74LS382 
ƒ ở phần này ta nghiên cứu hoạt động của bộ logic số học 74ls382. Ngoài ra 
sinh viên còn có thể tự nghiên cứu sự hoạt động của ALU 74ls181 ở địa chỉ: 
[Digital By Function/Arithmetic/74ls181]. Đây là bộ logic số học có thể thực 
hiện đ−ợc 16 thuật toán. 
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
S0
0V
S1
0V
S2
0V
F0F1F2F3C0Ci
0V
B3
0VB2
0VB1
0VB0
0V
A3 0V
A2 0V
A1 0V
A0
0V
74LS382
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
Ci
S0
S1
S2
F3
F2F1
F0
Co
Over
ƒ Các b−ớc tiến hành thí nghiệm: 
B−ớc1: 
 Thực hiện vẽ mạch nh− hình trên bằng cách sử dụng: 
 01 ALU 74ls382 [User defined/Macro/74ls382] 
 12 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
 05 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 
B−ớc 2: 
 Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào nh− sau: 
 A = 5(10) = 0101 
 B = 6(10) = 0110 
B−ớc 3: 
 73
- Bằng cách thay đổi các giá trị của S0, S1, S2 để thực hiện các thuật 
toán khác nhau. Điền đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: 
Đầu ra 
Đầu vào 
Ci = 0 Ci = 1 
S2 S1 S0 Over C0 F3 F2 F1 F0 Over C0 F3 F2 F1 F0 
0 0 0 
0 0 1 
0 1 0 
0 1 1 
1 0 0 
1 0 1 
1 1 0 
1 1 1 
- Giải thích kết quả thu đ−ợc. 
2. Thực hiện các phép toán với 2 số nhị phân 8 bit sử dụng ALU 74LS382 
ƒ Mục đích là ta ghép 2 bộ ALU 4 bit (74LS382) để thực hiện các phép toán 2 
số nhị phân 8 bit 
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
ALU thứ hai ALU thứ nhất
S0
0V
S1
0V
S2 0V
A4
0V
A5
0VA60V
A7
0V
B4
0V
B5
0V
B6
0V
B7
0V
Ci
0V
B3
0V
B2
0V
B1
0V B00V
A3
0V
A2
0V
A1
0V
A0
0V
Co F7 F6 F5 F3 F2 F1 F0F4
A0A1A2A3B0B1B2B3 Ci
S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Ov
er
74LS382
A0A1A2A3B0B1B2B3 Ci
S0 S1 S2 F3 F2 F1 F0 Co Ov
er
74LS382
 74
ƒ Các b−ớc tiến hành thí nghiệm: 
B−ớc1: 
 Thực hiện vẽ mạch nh− hình trên bằng cách sử dụng: 
 02 ALU 74ls382 [User defined/Macro/74ls382] 
 20 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
 09 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 
B−ớc 2: 
a. Thực hiện phép tổng 2 số nhị phân 8 bit: A = 5710, 2810. 
 - Chuyển 2 số A = 5710 và B = 2810 sang hệ nhị phân: 
 A = A7A6A5A4A3A2A1A0 = (.........................)2 
 B = B7B6B5B4B3B2B1B0 = (.........................)2 
 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B 
 - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: 
S2S1S0Ci1 A7A6A5A4A3A2A1A0 B7B6B5B4B3B2B1B0 C02F7F6F5F4F3F2F1F0
0 1 1 0 
0 1 1 1 
 - So sánh kết quả: 
 F = 5710 + 2810 = (.....................)10 
 F = F7F6F5F4F3F2F1F0 = (.....................)2 
b. Thực hiện phép hiệu 2 số nhị phân 8 bit: A = 5710, 2810. 
 - Chuyển 2 số A = 5710 và B = 2810 sang hệ nhị phân: 
 A = A7A6A5A4A3A2A1A0 = (.........................)2 
 B = B7B6B5B4B3B2B1B0 = (.........................)2 
 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B 
 - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: 
S2S1S0Ci1 A7A6A5A4A3A2A1A0 B7B6B5B4B3B2B1B0 C02F7F6F5F4F3F2F1F0
0 1 0 1 
0 0 1 1 
 75
 - Hãy giải thích kết quả trên: 
c. Thực hiện thuật toán logic A ⊕ B với A = 5710, 2810. 
 - Chuyển 2 số A = 5710 và B = 2810 sang hệ nhị phân: 
 A = A7A6A5A4A3A2A1A0 = (.........................)2 
 B = B7B6B5B4B3B2B1B0 = (.........................)2 
 - Thông qua các Logic switch hãy đặt các số liệu đầu vào A và B 
 - Tiến hành thí nghiệm, ghi đầy đủ kết quả vào bảng số liệu sau: 
S2S1S0Ci1 A7A6A5A4A3A2A1A0 B7B6B5B4B3B2B1B0 C02F7F6F5F4F3F2F1F0
1 0 0 0 
1 0 0 1 
 - Hãy kiểm tra lại kết quả trên. 
3. Kiểm tra kiến thức 
ƒ Hãy thiết kế mạch có sơ đồ sau: 
ƒ Chứng minh nó là ALU 4 bit hoạt động theo bảng chân lý sau: 
 76
S1 S0 C1 F 
0 0 0 F = B 
1 0 0 F = B 
0 1 0 F = A plus B 
1 1 1 F = A minus B 
Ghi chú: 
Bộ tổng toàn phần FA ta có thể sử dụng IC 74LS183 ở địa chỉ: 
[User Difined/Macro/74LS183]. 
 77
C. Phụ lục 
Giới thiệu DataSheet các hãng sản xuất IC trên thế giới của một số IC thông 
dụng sử dụng trong bài thực hành. 
1. Bộ logic và số học 4 bít (4 bit Arithmetic Logic Unit) 
Tên IC: 74x181 (TTL) 
 78
2. Bộ logic và số học 4 bít (4 bit Arithmetic Logic Unit) 
Tên IC: 74x382 (TTL) 
 79
 80
Bài 7: trigơ 
(Trigger) 
A. Phần tóm tắt lý thuyết 
Mạch logic đ−ợc phân làm hai loại : Mạch “tổ hợp” (Combinational circuits) và 
mạch dãy (Sequential circuits). 
 Mạch logic tổ hợp là mạch mà đầu ra của nó chỉ phụ thuộc vào giá trị các 
đầu vào ở thời điểm hiện tại không phụ thuộc vào giá trị đầu vào ở thời điểm 
tr−ớc đó. Các cửa logic cơ bản, các phân kênh - hợp kênh, mạch giải mã, mạch số 
học ... là những mạch logic tổ hợp. 
 Mạch logic dãy là mạch mà mỗi đầu ra của nó không những chỉ phụ 
thuộc vào các đầu vào hiện tại mà còn phụ thuộc trạng thái quá khứ của các đầu 
vào. Nh− vậy trong mạch dãy có các “phần tử nhớ” (memory elements). Trigơ đ−ợc 
xếp vào loại mạch dãy. Trigơ có hai trạng thái cân bằng. Khi có tín hiệu tác dụng 
vào đầu vào, trigơ sẽ ở một trong hai trạng thái cân bằng này. Điều lý thú ở chỗ, 
khi ngừng tác dụng tín hiệu trigơ vẫn duy trì trạng thái cân bằng cũ, nghĩa là có 
tính chất “nhớ”. Trigơ chỉ chuyển trạng thái khi có tín hiệu thích hợp tác dụng 
vào đầu vào . 
1. Trigơ RS. 
Sơ đồ logic, ký hiệu logic và bảng chân lý của trigơ RS xây dựng từ cửa 
không hoặc. 
S R Q Q 
0 0 
0 1 
1 0 
1 1 
Không đổi 
0 1 
1 0 
Không xác định 
Q
Q
R
S
S
R Q
_Q