Tài liệu Bài 13 cửa ba trạng thái và tổ chức bus giáo trình thực tập kỹ thuật số

Bµi 13: cöa ba tr¹ng th¸i vµ tæ chøc bus (Three - State & Bus - Organization) A. PhÇn tãm t¾t lý thuyÕt 1. Kho¸ ba tr¹ng th¸i : Kho¸ ba tr¹ng th¸i ®· ®−îc triÓn khai sö dông tõ n¨m 1970. Nhê sù ra ®êi cña kho¸ nµy mµ viÖc thiÕt kÕ vµ nèi m¹ch ®¬n gi¶n ®i rÊt nhiÒu, ®Æc biÖt cho c¸c m¸y tÝnh theo tæ chøc Bus. D−íi ®©y lµ mét vÝ dô ®¬n gi¶n vÒ kho¸ ba tr¹ng th¸i. +5V E Di D0 0 1 1 x 0 1 më (hë) 0 1 100K Di C 100K Do B E 100K A S¬ ®å nguyªn lý Di E=0 Do Di E=1 Do Do Di Kho¸ c¬ häc t−¬ng ®−¬ng E Ký hiÖu logic Di : §Çu vµo sè liÖu (Data in). D0 : §Çu ra sè liÖu (Data out). E : §Çu cho phÐp (Enable). x : Gi¸ trÞ bÊt kú, kh«ng cÇn quan t©m. Khi E = 0, transistor A bÞ cÊm, baz¬ transistor B ë thÕ cao, transistor B b·o hoµ, baz¬ cña transistor C nh− nèi ®Êt khiÕn cho emit¬ cña transistor C bÞ treo: D0 th¶ næi (floating). Tr¹ng th¸i th¶ næi t−¬ng ®−¬ng víi kho¸ c¬ häc S ®Ó “ngá”. Khi E = 1, transistor A b·o hoµ, transistor B bÞ cÊm, transistor C ho¹t ®éng nh− mét m¹ch l¾p l¹i emit¬. Toµn m¹ch b¸n dÉn t−¬ng ®−¬ng víi kho¸ c¬ häc S ®−îc “®ãng l¹i”. Toµn m¹ch ho¹t ®éng nh− mét tÇng “®Öm” , bëi v× D0 = Di. 173 Trªn ®©y lµ kho¸ 3 tr¹ng th¸i víi ®Çu cho phÐp t¸c ®éng cao (E = 1). Ng−êi ta còng dÔ dµng thiÕt kÕ kho¸ 3 tr¹ng th¸i víi t¸c ®éng thÊp E = 0 nh− h×nh sau Do Di E Di D0 1 0 0 x 0 1 hë 0 1 E Di E=0 Do Di E=1 Do Kho¸ c¬ häc t−¬ng ®−¬ng Tr¹ng th¸i thø 3 nµy cã c¸c tªn gäi kh¸c nhau nh−ng cïng mét ý nghÜa: th¶ næi (floating), hë (open), tæng trë lín (high impedance), c« lËp (isolation). 2. Cöa logic ba tr¹ng th¸i hä TTL (TTL - tri - State Logic Gate). H×nh sau lµ s¬ ®å logic, s¬ ®å ch©n nèi 74125, 74126, 74LS244, 74LS245 vµ c¸c tr¹ng th¸i cña chóng kÌm theo. 74LS125 74LS126 4C 4A 3C 3A 2C 2A 1C 1A 4C 4A 3C 3A 2C 2A 1C 1A 4Y 3Y 2Y 1Y 74LS244 74LS245 OEa Ia3 Ia2 Ia1 Ia0 OEb Ib3 Ib2 Ib1 Ib0 CE A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 Ya3 Ya2 Ya1 Ya0 Yb3 Yb2 Yb1 Yb0 U6 I0 I1 I2 I3 O0 O1 O2 O3 S/R B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 4Y 3Y 2Y 1Y 1 E 1A1 1A2 1A3 1A4 1Y1 1Y2 1Y3 1Y4 0 0 1a4 1a4 1a1 1a2 1a3 1a4 ---- th¶ næi ---- 2 E 2A1 2A2 2A3 2A4 2Y1 2Y2 2Y3 2Y4 0 0 2a1 2a2 2a3 2a4 ---- th¶ næi ---- 1a1 1a2 1a3 1a1 1a2 1a3 2a1 2a2 2a3 2a1 2a2 2a3 OE 174 2a4 2a4 E DIR Chøc n¨ng 0 0 1 0 1 x Sè liÖu B ®Õn bus A Sè liÖu A ®Õn bus B C« lËp gi÷a hai bus DIR : viÕt t¾t cña ch÷ DIRECTION cã nghÜa lµ ph−¬ng h−íng. E CLR CK 1 0 0 0 x 1 0 0 LOAD x x D4 D3 D2 D1 x x d4 x x x 0 x x x d3 x x x d2 x x x d1 x Q4 Q3 Q2 Q1 Th¶ næi 0 0 0 0 d4 d3 d2 d1 kh«ng ®æi 3. M¹ch ghi víi c¸c ®Çu ra ba tr¹ng th¸i. Vi m¹ch 74LS173 lµ mét vÝ dô vÒ m¹ch ghi lo¹i D, 4 bit víi c¸c ®Çu ra 3 tr¹ng th¸i. S¬ ®å ch©n, b¶ng ch©n lý vµ s¬ ®å logic cho trªn h×nh d−íi ®©y: 74LS173 MR E1 E2 CP D3 D2 D1 D0 OE1 OE2 Q3 Q2 Q1 Q0 4. Tæ chøc bus. Bus lµ mét nhãm ®−êng dÉn dïng ®Ó chuyÓn sè liÖu. H×nh vÏ d−íi ®©y gióp ta hiÓu c¸ch chuyÓn sè liÖu tõ m¹ch ghi nµy ®Õn m¹ch ghi kh¸c qua bus. Nãi mét c¸ch kh¸c, ®©y lµ c¸ch chuyÓn sè liÖu theo “tæ chøc bus”. C¸c m¹ch ghi cã ®Çu ra 3 tr¹ng th¸i. Xung nhÞp t¸c ®éng ®ång thêi vµo c¸c thanh ghi A, B, C, D nh−ng kh«ng cã ®iÒu g× x¶y ra c¶ nÕu c¸c ®Çu vµo LOAD ( L A ) vµ Enable ( E A ) ®Æt ë møc logic “1”: c¸c thanh ghi c« lËp víi bus. Muèn chuyÓn mét tõ nhÞ ph©n tõ m¹ch ghi A sang m¹ch ghi D, ta ®Æt E A vµ L D ë logic “0”. Nh− vËy sè liÖu cña m¹ch ghi A sÏ xuÊt hiÖn trªn bus vµ m¹ch ghi D s½n sµng n¹p sè liÖu. Khi cã xung nhÞp kÝch thÝch, sè liÖu sÏ ®−îc l−u tr÷ trong m¹ch ghi D. Gi¶ sö c¸c “tõ nhÞ ph©n “ sau ®©y ®−îc l−u tr÷ trong c¸c m¹ch ghi : 175 A = 0011 B = 0110 C = 1001 D = 1100 Muèn chuyÓn tõ A = 0011 sang m¹ch ghi D, ta ®Æt L A = 0 vµ L D = 0 . Lóc nµy c¸c kho¸ 3 tr¹ng th¸i cña m¹ch ghi A ®−îc ®ãng l¹i ®Ó chuyÓn tõ A = 0011 lªn bus. Víi L D = 0 , m¹ch ghi D ®−îc n¹p tõ nhÞ ph©n trªn. Khi cã xung nhÞp tíi (s−ên d−¬ng), tõ A ®−îc l−u tr÷ trong m¹ch ghi D. KÕt qu¶ b©y giê lµ : A = 0011 B = 0110 C = 1001 D = 0011 176 B. PhÇn thùc nghiÖm 1. Nghiªn cøu ho¹t ®éng cña cöa ba tr¹ng th¸i 74LS244 ƒ Vi m¹ch 74LS244 ®ãng vai trß nh− tÇng ®Öm cho bus 8 ®−êng dÉn (Octal Bus buffer). Mçi IC 74LS244 gåm 2 bé kho¸ ba tr¹ng th¸i, mçi bé kho¸ gåm 4 bÝt vµ mét ®Çu cho phÐp E . Vai trß cña mçi bé lµ nh− nhau nªn ta cã thÓ ghÐp 2 bé 4 bÝt ®Ó t¹o bé kho¸ ba tr¹ng th¸i 8 bit. ë bµi nµy ta chØ cÇn kh¶o s¸t bé kho¸ thø nhÊt. IC 74LS244 cã thÓ ®−îc dïng ®Ó lµm bé "kho¸ tõ 3 tr¹ng th¸i" (3-State word switch) hay ®Ó ph¸t tÝn hiÖu sè lªn bus, víi vai trß nµy nã cã tªn gäi lµ "bé ph¸t bus" (transmitter For Bus or Bus Transmitter). ƒ S¬ ®å thÝ nghiÖm: 0V Ea 0V Ia3 0V Ia2 0V Ia1 0V Ya3 Ya2 Ya1 Ya1 74LS244 OEa Ia3 Ia2 Ia1 Ia0 OEb Ib3 Ib2 Ib1 Ib0 Ya3 Ya2 Ya1 Ya0 Yb3 Yb2 Yb1 Yb0 Ia0 ƒ C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm: B−íc1: Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− c¸c h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông: 05 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 04 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 01 IC 74LS244 [Digital by Number/742xx/74244] Chó ý: [] §−êng dÉn ®Ó lÊy linh kiÖn trong th− viÖn () Ký hiÖu phÝm t¾t B−íc 3: - TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng ch©n lý sau: E Ia0 Ia1 Ia2 Ia3 177 Ya0 Ya1 Ya2 Ya3 2. Nghiªn cøu ho¹t ®éng cöa ba tr¹ng th¸i 74LS245 ƒ Vi m¹ch 74LS245 th−êng ®−îc dïng lµm tÇng ®Öm cho bus 8 ®−êng dÉn hai chiÒu (Bidirectional octal bus buffer). Do tÝnh chÊt hai chiÒu mµ vi m¹ch nµy ®−îc lµm m¹ch ®Öm ph¸t tÝn hiÖu lªn bus hoÆc nhËp tin tõ bus. V× vËy nã cßn cã tªn lµ “m¹ch thu ph¸t bus” (Bus Transmister-Receiver). ƒ S¬ ®å thÝ nghiÖm: 0V CE 0V CE S/R 5V 0V B7 0V 0V A7 0V S/R B6 0V A6 B7 A7 B6 A6 74LS245 74LS245 0V CE A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A5 0V A4 0V A3 0V 0V S/R B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 A2 0V B5 B4 A5 B3 A4 B2 A3 A2 B1 A1 B0 A0 CE A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 B5 S/R B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0V B4 0V B3 0V B2 0V B1 0V A1 H×nh a: A -> B 0V A0 ƒ B0 H×nh b: A <- B C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm: B−íc1: Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− c¸c h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông: 02 IC 74LS245 [Digital by Number/742xx/74254] 20 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) B−íc 2: - ChuyÓn sè liÖu theo chiÒu tõ A -> B. ë ®©y ta tiÕn hµnh thÝ nghiÖm víi h×nh a - TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau: CE S/R A 7 A6 A5 A 4 A3 A2 A 1 A0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 x 1 0 0 1 1 0 0 1 Chó ý: 178 B7 B6 B 5 B4 B3 B 2 B1 B0 - S/R: §Çu chän h−íng truyÒn sè liÖu. S/R = 1 sè liÖu ®−îc truyÒn tõ A sang B, cßn S/R = 0 sè liÖu ®−îc truyÒn tõ B sang A. B−íc 3: - ChuyÓn sè liÖu theo chiÒu tõ B -> A. ë ®©y ta tiÕn hµnh thÝ nghiÖm víi h×nh b - TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau: CE S/R A 7 A6 A5 A 4 A3 A2 A 1 A0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 x 1 0 0 1 1 0 0 1 B7 B6 B 5 B4 B3 B 2 B1 B0 3. ChuyÓn sè liÖu gi÷a c¸c m¹ch ghi theo tæ chøc bus Word switch Hexadecimal 3 state dispay CLR B A Register 74LS173 CLR A B Register 74LS173 EA EB CK Word switch ƒ Ta cã s¬ ®å khèi: Môc ®Ých cña bµi thùc tËp: - Ph¸t sè liÖu nhÞ ph©n 1010 lªn bus - Tõ bus, sè liÖu ®−îc n¹p vµ l−u tr÷ t¹i m¹ch ghi thø nhÊt (vÝ dô m¹ch ghi A) - ChuyÓn sè liÖu tõ m¹ch ghi thø nhÊt ®Õn m¹ch ghi thø hai (vÝ dô m¹ch ghi B) qua bus vµ l−u tr÷ l¹i. ƒ §äc l¹i sè liÖu trªn thanh ghi B. S¬ ®å thÝ nghiÖm: 179 0V 5V 5V MRB EA EB 5V 0V MRA 5V MR E1 E2 CP D3 D2 D1 D0 0V CP 0V E OEa Ia3 Ia2 Ia1 Ia0 OEb Ib3 Ib2 Ib1 Ib0 I3 0V I2 0V I1 0V I0 Ya3 Ya2 Ya1 Ya0 3 2 1 0 74LS173 MR E1 E2 CP D3 D2 D1 D0 OE1 OE2 Q3 Q2 Q1 Q0 3 21 0 74LS244 0V LOADB 74LS173 LOADA 0 1 23 Q3 Q2 Q1 Q0 3210 Thanh ghi A Q3 Q2 Q1 Q0 OE1 OE2 0 12 3 3 2 1 0 Thanh ghi B Yb3 Yb2 Yb1 Yb0 1 ƒ C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm: B−íc1: Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− c¸c h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông: 01 IC 74LS244 [Digital by Number/742xx/74244] 12 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 04 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 02 IC 74LS173 [Digital by Number/741xx/74173] B−íc 2: TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau: Ph¸t sè liÖu nhÞ ph©n 1010 lªn bus E MRA MRB LOAD A EA LOAD B EB CP I3 I2 I1 I0 1 0 0 x x x x x xxxx 0 1 1 1 1 1 1 x 1010 N¹p sè liÖu vµo thanh ghi A 1 1 1 0 1 1 1 xxxx ChuyÓn sè liÖu tõ thsnh ghi A sang thanh ghi B 1 1 1 1 0 0 1 xxxx Ph¸t sè liÖu thanh ghi B lªn bus ®Ó kiÓm tra 1 1 1 1 1 1 180 0 x xxxx Q3 Q2 Q1 Q0 Q3...Q0: TÝn hiÖu trªn bus 4. KiÓm tra kiÕn thøc Cho s¬ ®å khèi cña mét tæ chøc bus nh− sau: 4 LA LOAD CLR 4 A 4 EA ENABLE LC 4 4 LB CLR C ENABLE LOAD CLR LOAD EC 4 B 4 EB ENABLE LD 4 4 - LOAD D CLR ENABLE EC Muèn chuyÓn néi dung cña m¹ch ghi D ®Õn m¹ch ghi C th× ta ph¶i ®iÒu khiÓn nh− thÕ nµo? - Dùa theo c©u 3 tõ s¬ ®å khèi trªn sinh viªn cã thÓ tù thiÕt kÕ s¬ ®å m¹ch ®iÖn ®Ó tiÕn hµnh thÝ nghiÖm. 181 C. Phô lôc Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng dông sö dông trong bµi thùc hµnh. 1. Bé ®Öm 3 tr¹ng th¸i 8 bit (Octal Buffer/Line Driver 3-State) Tªn IC: 74x244 (TTL) 2. Bé truyÒn/nhËn bus 8 bit (Octal Bus Transceiver) Tªn IC: 74x245 (TTL) 182 3. Thanh ghi D lèi ra 3 tr¹ng th¸i (4-bit D type register with 3-state outputs) Tªn IC: 74x173 (TTL) 183