Cổng logic kết hợp để xử lý tín hiệu ra sao?

Bạn sẽ học được gì

• Đọc quy tắc của các cổng AND, OR và NOT.
• Theo dõi tín hiệu trung gian khi nối nhiều cổng.
• Kiểm tra mạch bằng bảng trạng thái và so với yêu cầu ban đầu.

Cần biết trước

Không cần kiến thức chuyên môn; các thuật ngữ được giải thích ngay trong bài.

Mỗi cổng quyết định đầu ra thế nào?

Máy tính được làm từ các công tắc logic, và trong thời hiện đại các công tắc này là transistor. Mỗi cổng logic được dựng từ các công tắc và thực hiện một quy tắc. Cổng AND và OR có hai đầu vào và một đầu ra. Cổng NOT có một đầu vào và một đầu ra.

AND cho kết quả đúng khi mọi đầu vào đều đúng. OR cho kết quả đúng khi ít nhất một đầu vào đúng, kể cả khi tất cả đầu vào đều đúng. NOT đảo đầu vào: đúng thành sai, sai thành đúng. Mạch NOT còn được gọi là bộ đảo.

Bảng trạng thái ghi lại hành vi đó theo dạng bit. Mỗi cột là một đầu vào hoặc đầu ra, mỗi hàng là một tổ hợp giá trị đầu vào.

Đọc từng hàng theo chiều ngang. Cùng một hàng đầu vào, AND và OR có thể cho kết quả khác nhau vì chúng áp hai quy tắc khác nhau.

Nối cổng tạo quy tắc lớn hơn ra sao?

Đầu ra của một cổng trở thành đầu vào của cổng kế tiếp. Nhờ vậy, người ta dựng các thành phần lớn hơn từ những thành phần nhỏ, rồi bỏ qua chi tiết bên trong để xây tiếp lên trên.

Hãy xét một đèn minh họa chỉ sáng khi có người và trời tối. Tín hiệu “trời sáng” đi qua NOT. Kết quả của NOT cùng tín hiệu “có người” đi vào AND.

Ta tính theo thứ tự: lấy giá trị “trời sáng”, đảo nó, rồi mới kết hợp với “có người”. Ghi lại tín hiệu trung gian giúp tránh một lỗi hay gặp là áp quy tắc của cổng sau lên đầu vào gốc. Cổng sau phải nhận đầu ra của cổng trước.

Làm sao biết mạch đáp ứng đúng ý định?

Bảng trạng thái cho mọi tổ hợp đầu vào nên dùng được để kiểm tra mạch. Với đèn trên, có bốn tình huống: có người và tối, có người và sáng, vắng người và tối, vắng người và sáng. Chỉ khi có người và tối thì cả hai đầu vào của AND mới đúng.

Nếu thay AND bằng OR, đèn sẽ sáng khi chỉ có người hoặc chỉ có trời tối. Yêu cầu của mạch đã đổi. Vì vậy hãy viết điều kiện mong muốn trước, rồi đối chiếu với bảng. Sơ đồ nối dây một mình chưa chứng minh mạch đúng.

Còn có các cổng khác, mỗi cổng là một quy tắc. NAND là đảo của AND. XOR cho kết quả đúng khi hai đầu vào khác nhau. Mạch chỉ cần AND, OR và NOT là đủ để xây ra bất kỳ hàm nào, vì có thể bắt đầu từ bảng trạng thái và ghép các cổng này theo bảng.

Ví dụ trong đời sống

Hãy thử trên giấy với một người bước vào phòng tối. Tín hiệu “có người” là đúng, tín hiệu “trời sáng” là sai. NOT biến sai thành đúng. AND nhận hai đầu vào đều đúng và cho đầu ra đúng, nên đèn sáng.

Khi người rời phòng, “có người” thành sai. AND cho đầu ra sai dù NOT vẫn cho đúng, nên đèn tắt.

Để kiểm tra thêm, giữ người trong phòng và chuyển từ tối sang sáng. NOT bây giờ cho sai, nên đầu ra cũng sai. Bạn đã theo được cả lúc bật lẫn lúc tắt mà không cần lắp mạch.

Hiểu lầm thường gặp

OR bao gồm cả trường hợp mọi đầu vào đều đúng. Đây là điểm khác với cách nói thường ngày, khi “hoặc” nghe như chỉ chọn một.

Một mạch nhiều cổng cần được đọc theo đường đi của tín hiệu. Mỗi cổng áp quy tắc lên đầu vào của nó, và đầu vào đó có thể là đầu ra của cổng trước.

Một tình huống thử chỉ kiểm tra một hàng của bảng. Muốn chắc chắn, phải xét mọi hàng.

Câu hỏi thường gặp

NOT có cần đầu vào thứ hai không?

Không. NOT chỉ có một đầu vào và đảo trạng thái của nó.

Cổng OR có cho kết quả đúng khi cả hai đầu vào đều đúng không?

Có. OR cho kết quả đúng khi ít nhất một đầu vào đúng.

Cổng NAND khác cổng AND thế nào?

NAND cho kết quả ngược với AND trên cùng đầu vào. Khi AND đúng thì NAND sai, và ngược lại.

Tóm tắt

• Mỗi cổng có quy tắc riêng biến đầu vào thành đầu ra.
• Tín hiệu trung gian nối các phép logic thành mạch.
• Bảng trạng thái kiểm tra mọi tổ hợp đầu vào so với yêu cầu.