Vì phạm vi của công nghệ số và mạch điện tử số mở rộng sang nhiều lĩnh vực như phần mềm, chăm sóc sức khỏe, tự động hóa, kinh doanh và nhiều biểu diễn điện tử của các hàm Boolean, nhiều dải cổng logic được sử dụng để biểu diễn các tín hiệu số này. Trong kịch bản logic số, đầu ra hoàn toàn là hàm của đầu vào hiện tại. Do kết quả của quá trình này, các cổng logic được sử dụng để biểu diễn các mạch số được phân loại thành mạch logic tuần tự và mạch logic tổ hợp. Vì việc triển khai các mạch logic tổ hợp nằm trong nhiều mạch máy tính, chúng ta hãy tiếp tục thảo luận chi tiết về cách chúng hoạt động và nhiều khái niệm khác liên quan đến khái niệm này.
Khái niệm
Mạch logic tổ hợp như chính tên gọi của nó cho thấy rằng nó là sự kết hợp của nhiều loại cổng logic khác nhau. Mạch tổ hợp có các đặc điểm sau: Tại bất kỳ thời điểm nào, đầu ra chỉ dựa trên mức của các đầu vào hiện tại chứ không phải các đầu vào trạng thái trước đó. Các mạch này không cần bất kỳ loại trạng thái bộ nhớ hoặc xung nhịp nào, vì vậy các đầu vào trước đó không ảnh hưởng đến trạng thái hiện tại của mạch. Một mạch tổ hợp có thể tiếp nhận 'n' đầu vào và chỉ cung cấp một đầu ra. Logic tổ hợp phức tạp hoặc đơn giản đều có thể được biểu diễn thông qua cổng 'NAND', 'NOT' hoặc 'NOR'.
Đặc điểm
• Đầu ra chỉ phụ thuộc vào đầu vào hiện tại.
• Tốc độ của nó rất nhanh.
• Thiết kế dễ dàng.
• Không có phản hồi giữa đầu vào và đầu ra.
• không phụ thuộc vào thời gian.
• Các khối xây dựng cơ bản là cổng Logic.
• Được sử dụng cho cả phép toán số học và phép toán boolean .
• Mạch tổ hợp không có khả năng lưu trữ bất kỳ trạng thái nào.
Ví dụ
Trong các khu vực, mạch kết hợp được sử dụng và được thảo luận dưới đây:
• Bộ cộng và bộ trừ: Mạch tổ hợp được sử dụng để thực hiện các phép toán của số nhị phân. Bộ cộng và bộ trừ sử dụng logic mạch tổ hợp trong đó lấy hai hoặc nhiều số nhị phân làm đầu vào và thực hiện phép cộng/trừ để tạo ra đầu ra.
• Bộ ghép kênh và bộ tách kênh: Bộ ghép kênh là một loại mạch kết hợp đặc biệt, trong đó có nhiều đầu vào. Từ đó, một đầu vào có thể được chọn và đầu vào đó sẽ được truyền đi như một đầu ra dựa trên tín hiệu lựa chọn. Mặt khác, bộ tách kênh cũng chọn một tín hiệu đầu vào nhưng truyền nó đến một trong nhiều đầu ra.
• Bộ mã hóa và bộ giải mã: Bộ mã hóa cũng sử dụng mạch tổ hợp để chuyển đổi một tập hợp nhiều tín hiệu đầu vào thành một tập hợp nhỏ hơn các tín hiệu đầu ra nhưng giá trị kết quả không thay đổi. Ngược lại, bộ giải mã chuyển đổi một tập hợp nhỏ các tín hiệu đầu vào thành một tập hợp lớn các tín hiệu đầu ra mà không thay đổi giá trị kết quả. Về cơ bản, đầu vào của Bộ mã hóa = đầu ra của Bộ giải mã và ngược lại.
Phân tích mạch
Phân tích mạch logic tổ hợp là quá trình xác định cách các tín hiệu đầu vào ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra của một mạch logic tổ hợp. Quá trình này thường bao gồm việc phân tích hàm logic, tạo bảng chân trị, xây dựng biểu đồ Karnaugh (nếu cần) và hiểu rõ cách mạch hoạt động dưới góc độ logic
Từ yêu cầu nhiệm vụ đã cho ta biến thành các vấn đề logic, để tìm ra bảng chức năng ra bảng chân lý
Phân tích yêu cầu
Phân tích yêu cầu mạch logic là quá trình hiểu và xác định các yêu cầu chức năng mà mạch cần thỏa mãn. Quá trình này đặc biệt quan trọng trong thiết kế mạch tổ hợp, vì nó đảm bảo rằng mạch sẽ hoạt động đúng theo những gì người dùng hoặc hệ thống yêu cầu.
• Xác định nào là biến đầu vào.
• Xác định nào là biến đầu ra.
• Tìm ra mối liên hệ giữa chúng với nhau.
Điều này đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ yêu cầu thiết kế, đây là một việc khó khăn nhưng rất quan trọng trong quá trình thiết kế
Kẻ bảng chân lý
Bảng chân lý, còn gọi là bảng chân trị (truth table), là một công cụ quan trọng trong phân tích và thiết kế mạch logic. Bảng này giúp biểu diễn toàn bộ khả năng của các tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của mạch logic tổ hợp. Dưới đây là các bước cơ bản để kẻ bảng chân lý:
• Liệt kê thành bảng về mối quan hệ tương ứng với nhau giữa trạng thái tín hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu ra => Bảng này gọi là bảng chức năng
• Tiến hành thay giá trị logic (0 ,1) cho trạng thái đó ta được bảng chân lý
Ứng dụng
Trong công nghệ hiện đại, mạch tổ hợp được sử dụng rộng rãi vì chức năng đơn giản và khả năng cung cấp đầu ra tức thời. Một số ứng dụng được thảo luận dưới đây:
• Đơn vị số học và logic (ALU): Vì mạch tổ hợp có khả năng thực hiện nhiều tác vụ toán học khác nhau như phép toán số học và logic nên các mạch này được sử dụng trong máy tính bỏ túi và bộ xử lý như một thành phần cơ bản của ALU.
• Mã hóa và giải mã dữ liệu : Trong lĩnh vực bảo vệ thông tin, mạch tổ hợp được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu nhằm mục đích truyền thông an toàn. Thuật toán mã hóa/giải mã cũng là một công thức toán học phức tạp có thể được thực hiện bằng mạch tổ hợp.
• Ghép kênh và tách kênh dữ liệu: Đây chỉ là một triển khai thực tế của bộ ghép kênh và bộ tách kênh. Bằng cách sử dụng nó, chúng ta có thể tối ưu hóa băng thông mạng bằng cách giảm hiệu quả lưu lượng mạng vì mạch kết hợp cho phép truyền nhiều tín hiệu dữ liệu qua một kênh truyền thông duy nhất.
• Điều khiển đèn giao thông: Trong cơ chế điều khiển đèn giao thông, các mạch tổ hợp được sử dụng để xác định ngay lập tức thời gian và trình tự thay đổi đèn giao thông dựa trên thông tin đầu vào của bộ hẹn giờ và cảm biến.
Một số mạch tổng hợp
Có nhiều loại mạch tổ hợp phổ biến được sử dụng trong hệ thống điện tử và logic. Dưới đây là một số ví dụ về mạch tổ hợp thường gặp:
1. Mạch Cổng Logic (Logic Gates): Các cổng logic như AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR, XNOR là những mạch tổ hợp cơ bản. Chúng thực hiện các phép toán logic đơn giản như kết hợp, phân tách, đảo ngược, và các phép toán logic phức tạp hơn như XOR và XNOR.
2. Mạch Mã Hóa và Giải Mã: Các mạch này thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để mã hóa dữ liệu trước khi truyền và giải mã dữ liệu sau khi nhận. Ví dụ: mạch mã hóa và giải mã trong hệ thống mã hóa kênh (Channel Encoding) hoặc mã hóa dự phòng (Error Correcting Codes).
3. Bộ Mã Hóa Đa Mức (Encoder): Được sử dụng để chuyển đổi tập hợp các tín hiệu đầu vào (thường là các bit) thành một đầu ra đa mức duy nhất dựa trên các điều kiện xác định.
4. Bộ Giải Mã Đa Mức (Decoder): Ngược lại với bộ mã hóa, bộ giải mã đa mức chuyển đổi tín hiệu đa mức thành tập hợp các tín hiệu đầu ra riêng lẻ (thường là các bit).
5. Bộ Mã Hóa BCD (Binary-Coded Decimal): Được sử dụng để chuyển đổi các số thập phân thành dạng BCD, một dạng biểu diễn số học trong đó mỗi chữ số được mã hóa bằng các bit 4-bit.
6. Bộ Mux (Multiplexer) và Bộ Demux (Demultiplexer): Bộ mux là mạch tổ hợp cho phép chọn một trong nhiều tín hiệu đầu vào để truyền đến đầu ra. Bộ demux ngược lại, chia tín hiệu đầu vào thành nhiều kênh đầu ra tương ứng.
7. Bộ Nhớ ROM (Read-Only Memory): Là một loại bộ nhớ dùng để lưu trữ dữ liệu không thay đổi, thường được sử dụng để lưu trữ chương trình máy tính, bảng mã ASCII, và các bảng tương ứng.
8. Bộ Giảm Tín Hiệu (Decoder): Được sử dụng để giảm số lượng tín hiệu đầu ra so với số lượng tín hiệu đầu vào, thường được sử dụng trong việc chọn địa chỉ, điều khiển đa mức và điều khiển đa chức năng.
9. Mạch Xử lý Ưu Tiên (Priority Encoder): Là mạch tổ hợp có chức năng xác định tín hiệu đầu vào có độ ưu tiên cao nhất và chuyển thành một mã ưu tiên tương ứng.
10. Bộ Chuyển Đổi (Converter): Các bộ chuyển đổi thường được sử dụng để chuyển đổi giữa các hệ thống biểu diễn số khác nhau, ví dụ như chuyển đổi giữa hệ thập phân và hệ nhị phân.
Các ví dụ trên chỉ là một số trong số nhiều loại mạch tổ hợp phổ biến được sử dụng trong hệ thống điện tử và logic. Các mạch này giúp thực hiện các chức năng logic cơ bản và phức tạp trong các ứng dụng khác nhau.
