digital system engineering
DESCRIPTION
บทที่ 1. บทนำ จากศูนย์ถึงหนึ่ง. Digital System Engineering. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน. การออกแบบวงจรหรือระบบขนาดใหญ่ๆ มนุษย์ไม่มีความสามารถหรือมีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากพอที่จะมาใช้คำนวณหรือพิจารณารายละเอียดได้ทุกอย่างได้ - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Digital System Engineering
บทท�� 1.บทนำ��
จ�กศู�นำย์ ถึ�งหนำ��ง
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำ• ก�รออกแบบวงจรหร อระบบขนำ�ดใหญ่$ๆ มนำ&ษย์ ไม$ม�
คว�มส�ม�รถึหร อม�เคร �องม อท��ม�ประส�ทธิ�ภ�พม�กพอท��จะม�ใช้�ค��นำวณหร อพ�จ�รณ�ร�ย์ละเอ�ย์ดได�ท&กอย์$�งได�
• ตั�วอย์$�งเช้$นำ จ��นำวนำทร�นำซั�สเตัอร ในำ CPU Core i7 ของบร�ษ�ท Intel ม�ท�1งหมด 731 ล��นำตั�ว ในำก�ร
ออกแบบ CPU ว�ศูวกรไม$ส�ม�รถึท��จะค��นำวณห�ขนำ�ด ของกระแส หร อผลตัอบสนำองคว�มถึ��ของวงจร
ทร�นำซั�สเตัอร ท&กตั�วในำ Core i7 พร�อมก�นำได� เนำ �องจ�กม�คว�มย์&$งย์�กและซั�บซั�อนำม�กเก�นำไป
• ด�งนำ�1นำในำก�รออกแบบวงจรหร อระบบขนำ�ดใหญ่$ เร�จ��เป3นำจะตั�องพ�ฒนำ�ว�ธิ�หร อเทคนำ�คท��ใช้�ลดคว�มซั�บซั�อนำให�
นำ�อย์ลง โดย์ท��ย์�งคงคว�มส�ม�รถึในำก�รออกแบบระบบขนำ�ดใหญ่$ให�ท��ง�นำได�อย์$�งถึ�กตั�องและเช้ �อถึ อได�
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำ• เทคนำ�คท��นำ�ย์มใช้�ก�นำ ค อก�รแบ$งระด�บก�รค��นำวณหร อก�ร
ว�เคร�ะห ออกเป3นำล��ด�บช้�1นำ โดย์ท��ช้� 1นำท��อย์�$ด��นำล$�งจะเป3นำ ช้�1นำของก�รค��นำวณหร อว�เคร�ะห ในำร�ย์ละเอ�ย์ด ส$วนำช้�1นำท��
อย์�$ด��นำบนำก6จะเป3นำก�รนำ��เอ�ผลล�พธิ ของก�รค��นำวณหร อก�รว�เคร�ะห ไปใช้�ง�นำ
• ก�รแบ$งก�รว�เคร�ะห หร อก�รค��นำวณเป3นำล��ด�บช้�1นำล�กษณะนำ�1ม�ข�อด�ค อเป3นำก�รซั$อนำร�ย์ละเอ�ย์ดท��ย์&$งย์�กซั�บ
ซั�อนำไว�ในำช้�1นำระด�บล$�ง ท��ให�ก�รออกแบบวงจรหร อระบบในำระด�บท��ส�งข�1นำม�คว�มซั�บซั�อนำนำ�อย์ลง
• ก�รซั$อนำร�ย์ละเอ�ย์ดท��ย์&$งย์�กซั�บซั�อนำไว�ในำช้�1นำระด�บล$�งนำ�1 เร�เร�ย์กว$� ระด�บช้�1นำนำ�มธิรรม (Abstraction)
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำ• ระด�บช้�1นำนำ�มธิรรมในำก�รออกแบบระบบ
Digital ส�ม�รถึแบ$งออกเป3นำท�1งหมด 9 ระด�บช้�1นำ
• โดย์เร��มจ�กช้�1นำล$�งส&ดค อช้�1นำฟิ8ส�กส ซั��งเป3นำก�รว�เคร�ะห พฤตั�กรรมตั$�งๆของโฮล
และอ�เล6กตัรอนำ ในำส�รก��งตั�วนำ�� ไปจนำถึ�งช้�1นำบนำส&ดค อก�รเข�ย์นำโปรแกรมประย์&กตั ในำคอมพ�วเตัอร
• ก�รแบ$งเป3นำระด�บช้�1นำนำ�มธิรรมท��ให�โปรแกรมเมอร ส�ม�รถึท��จะเข�ย์นำโปรแกรมประย์&กตั ได�โดย์ท��ไม$จ��เป3นำตั�องม�คว�มร� �เก��ย์วก�บทฤษฎี�ส�รก��งตั�วนำ��แม�แตั$นำ�อย์
Physics
Devices
AnalogCircuits
DigitalCircuits
Logic
Micro- architecture
Architecture
OperatingSystems
ApplicationSoftware
Electrons
TransistorsDiodes
AmplifiersFilters
AND gatesNot gates
AddersMemories
DatapathsControllers
InstructionsRegisters
DeviceDrivers
Programs
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำ• ในำท�งกล�บก�นำว�ศูวกรหร อนำ�กฟิ8ส�กส ก6ส�ม�รถึท��จะ
ออกแบบทร�นำซั�สเตัอร หร อ MOSFET ตั�วใหม$ท��ท��ง�นำ ได�เร6วม�กข�1นำ หร อใช้�พล�งง�นำนำ�อย์ลง โดย์ไม$ตั�องไปสนำใจ
ว$�จะทร�นำซั�สเตัอร หร อ MOSFET ท��ออกแบบจะถึ�กนำ��ไป ใช้�ก�บคอมพ�วเตัอร ท��ใช้�ระบบปฏิ�บ�ตั�ก�ร Windows หร อ
Mac OS X
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำPhysics Abstraction
• ในำระด�บฟิ8ส�กส เร�ส�ม�รถึอธิ�บ�ย์พฤตั�กรรมตั$�งๆของ โฮลและอ�เล6กตัรอนำโดย์ใช้�ทฤษฎี�ของ Quantum และ
สมก�รของ Maxwell
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำDevice Abstraction• เร�ส�ม�รถึอธิ�บ�ย์ก�รท��ง�นำของอ&ปกรณ ตั$�งๆเช้$นำ
Diode หร อ Transistor จ�กคว�มส�มพ�นำธิ ระหว$�งแรงด�นำและกระแสท��ข�ตั$�งๆของอ&ปกรณ
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำAnalog Circuit Abstraction• เร�ส�ม�รถึนำ��เอ�อ&ปกรณ ตั$�งๆม�เช้ �อมตั$อเข��ด�วย์ก�นำให�
กล�ย์เป3นำวงจร• ก�รท��ง�นำของวงจรอนำ�ลอกส�ม�รถึด�ได�จ�กคว�ม
ส�มพ�นำธิ ระหว$�งส�ญ่ญ่�ณ Input และ Output เช้$นำค$�อ�ตัร�ขย์�ย์แรงด�นำ
ov
i
vA
v
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำDigital Circuit Abstraction• เร�ส�ม�รถึนำ��วงจรอนำ�ลอกม�สร��งเป3นำโลจ�กเกตัตั$�งๆ
เช้$นำ NOT, AND, และ OR gate• ก�รท��ง�นำของโลจ�กเกตัตั$�งๆส�ม�รถึด�ได�จ�กตั�ร�ง
Truth Table
A /A
0 1
1 0
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำ คว�มแตักตั$�งระหว$�งส�ญ่ญ่�ณ Analog
และ Digital
ส�ญ่ญ่�ณ Digital เป3นำ ส�ญ่ญ่�ณท��ม�คว�มไม$ตั$อเนำ �อง
(Discrete) ท�1งในำแกนำเวล�และแอมปล�จ�ด
ส�ญ่ญ่�ณ Analog เป3นำ ส�ญ่ญ่�ณท��ม�คว�มตั$อเนำ �อง
(Continuous) ท�1งในำแกนำเวล�และแอมปล�จ�ด
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำLogic Abstraction• ในำระด�บโลจ�ก เป3นำก�รนำ��เอ�โลจ�กเกตัตั$�งๆม�ตั$อรวมก�นำ
ให�กล�ย์เป3นำวงจรโลจ�กแบบง$�ย์ๆเช้$นำวงจร Adder, ALU, หร อ Memory
• เร�ส�ม�รถึศู�กษ�ก�รท��ง�นำของวงจรโลจ�กได�จ�กTiming Diagram หร อ Truth Table
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำMicroarchitecture Abstraction• ในำระด�บ Microarchitecture
เป3นำก�รนำ��เอ�วงจรโลจ�กม�ตั$อรวม ก�นำเพ �อให�ส�ม�รถึท��ง�นำตั�มค��ส��ง
Assembly ได�• วงจรโลจ�กพ 1นำฐ�นำท��อย์�$ในำ
Microarchitecture ม�ด�งนำ�1• Register ท��หนำ��ท��เก6บข�อม�ล
ช้��วคร�ว Register ส��ค�ญ่ท��จ��เป3นำตั�องม�ค อ• Accumulator ท��หนำ��ท��เก6บ
ข�อม�ลช้��วคร�วในำระหว$�งก�รประมวลผล
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำMicroarchitecture Abstraction
• Program Counter เป3นำRegister ท��ช้�1ตั��แหนำ$งของหนำ$วย์คว�มจ��ท��ใช้�เก6บค��ส��งถึ�ดไป
• Arithmetic Logic Unit ท��หนำ��ท��ค��นำวณแบบง$�ย์ๆเช้$นำก�รบวก, ลบ. OR หร อ AND
• นำอกจ�กวงจรโลจ�กตั$�งๆแล�ว ย์�งจ��เป3นำตั�องม� Data Path หร อ Bus เพ �อท��หนำ��ท��เป3นำเส�นำท�งก�รส$งข�อม�ล
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำArchitecture Abstraction• ระด�บ Architecture เป3นำก�รอธิ�บ�ย์ระบบคอมพ�วเตัอร
ในำม&มมองของ Programmer• ตั�วอย์$�งเช้$นำสถึ�ป?ตัย์กรรม IA-32 ของบร�ษ�ท Intel ม�
ด�งตั$อไปนำ�1• ส�ม�รถึท��ง�นำได�ท�1งหมด 4 โหมดค อ
• Protected Mode• Virtual-8086 Mode• Real Address Mode• System Management Mode
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำArchitecture Abstraction
• ส�ม�รถึอ��งหนำ$วย์คว�มจ��ได�ถึ�ง 4 GB• Register
• General-Purpose Registers• Specialized Uses• Segment Registers• Instruction Pointer• EFLAGS Register
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำArchitecture Abstraction
• Control Flag• Status Flag• Floating Point Unit (FPU) เป3นำData Register
พ�เศูษท��ท��ให�ส�ม�รถึค��นำวณแบบ Floating Point ท��รวดเร6ว
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำArchitecture Abstraction
• Register อ �นำๆ เช้$นำ• 64 bits Registers ท��ใช้�ง�นำก�บค��ส��งกล&$ม MMX• 128 bits XMM Registers เพ �อใช้�ก�บค��ส��งช้นำ�ด Single-
Instruction, Multiple-Data (SIMD)
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำArchitecture vs Microarchitecture• จ�กข�อก��หนำดตั$�งๆในำระด�บช้�1นำ Architecture ว�ศูวกร
ส�ม�รถึนำ��ไปออกแบบ Microarchitecture ได�อย์$�งหล�กหล�ย์
• ตั�วอย์$�งเช้$นำว�ศูวกรของบร�ษ�ท Intel ส�ม�รถึออกแบบMicro-architecture จ�กสถึ�ป?ตัย์กรรม IA-32
กล�ย์เป3นำ CPU ตัระก�ล Pentium ตั$�งๆ
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำOperating System และ Application Abstraction• ส��หร�บระบบคอมพ�วเตัอร นำอกจ�กวงจรด�จ�ตัอลหร อ
Hardware แล�ว ส��งท��ข�ดไม$ได�ค อ Software ท��ใช้�ควบค&มก�รท��ง�นำ
• ในำม&มมองของ Software ระด�บช้�1นำท��อย์�$ด��นำล$�งส&ดค อ โปรแกรมปฏิ�บ�ตั�ก�ร (OS)
• หนำ��ท��ของ OS ค อบร�ห�ร, จ�ดก�ร และควบค&มก�รตั�ดตั$อ ก�บ Hardware ท��ให�โปรแกรมเมอร ท��เข�ย์นำโปรแกรม
ประย์&กตั ส�ม�รถึท��จะเข�ย์นำหร ออ$�นำข�อม�ลจ�กฮ�ร ดด�ส หร อพ�มพ ภ�พออกไปท��พร�นำเตัอร ได�โดย์ไม$จ��เป3นำตั�อง
เข��ใจก�รท��ง�นำของฮ�ร ดด�สหร อพร�นำเตัอร เลย์แม�แตั$นำ�อย์
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำDiscipline• Discipline หม�ย์ถึ�งข�อบ�งค�บของก�รออกแบบระด�บ
นำ�มธิรรมในำช้�1นำล$�งเพ �อให�ระด�บนำ�มธิรรมในำช้�1นำบนำ ส�ม�รถึท��ง�นำหร อม�ผลผล�ตัท��ด�ย์��งข�1นำ เช้$นำ
• Digital Discipline (ข�อบ�งค�บด�จ�ตัอล)• วงจรด�จ�ตัอลท��ง�นำก�บส�ญ่ญ่�ณแบบไม$ตั$อเนำ �องท��ให�
ส�ม�รถึออกแบบได�ง$�ย์กว$�วงจรอนำ�ลอก• ด�งนำ�1นำก�รนำ��เอ�วงจรด�จ�ตัอลม�เช้ �อมตั$อก�นำให�กล�ย์เป3นำ
ระบบใหญ่$ท��ม�คว�มซั�บซั�อนำส�งท��ได�ง$�ย์กว$�
บทท�� 1.2 ศู�ลปะของก�รบร�ห�รคว�มซั�บซั�อนำThree – Y’s• ก�รออกแบบระบบท��ม�คว�มซั�บซั�อนำม�กๆ นำอกจ�กจะ
ตั�องใช้�หล�กก�รของก�รแบ$งระด�บนำ�มธิรรม และข�อ บ�งค�บแล�วย์�งตั�องใช้�หล�กก�รอ�ก 3 อย์$�งค อ
• Hierarchy ค อก�รแบ$งระบบออกเป3นำโมด�ลตั$�งๆ จ�ก นำ�1นำจ�งแบ$งแตั$ละโมด�ลให�เป3นำโมด�ลย์$อย์ตั$อไปอ�ก เพ �อให�ได�
โมด�ลย์$อย์ท��ม�คว�มเร�ย์บง$�ย์ม�กย์��งข�1นำ• Modularity แตั$ละโมด�ลจะตั�องถึ�กออกแบบอย์$�งด�ท��ส&ด
เพ �อให�ส�ม�รถึท��ง�นำได�อย์$�งถึ�กตั�องเพ �อลดป?ญ่ห�ของ ก�รนำ��ไปใช้�ง�นำ และออกแบบว�ธิ�ก�รเช้ �อมตั$อก�บโมด�ลอ �นำๆ
เพ �อให�ส�ม�รถึนำ��เอ�โมด�ลท�1งหมดม�เช้ �อมตั$อก�นำเป3นำระบบใหญ่$
• Regularity ในำระบบใหญ่$ๆม�กจะประกอบด�วย์โมด�ล จ��นำวนำม�กท��ม�ก�รท��ง�นำคล��ย์ๆก�นำ และโมด�ลเหล$�นำ�1ม�ก
ถึ�กนำ��ไปใช้�ง�นำหล�ย์คร�1ง ด�งนำ�1นำเพ �อเป3นำก�รลดเวล�ในำก�ร ออกแบบระบบขนำ�ดใหญ่$ จ�งควรออกแบบและใช้�ง�นำโมด�ล
ร$วม (Common Module) ท��ส�ม�รถึนำ��ไปใช้�ง�นำได�หล�ย์คร�1ง
บทท�� 1.3 นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอล• ตั�วแปรท�งฟิ8ส�กส ส$วนำใหญ่$เช้$นำคว�มด�นำ, คว�มร�อนำ ม�กม�
ค$�ท��ตั$อเนำ �อง• ในำท�งตัรงก�นำข��มระบบ Digital เป3นำระบบท��แสดง
ข$�วส�รโดย์ใช้�ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �อง (Discrete Valued Variable)
• ตั�วแปรช้นำ�ดค$�ไม$ตั$อเนำ �องส�ม�รถึแสดงค$�หร อข�อม�ลได�ในำจ��นำวนำจ��ก�ดเช้$นำ• ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องขนำ�ด 1 bit ส�ม�รถึแสดงค$�หร อ
ข�อม�ลได�เพ�ย์ง 2 ค$�เท$�นำ�1นำค อ 0 หร อ 1, ถึ�ก หร อ ผ�ด, ซั��ย์ หร อ ขว�
บทท�� 1.3 นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอล• ถึ��ตั�องก�รแสดงส�ร& �งท��ม� 7 ส�จะตั�องใช้�
ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องขนำ�ดอย์$�งนำ�อ ย์ 3 bit
• ถึ��ตั�องก�รแสดงตั�วเลข 0 ถึ�ง 9 จะตั�องใช้�ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องขนำ�ด
อย์$�งนำ�อย์ 4 bit ค อ0000 = 0, 0001 = 1,
0010 = 2,0011 = 3, 0100 = 4,
0101 = 5,0110 = 6, 0111 = 7,
1000 = 8,1001 = 9
บทท�� 1.3 นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอล• จ�กตั�วอย์$�งจะเห6นำว$�ถึ��ตั�องก�รแสดงค$� N ค$� จะตั�องใช้�
ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องท��ม�จ��นำวนำบ�ทม�กกว$�หร อเท$�ก�บท�� จ��เป3นำตั�องใช้�เสมอ ตั�วอย์$�งเช้$นำก�รแสดงตั�วเลข 0-9
จ��นำวนำ 10 ค$� แตั$ตั�องใช้�ตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องขนำ�ด 4 บ�ทซั��งส�ม�รถึแสดงค$�ได�ท�1งหมด 16 ค$�
• จ��นำวนำบ�ทท��แท�จร�งท��ใช้�ส��หร�บแสดงค$� N ค$�เร�จะเร�ย์กว$� ปร�ม�ณข$�วส�ร (information) ส�ม�รถึค��นำวณได�จ�ก
2logD N 2log 10 3.32D
บทท�� 1.3 นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอล• ตั�วอย์$�งด��นำบนำแสดงข�อด�ของก�รใช้�นำ�มธิรรมด�จ�ตัอล
นำ��นำค อตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องส�ม�รถึนำ��ไปใช้�แสดงค$�ท�ง ฟิ8ส�กส ตั$�งๆเช้$นำคว�มร�อนำหร อส� หร อข$�วส�รตั$�งๆเช้$นำ
ตั�วเลข 0-9• และเนำ �องจ�กตั�วแปรค$�ไม$ตั$อเนำ �องส�ม�รถึแสดงในำร�ป
ของเลขฐ�นำ 2 หร อโลจ�ก 0 และ 1 จ��นำวนำหล�ย์ๆบ�ทเร�ย์งตั$อก�นำ
• จ�กเหตั&ผลท�1ง 2 ข�อ เร�จ�งส�ม�รถึออกแบบระบบคอมพ�วเตัอร เพ �อใช้�ค��นำวณตั�วเลข, เก6บข�อม�ลอ&ณหภ�ม�
ของผ��ป@วย์ในำโรงพย์�บ�ล หร อส�ของรถึท��ผล�ตัจ�กโรงง�นำ
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข ระบบเลขฐ�นำ 10
• เลขฐ�นำ 10 แตั$ละหล�กม�ค$�ได�ตั�1งแตั$ 0 ถึ�ง 9• เลขฐ�นำ 10 N หล�ก ส�ม�รถึแสดงค$�ได�ตั�1งแตั$
0 ถึ�ง 10N-1
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข ระบบเลขฐ�นำ 2
• เลขฐ�นำ 2 เป3นำระบบท��แตั$ละหล�กม�ค$� 0 หร อ 1• เลขฐ�นำ 2 N หล�กส�ม�รถึแสดงค$�ได�ตั�1งแตั$ 0 ถึ�ง 2N-1
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข ระบบเลขฐ�นำ 2
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข ระบบเลขฐ�นำ 16
• เลขฐ�นำ 16 แตั$ละหล�กใช้� แสดงเลขฐ�นำ 2 จ��นำวนำ
4 bit ด�งนำ�1นำเลขฐ�นำ 16 แตั$ละหล�กจะส�ม�รถึ
แสดงค$�ได�ตั�1งแตั$ 0 ถึ�ง1516 2
2
10
2ED 0010 1110 1101
2 16 14 16 13
749
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลขBytes, Nibbles, และอ �นำๆ• ตั�วเลขในำระบบด�จ�ตัอลม�กประกอบด�วย์เลขฐ�นำ 2 จ��นำวนำ
หล�ย์บ�ท เช้$นำ ตั�วเลขขนำ�ด 8 bit, 16 bit หร อ 32 bit• ช้ �อท��ใช้�เร�ย์กเลขฐ�นำ 2 ขนำ�ดตั$�งๆม�ด�งนำ�1
• 4 bit – Nibble• 8 bit – Byte• word หม�ย์ถึ�งขนำ�ดของเลขฐ�นำ 2 ท��
Microprocessor ถึ�กออกแบบม�ให�ประมวลผลในำแตั$ละ ค��ส��ง ตั�วอย์$�งเช้$นำ MCS51 ถึ�กออกแบบม�ให�แตั$ละค��ส��ง
ส�ม�รถึประมวลผลเลขฐ�นำ 2 ขนำ�ด 8 bit ส$วนำPentium ถึ�กอออกแบบม�ให�ประมวลผลเลขฐ�นำ 2
ขนำ�ด 32 bit
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลขBytes, Nibbles, และอ �นำๆ• ในำระบบตั�วเลขท&กระบบ หล�กท��อย์�$ด��นำขว�ม อส&ดจะเป3นำ
หล�กท��ม�คว�มส��ค�ญ่นำ�อย์ท��ส&ด (Least Significant) เนำ �องจ�กถึ��ก�รบ�นำท�กหร อประมวลผลค$�ในำหล�กนำ�1เก�ด
ก�รผ�ดพล�ด จะส$งผลให�ค$�ท�1งหมดเก�ดก�รผ�ดพล�ดไม$ ม�ก เช้$นำ
ค$� 103910 บ�นำท�กเป3นำ 103710 ค$�คว�มผ�ดพล�ดค อ210
• ส$วนำหล�กท��อย์�$ด��นำซั��ย์ม อส&ดจะเป3นำหล�กท��ม�คว�มส��ค�ญ่ม�กท��ส&ดเนำ �องจ�กถึ��ม�ก�รผ�ดพล�ดท��หล�กนำ�1จะท��ให�เก�ดคว�มผ�ดพล�ดม�กท��ส&ดเช้$นำ
ค$� 103910 บ�นำท�กเป3นำ 303910 ค$�คว�มผ�ดพล�ดค อ200010
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข ก�รบวกเลขฐ�นำ 2
• ก�รบวกเลขฐ�นำ 2 คล��ย์ก�บก�รบวกเลขฐ�นำ 10 แตั$ง$�ย์ กว$�เนำ �องจ�กแตั$ละหล�กม�ค$�ได�เพ�ย์ง 0 หร อ 1 เท$�นำ�1นำ
• เนำ �องจ�กระบบด�จ�ตัอลท&กระบบถึ�กออกแบบม�ให�ส�ม�รถึ ประมวลผลเลขฐ�นำ 2 ท��ขนำ�ดตั�ย์ตั�ว ย์กตั�วอย์$�งเช้$นำ
MCS51 ถึ�กออกแบบม�ให�ประมวผลเลขฐ�นำ 2 ขนำ�ด 8 bit แตั$ในำบ�งคร�1งก�รบวกเลขฐ�นำ 2 อ�จจะท��ให�ได�ค$�ผลล�พธิ ท��ม�จ��นำวนำบ�ทม�กกว$�ท��ระบบด�จ�ตัอลส�ม�รถึร�บ
ได� เร�จะเร�ย์กว$�ก�รเก�ด Over Flow เร�ส�ม�รถึตัรวจ สอบก�รเก�ด Over Flow ได�โดย์ก�รตัรวจสอบตั�วทดท��
ออกม�จ�ก MSB2 2 21011 0111 1 0010
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข เลขฐ�นำ 2 แบบค�ดเคร �องหม�ย์
• เลขฐ�นำ 2 แบบค�ดเคร �องหม�ย์ หม�ย์ถึ�งเลขฐ�นำ 2 ท�� ส�ม�รถึใช้�แสดงเลขจ��นำวนำเตั6มบวก และเลขจ��นำวนำเตั6ม
ลบ• เลขฐ�นำ 2 แบบค�ดเคร �องหม�ย์ท��นำ�ย์มใช้�ก�นำม�อย์�$ 2 แบบ
ค อ• Sign/Magnitude Number เป3นำระบบท��ใช้� MSB เป3นำ
เคร �องหม�ย์ และใช้� N-1 bit ท��เหล อเป3นำค$�ปกตั� ตั�วอย์$�งเช้$นำ และ
• ข�อเส�ย์ของระบบนำ�1ค อม� 0 อย์�$ 2 ค$�ค อ 00002=+010 และ 10002=-010 และไม$ส�ม�รถึนำ��ม�ใช้�ในำก�รบวกลบ
เลขฐ�นำ 2 แบบปกตั�ได�เช้$นำ
2 100101 5 2 101101 5
2 2 2 100101 1101 1 0010 0
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข เลขฐ�นำ 2 แบบค�ดเคร �องหม�ย์
• 2’s Complement Number เป3นำม�ก�รค�ดค$�คล��ย์ ก�บระบบเลขฐ�นำ 2 แบบไม$ค�ดเคร �องหม�ย์ เพ�ย์งแตั$ค$�
ของ MSB จะตั�องค�ณด�วย์ -2N-1
• ตั�วอย์$�งเช้$นำ
• ก�รแปลง 2’s complement ม� 2 ข�1นำตัอนำค อ ก�รกล�บ บ�ท และก�รบวก 1
• ก�รบวกเลข 2’s complement ส�ม�รถึบวกได�แบบปกตั�ค อ
21011 1 8 0 4 1 2 1
8 3
5
2 2 2
2
0101 1010 1
1011
2 2 20101 1011 1 0000
บทท�� 1.4 ระบบตั�วเลข เลขฐ�นำ 2 แบบค�ดเคร �องหม�ย์
• ในำกรณ�ของก�รบวกเลข 2’s complement ตั�วทดจ�ก MSB ไม$ได�เก��ย์วข�องก�บก�รเก�ด Over Flow
• ระบบเลข 2’s Complement ขนำ�ด N bit ส�ม�รถึแสดงค$�ได�ระหว$�ง-2N-1 ถึ�ง 2N-1-1
• ระบบเลข 2’s complement ส�ม�รถึเก�ด Over Flow ได�เช้$นำก�นำเช้$นำ
• เร�ส�ม�รถึตัรวจสอบก�รเก�ด Over Flow ของ 2’s Complement ได�โดย์ก�ร XOR ก�บตั�วทดของบ�ทMSB ก�บบ�ท MSB-11 XOR 0 = 1 เก�ด Over Flow
1 0 0
0 1 1 0 6
0 1 0 1 5
1 0 1 1 5
บทท�� 1.5 โลจ�กเกตั
• ค&ณสมบ�ตั�ท�งอนำ�ลอกของBuffer ค อท��หนำ��ท��เป3นำตั�วข�บ
กระแสให�ก�บภ�ค Output ไปย์�ง มอเตัอร หร อ ร�เลย์ เป3นำตั�นำ หร อ
ท��หนำ��ท��เป3นำตั�วจ$�ย์โลจ�กให�ก�บInput ของโลจ�กเกตัหล�ย์ๆตั�วจ&ดประสงค เพ �อให�ค$�โลจ�กส�ม�รถึเปล��ย์นำได�รวดเร6วข�1นำ
บทท�� 1.5 โลจ�กเกตั
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลSupply Voltage• ท�ศูท�งก�รพ�ฒนำ�ระบบด�จ�ตัอลจะพย์�ย์�มลดแรงด�นำไฟิ
เล�1ย์ง VDD ให�นำ�อย์ลงเร �อย์ๆ เพ �อลดอ�ตัร�ก�รใช้�พล�งง�นำ ตั�วอย์$�งเช้$นำถึ��ลดแรงด�นำไฟิเล�1ย์งจ�ก 5V ลงเหล อ
3.3V จะท��ให�อ�ตัร�ก�รใช้�พล�งง�นำลดลง 60% (อ�ตัร� ก�รใช้�พล�งง�นำแปรผ�นำตัรงก�บก��ล�ง 2 ของไฟิเล�1ย์ง)
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลLogic Level• ระด�บแรงด�นำของโลจ�ก 0 และ 1 จะข�1นำก�บแรงด�นำไฟิเล�1ย์ง
โดย์ม�ร�ย์ละเอ�ย์ดด�งตั$อไปนำ�1• VOL หม�ย์ถึ�งระด�บแรงด�นำไฟิส�งส&ดท�งด��นำ Output
ส��หร�บโลจ�ก 0• VOH หม�ย์ถึงระด�บแรงด�นำไฟิตั���ส&ดท�งด��นำ Output
ส��หร�บโลจ�ก 1• VIL หม�ย์ถึ�งระด�บแรงด�นำไฟิส�งส&ดท�งด��นำ Input ส��หร�บ
โลจ�ก 0• VIH หม�ย์ถึ�งระด�บแรงด�นำไฟิตั���ส&ดท�งด��นำ Input ส��หร�บ
โลจ�ก 1
• Forbidden Zone หม�ย์ถึ�งช้$วงของแรงด�นำท��บอกไม$ได�ว$�
เป3นำโลจ�ก 0 หร อ 1 เป3นำช้$วงตั�องห��มของระบบด�จ�ตัอล
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลNoise Margin• วงจรด�จ�ตัอลจะม�คว�มทนำท�นำตั$อส�ญ่ญ่�ณรบกวนำได�ส�ง
กว$�วงจรอนำ�ลอก ตั�วอย์$�งเช้$นำ ถึ��ส�ญ่ญ่�ณโลจ�ก 0 ท��ปAอนำให�ก�บโลจ�กเกตัถึ�กรบกวนำท��ให�ระด�บแรงด�นำเก�ดก�ร
เปล��ย์นำแปลง แตั$ถึ��ก�รเปล��ย์นำแปลงของแรงด�นำม�ค$�ไม$ เก�นำค$� VIL ส�ญ่ญ่�ณโลจ�กย์�งคงถึ�กมองว$�เป3นำโลจ�ก 0
• ด�งนำ�1นำส�ญ่ญ่�ณรบกวนำท��ส�ม�รถึรบกวนำวงจรด�จ�ตัอลได�จะตั�องม�ขนำ�ดใหญ่$ม�ก
• ขนำ�ดส�ญ่ญ่�ณรบกวนำท��ส�ม�รถึรบกวนำวงจรด�จ�ตัอลได� ในำกรณ�ท��แย์$ท��ส&ด เร�เร�ย์กว$� Noise Margin
• NML=VIL-VOL
• NMH=VOH-VIH
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลDC Transfer Characteristics• DC Transfer Characteristics หม�ย์
ถึ�งคว�มส�มพ�นำธิ ระหว$�งแรงด�นำท�งด��นำInput (V(A)) และ Output (V(Y))
• ตั�วอย์$�งเช้$นำแรงด�นำ Output ของ NOT gate ในำอ&ดมคตั�จะม�ก�รเปล��ย์นำแปลงค$�
เม �อแรงด�นำ Input ม�ค$�เท$�ก�บ VDD/2• โดย์ท�� V(Y) = 0 ถึ�� V(A) ม�ค$�ม�กกว$�
VDD/2
• และ V(Y) = VDD ถึ�� V(A) ม�ค$�นำ�อย์กว$�VDD/2
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลDC Transfer Characteristics• แตั$ในำท�งปฏิ�บ�ตั�แรงด�นำด��นำ Output ม�ก�ร
เปล��ย์นำแปลงแบบไม$ท�นำท�ท�นำใด• ถึ�� V(A)=0 จะท��ให� V(Y) = VDD
• และเม �อ V(A) ม�ค$�เพ��มข�1นำจะท��ให� V(Y) ม�ค$�ค$อย์ๆลดลง
• V(Y) จะลดลงเหล อ 0 เม �อ V(A) เท$�ก�บVDD
• นำอกจ�กนำ�1จ&ดศู�นำย์ กล�งของก�ร เปล��ย์นำแปลงอ�จจะไม$ได�อย์�$ท�� V(A) =
VDD/2 ด�งนำ�1นำจ�งเป3นำเร �องย์�กท��จะก��หนำดแรงด�นำของโลจ�ก
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลDC Transfer Characteristics• จ&ดท��ด�ท��ส&ดในำก�รก��หนำดค$�โลจ�กค อจ&ดท��
คว�มช้�นำของ DC Transfer Characteristics dV(Y)/dV(A) ม�ค$�
เท$�ก�บ -1• เร�เร�ย์ก 2 จ&ดนำ�1ว$�จ&ด Unity Gain ก�ร
เล อก 2 จ&ดนำ�1จะท��ให�ได�ค$� Noise Margin ส�งส&ด
• โดย์ท��จ&ดแรกเป3นำจ&ดท��ใช้�ก��หนำดค$� VIL และVOH
• ส$วนำจ&ดท�� 2 ค อจ&ดท��ใช้�ก��หนำดค$� VIH และVOL
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลStatic Discipline• Static Discipline หม�ย์ถึ�งกฎีเกณฑ์ ท��ปAองก�นำไม$ให�
ส�ญ่ญ่�ณ Input ตักอย์�$ในำ Forbidden Zone• หร อหม�ย์คว�มว$�ถึ��เร�ปAอนำส�ญ่ญ่�ณ Input ท��ถึ�กตั�อง
แล�ว ( ส�ญ่ญ่�ณ Input ไม$อย์�$ในำ Forbidden Zone) อ&ปกรณ ท&กตั�วในำวงจรจะตั�องให�ส�ญ่ญ่�ณ Output ท��ถึ�ก
ตั�องด�วย์เช้$นำก�นำ ( ส�ญ่ญ่�ณ Output ตั�องไม$อย์�$ในำForbidden Zone)
• ข�อด�ของกฎีเกณฑ์ นำ�1ค อท��ให�ก�รออกแบบระบบด�จ�ตัอลท��ได�ง$�ย์และม�คว�มทนำท�นำส�ง
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลStatic Discipline• เพ �อปAองก�นำคว�มผ�ดพล�ด โลจ�กเกตัจะถึ�กแบ$งออกเป3นำ
Logic Family ตั$�งๆ โดย์ท��โลจ�กเกตัท��อย์�$ในำ Logic Family เด�ย์วก�นำจะถึ�กออกแบบม�ให�เป3นำไปตั�มกฎี
เกณฑ์ ของ Static Discipline• ในำก�รออกแบบระบบด�จ�ตัอลเร�ควรจะเล อกใช้�โลจ�กเกตัท��
อย์�$ในำ Logic Family เด�ย์วก�นำ
บทท�� 1.6 ภ�ย์ใตั�นำ�มธิรรมเช้�งด�จ�ตัอลStatic Discipline• ในำกรณ�ท��จ��เป3นำจะตั�องเล อกใช้�โลจ�กเกตัท��อย์�$ตั$�ง Logic
Family ก�นำจ��เป3นำจะตั�องท��ก�รตัรวจสอบว$� โลจ�กเกตัท�� อย์�$ตั$�ง Family ก�นำนำ�1นำม�คว�มเข��ก�นำได�
(Compatibility) หร อไม$
บทท�� 1.7 CMOS Transistor• ระบบคอมพ�วเตัอร สม�ย์ใหม$ม� Transistor เป3นำอ&ปกรณ
พ 1นำฐ�นำ• Transistor ท��หนำ��ท��เป3นำสว�ทช้ อ�เล6กทรอนำ�กส ในำก�ร
เป8ดหร อป8ด แรงด�นำหร อกระแส ของวงจรภ�ย์ในำ• Transistor ท��นำ�ย์มใช้�ในำป?จจ&บ�นำม�อย์�$ 2 ช้นำ�ดค อ
Bipolar Transistor และ Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
บทท�� 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors
• MOSFET เปร�ย์บเสม อนำก�บสว�ทซั ท��ถึ�กควบค&มโดย์แรง ด�นำของข� Gate
• แรงด�นำของข� Gate จะสร��งสนำ�มไฟิฟิA�เพ �อไป เป8ด/ ป8ด ก�รเช้ �อมตั$อระหว$�งข� Source และ Drain
บทท�� 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors
พ�จ�รณ�ก�รท��ง�นำของ n-MOS• โดย์ปกตั�ช้�1นำ Substrate ของ n-
MOS จะตั$ออย์�$ก�บกร�วด • จ�กนำ�1นำจ�งตั$อข� Gate ก�บกร�วด
เช้$นำก�นำ• เนำ �องจ�กแรงด�นำของข� Source
และ Drain ม�ค$�เป3นำบวก ด�งนำ�1นำจ�ง ท��ให� Diode ท��อย์�$ระหว$�ง Source
ก�บ Substrate หร อ Drain ก�บSubstrate เป3นำ Reverse Bias
ด�งนำ�1นำจ�งไม$ม�กระแสไหลผ$�นำSource และ Drain จ�งเปร�ย์บเสม อนำก�บเป3นำก�รป8ดสว�ทซั
บทท�� 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors
จ�กนำ�1นำจ�งพ�จ�รณ�ในำกรณ�ท��ข� Gate ตั$อก�บ VDD
• เม �อแรงด�นำข� Gate เป3นำบวกเท�ย์บ ก�บช้�1นำ Substrate จะท��ให�เก�ดสนำ�ม
ไฟิฟิA�ข�1นำ โดย์ท��ประจ&บวกจะอย์�$ท��ช้� 1นำ ของ Gate และประจ&ลบจะอย์�$ท��ช้� 1นำ ของ Substrate
• ถึ��แรงด�นำท��ปAอนำให�ก�บ Gate ม�ค$�ม�กพอจะท��ให�เก�ดประจ&ลบจ��นำวนำ
ม�กอย์�$ใตั�ช้� 1นำของ Gate ท��ให�บร�เวณ ของ Substrate ท��อย์�$ใตั� Gate เก�ด เป3นำ n-type เร�จะเร�ย์กบร�เวณด�ง
กล$�วว$� Channel
บทท�� 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors
• Channel ท��เก�ดข�1นำจะท��ให�เก�ดก�ร เช้ �อม n-type จ�ก Source ไปย์�ง
Drain ท��ให�เก�ดกระแสไหลผ$�นำได�• แรงด�นำของ Gate ท��ท��ให�
Transistor ON เร�จะเร�ย์กว$�Threshold Voltage
• โดย์ท��วไปจะม�ค$�ระหว$�ง 0.3 ถึ�ง 0.7 V
บทท�� 1.7 CMOS Transistor n-MOS และ p-MOS Transistors• p-MOS ม�ก�รท��ง�นำท��ตัรงข��มก�บ n-MOS โดย์ท��ช้� 1นำ
Substrate จะตั�องตั$อก�บ VDD และ Transistor จะเป8ด เม �อแรงด�นำข� Gate เป3นำ 0 และป8ดเม �อแรงด�นำข� Gate
เป3นำ VDD
บทท�� 1.7 CMOS TransistorCMOS Logic Gate
บทท�� 1.7 CMOS TransistorCMOS Logic Gate
บทท�� 1.7 CMOS TransistorPseudo-nMOS Logic• NOR Gate ช้นำ�ด N Input ใช้� n-
MOS ตั$อขนำ�นำก�นำ N ตั�วและ p-MOS ตั$ออนำ&กรมก�นำ N ตั�ว
• ก�รตั$อ Transistor อนำ&กรมก�นำจะท��ง�นำช้��กว$�ตั$อขนำ�นำก�นำ
• นำอกจ�กนำ�1 p-MOS ย์�งท��ง�นำได�ช้�� กว$� n-MOS
• ด�งนำ�1นำ n-MOS ตั$อขนำ�นำก�นำจ�งท��ง�นำ ได�เร6ว และก�รตั$อ p-MOS อนำ&กรมก�นำ
จ�งท��ง�นำได�ช้�� โดย์เฉพ�ะอย์$�งย์��งถึ��ม�ก�รตั$ออนำ&กรมก�นำจ��นำวนำม�ก
บทท�� 1.7 CMOS TransistorPseudo-nMOS Logic• เร�ส�ม�รถึแก�ป?ญ่ห�คว�มช้��ของก�รตั$อ
อนำ&กรม p-MOS โดย์ใช้� Weak p-MOS• Gate ของ Weak p-MOS ตั$อก�บกร�วด
ท��ให� Weak p-MOS เป8ดตัลอดเวล� เร� จะเร�ย์กก�รตั$อแบบ Weak Pull-UP
• โครงสร��งของ Weak p-MOS ถึ�ก ออกแบบม�ให� Pull Output Y ให�เป3นำ
High แบบ Weak นำ��นำค อ• Y = High ถึ�� n-MOS ท&กตั�ว OFF• Y ม�ค$�เก อบเป3นำ Low ถึ�� n-MOS ตั�วใด
ตั�วหนำ��ง ON
บทท�� 1.7 CMOS Transistor Pseudo-nMOS Logic• ข�อด�ของก�รใช้� Pseudo n-MOS ค อท��ให�โลจ�กเกตัท��ม�
หล�ย์ Input ท��ง�นำได�รวดเร6ว• ข�อเส�ย์ของก�รใช้� Pseudo n-MOS ค อ ถึ�งแม�ว$�
Output จะม�โลจ�กเก อบเป3นำ 0 ถึ��ม� n-MOS ตั�วใดตั�ว หนำ��ง ON แตั$เนำ �องจ�ก Weak p-MOS ON ตัลอดเวล�
ท��ให�เม �อตั�องก�รให� Output เป3นำโลจ�ก 0 จะม�กระแส ไหลจ�กไฟิเล�1ย์งลงกร�วด ตัลอดเวล� ซั��งท��ให�ส�1นำเปล อง
พล�งง�นำ• Pseudo n-MOS ควรใช้�ในำกรณ�ท��จ��เป3นำตั�องก�รให�
ท��ง�นำอย์$�งรวดเร6วเท$�นำ�1นำ
บทท�� 1.8 ก�รใช้�พล�งง�นำ• ก�รใช้�พล�งง�นำในำระบบด�จ�ตัอลม�อย์�$ 2 แบบค อ
• Dynamic Power เป3นำก�รใช้�พล�งง�นำเพ �อช้�ร จตั�วเก6บ ประจ&ภ�ย์ในำวงจรเม �อส�ญ่ญ่�ณม�ก�รเปล��ย์นำโลจ�ก เร�
ส�ม�รถึค��นำวณห�ค$� Dynamic Power ได�จ�ก
• Static Power เป3นำก�รใช้�พล�งง�นำของระบบด�จ�ตัอล ในำ ช้$วงเวล�ท��ส�ญ่ญ่�ณม�โลจ�กคงท�� เช้$นำกระแสร��วไหลในำวงจร
ท��ใช้� Pseudo n-MOS เป3นำตั�นำ
21
2Dynamic DDP CV f