Bài 3: Các cổng logic : AND, OR, NAND, XOR, NOT

Qua hai bài viết trước, các bạn đã hơi hiểu về FPGA rồi nhỉ! Và bây giờ bạn đang muốn nhanh chóng trở thành nhà thiết kế kỹ thuật số. Công việc của bạn là “vẽ mạch điện bằng code” để nối các phần tử cơ bản trong FPGA (các cổng Logic) thành một “phần cứng” thực hiện chức năng lý thú nào đó.

Để hiểu được các phần tử cơ bản trong FPGA, chúng ta dần dần tìm hiểu qua bài học hôm nay.

Phần từ cơ bản đầu tiên cần biết là các cổng Logic:

Đại số Boolean là nền tảng cho hoạt động của một FPGA. Đại số Boolean mô tả các phép tính trong đó đầu vào và đầu ra lấy giá trị đúng hoặc sai (1 hoặc 0). Vì vậy, bạn không nên lo lắng nếu bạn không giỏi tính toán, đại số Boolean là môn toán cơ bản nhất rồi! Nó được giới thiệu vào năm 1854 bởi nhà toán học George Boole. Với các quy tắc được thiết lập bởi đại số Boolean, có thể tạo ra một nền tảng để thực hiện tất cả các phép toán logic cơ bản.

Các phép tính mà bài viết này sẽ thảo luận là: AND, OR, NOT, XOR  và NAND. Khi phối hợp các cổng, có thể tạo ra nhiều phép logic phức tạp hơn như cộng, trừ, chia, vv… Tuy nhiên trước tiên chúng ta phải hiểu những điều cơ bản này.

Khái niệm đầu tiên cần được hiểu là được gọi là Bảng Chân lý (Truth-Table) . Một bảng chân lý là một bảng mô tả chức năng cổng dựa trên các đầu vào và đầu ra. Điều này được thể hiện rõ nhất bằng cách nhìn vào bảng chân lý cho cổng AND.

Cổng AND

Một cổng AND có 2 đầu vào và 1 đầu ra. Mỗi giá trị này có thể có giá trị 0 hoặc 1 và giá trị đầu ra phụ thuộc vào 2 giá trị đầu vào. Đầu ra chỉ là 1 khi cả hai giá trị đầu vào là 1 (Giống như mạch điện gồm 2 công tắc nối tiếp với một bóng đèn, chỉ khi cả hai công tắc đóng thì bóng đền mới sáng). Dưới đây là  mô hình và bảng chân lý cho một cổng AND.

Cổng OR

Cổng NOT

Cổng XOR

Cổng NAND