Giáo trình Thiết kế Logic Số: Kiến thức nền tảng và ứng dụng VHDL - Học viện KTQS

• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử viễn thông
• Đề tài: Thiết kế logic số
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình thiết kế logic số

Giáo trình thiết kế logic số là tài liệu đào tạo chính quy tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, được biên soạn dành cho sinh viên hệ quân sự và dân sự. Nội dung tập trung vào hai vấn đề kiến thức cốt lõi. Thứ nhất là bài toán thiết kế chức năng cho các khối số có mật độ tích hợp lớn cỡ LSI, VLSI. Thứ hai là giới thiệu các công nghệ hiện thực hóa thiết kế thành sản phẩm ứng dụng. Nền tảng công nghệ FPGA đóng vai trò trung tâm trong giáo trình. Đây là công nghệ mới, phát triển mạnh mẽ và mang lại hiệu năng vượt trội. Giáo trình sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL làm công cụ chính. Sinh viên được trang bị kiến thức nền tảng về phân tích và tổng hợp mạch logic số. Chương trình nhắm đến đối tượng sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử viễn thông và Điều khiển tự động. Trước khi học, sinh viên cần hoàn thành các môn Cấu kiện điện tử, Điện tử số và Kỹ thuật Vi xử lý.

1.1. Mục tiêu đào tạo của giáo trình

Giáo trình hướng tới trang bị kiến thức cơ sở ngành cho sinh viên kỹ thuật. Sinh viên học cách thiết kế mạch logic cho các ứng dụng cụ thể với quy mô lớn. Giáo trình nhấn mạnh tính thực hành cao. Sinh viên phải thực hiện đồ án bài tập thiết kế cỡ vừa và lớn theo nhóm. Kiến thức và kỹ năng thu được hỗ trợ đắc lực cho các bài toán chuyên ngành và đồ án tốt nghiệp. Các ứng dụng xử lý số đang dần chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống kỹ thuật hiện đại.

1.2. Vị trí trong chương trình đào tạo

Thiết kế logic số là môn học kế tiếp của chương trình Điện tử số. Môn học này khác biệt so với Điện tử số ở quy mô và độ phức tạp. Trong khi Điện tử số tập trung vào mạch cỡ SSI và MSI, thiết kế logic số hướng đến mạch cỡ LSI, VLSI. Các bài toán ở đây buộc phải sử dụng công cụ trợ giúp thiết kế trên máy tính. Môn học tạo nền tảng vững chắc cho việc học các môn chuyên ngành sâu hơn. Thiết kế phần cứng trên FPGA đang là hướng phát triển hiệu quả thay thế vi xử lý truyền thống.

II. Phân tích nội dung và vấn đề trong thiết kế logic số

Giáo trình thiết kế logic số đề cập đến nhiều vấn đề quan trọng trong quá trình thiết kế mạch số. Một thách thức lớn là cân đối giữa các tiêu chí thiết kế cho từng ứng dụng cụ thể. Ví dụ, vi xử lý cho máy tính để bàn cần hiệu suất tối đa vì nguồn cấp cố định. Trong khi vi xử lý cho laptop cần tối ưu mức tiêu thụ năng lượng để kéo dài thời gian sử dụng. Chip điều khiển thiết bị di động phải thu gọn thiết kế, giảm tập lệnh không cần thiết. Giáo trình cũng phân tích các cấp độ mô tả thiết kế khác nhau. Mô tả hành vi thể hiện cách tính toán kết quả đầu ra dựa vào giá trị đầu vào. Mô tả luồng dữ liệu sử dụng toán tử logic để biểu diễn quan hệ giữa tín hiệu. Mô tả cấu trúc thể hiện rõ cách thức liên kết giữa các phần tử phần cứng. Mỗi cấp độ có ưu nhược riêng và phù hợp với từng giai đoạn thiết kế khác nhau.

2.1. Các cấp độ mô tả trong VHDL

VHDL hỗ trợ ba cấp độ mô tả chính là hành vi, luồng dữ liệu và cấu trúc. Mô tả hành vi sử dụng khối quá trình với danh sách tín hiệu nhạy cảm. Khi có thay đổi giá trị tín hiệu, quá trình tính toán kết quả tương ứng sẽ được thực hiện. Phát biểu tuần tự như if, case, loop thường được sử dụng trong mô tả này. Mô tả luồng dữ liệu ngắn gọn, phù hợp với mạch tổ hợp. Mô tả cấu trúc thể hiện rõ liên kết phần cứng giữa các thành phần.

2.2. Bài toán tối ưu thiết kế cho từng ứng dụng

Mỗi ứng dụng số có yêu cầu thiết kế riêng biệt, đòi hỏi cân nhắc kỹ lưỡng. Thiết kế cho hệ thống cố định ưu tiên hiệu suất làm việc tối đa. Thiết kế cho thiết bị di động tập trung vào tiết kiệm năng lượng. Người lập kế hoạch thiết kế IC cần cân đối giữa hiệu suất, năng lượng và chi phí. Giáo trình cung cấp nền tảng để sinh viên hiểu rõ các đánh đổi trong thiết kế. Từ đó đưa ra phương án tối ưu cho từng bài toán cụ thể.

III. Phương pháp và công nghệ thiết kế logic số hiện đại

Giáo trình giới thiệu hai phương pháp thiết kế mạch logic số chính. Phương pháp thủ công sử dụng các IC đa dụng họ 74XX hoặc 40XX. Người thiết kế ghép nối linh kiện bán dẫn rời rạc trên bản mạch in. Cấu trúc chuẩn hóa cho phép dễ dàng tạo mạch chức năng khác nhau. Phương pháp này phù hợp với mạch số cỡ nhỏ và cỡ vừa. Phương pháp tự động hóa sử dụng chương trình hỗ trợ thiết kế trên máy tính. Công nghệ FPGA là nền tảng trung tâm của thiết kế tự động hóa. FPGA cho phép lập trình lại cấu trúc phần cứng sau khi sản xuất. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL là công cụ không thể thiếu trong quy trình này. Thiết kế tự động hóa giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm. Công nghệ này đã và đang phát triển rất mạnh trong ngành điện tử hiện đại. Giáo trình tập trung hướng dẫn sinh viên sử dụng thành thạo các công cụ thiết kế tự động.

3.1. Thiết kế thủ công với IC đa dụng

Thiết kế thủ công là phương pháp truyền thống trong thiết kế mạch số. Các IC đa dụng họ 74XX và 40XX cung cấp khối chức năng chuẩn hóa. Người sử dụng ghép nối các khối này trên bản mạch in để tạo mạch phức tạp hơn. Phương pháp này vẫn được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Điểm hạn chế là chỉ phù hợp với mạch có quy mô nhỏ và trung bình. Với mạch cỡ lớn, phương pháp thủ công trở nên bất khả thi về mặt kỹ thuật.

3.2. Công nghệ FPGA và thiết kế tự động hóa

FPGA là viết tắt của Field Programmable Gate Array, cho phép lập trình lại cấu trúc logic. Công nghệ này mang lại hiệu năng vượt trội so với vi xử lý truyền thống. Thiết kế tự động hóa sử dụng phần mềm EDA để tổng hợp và mô phỏng mạch. VHDL đóng vai trò ngôn ngữ mô tả phần cứng chính trong quy trình. FPGA kết hợp ưu điểm của thiết kế ASIC và tính linh hoạt của phần mềm. Nền tảng công nghệ này đang trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành điện tử.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của thiết kế logic số

Giáo trình thiết kế logic số cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc cho sinh viên kỹ thuật. Kiến thức này có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại. Xử lý tín hiệu số sử dụng các khối DSP được thiết kế bằng kỹ thuật logic số. Hệ thống nhúng áp dụng FPGA kết hợp vi xử lý để đạt hiệu năng tối ưu. Lĩnh vực viễn thông sử dụng thiết kế logic cho bộ mã hóa, giải mã và điều chế. Thiết kế phần cứng trên FPGA đang thay thế dần các giải pháp dựa trên vi xử lý. Giáo trình đã được hoàn thiện qua hơn hai khóa đào tạo tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Đội ngũ tác giả liên tục cập nhật và cải tiến nội dung theo phản hồi thực tế. Giáo trình đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị hành trang cho sinh viên trước khi bước vào lĩnh vực chuyên môn sâu. Nền tảng kiến thức này hỗ trợ đắc lực cho đồ án tốt nghiệp và công việc thực tế sau này.

4.1. Các lĩnh vực ứng dụng chính

Thiết kế logic số được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Xử lý tín hiệu số là lĩnh vực sử dụng nhiều kỹ thuật logic nhất. Hệ thống nhúng áp dụng FPGA để tăng tốc xử lý và giảm tiêu thụ điện. Viễn thông sử dụng thiết kế logic cho các module xử lý tín hiệu tốc độ cao. Thiết bị y tế, hàng không và quốc phòng cũng là những lĩnh vực ứng dụng quan trọng. Xu hướng thiết kế phần cứng tùy chỉnh đang ngày càng phổ biến.

4.2. Hướng phát triển và triển vọng nghề nghiệp

Thiết kế logic số là kỹ năng cốt lõi trong ngành điện tử và viễn thông. Nhu cầu kỹ sư thiết kế FPGA và ASIC đang tăng trưởng mạnh mẽ. Công nghệ FPGA liên tục phát triển với mật độ logic và tốc độ ngày càng cao. Kỹ năng VHDL và thiết kế phần cứng mở ra cơ hội nghề nghiệp rộng lớn. Các vị trí như kỹ sư thiết kế FPGA, kỹ sư nhúng và kỹ sư xác minh rất được săn đón. Sinh viên có nền tảng thiết kế logic số sẽ có lợi thế cạnh tranh lớn trên thị trường lao động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ, VI XỬ LÝ – KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ LOGIC SỐ (Dùng cho đối tƣợng đào tạo chính quy hệ quân sự và dân sự) LƢU HÀNH NỘI BỘ HÀ NỘI -2011 1 2 LỜI GIỚI THIỆU Thiết kế logic số là môn học kế tiếp của chƣơng trình Điện tử số. Nội dung chính của chƣơng trình môn học tập trung vào hai vấn đề kiến thức chính. Thứ nhất là bài toán thiết kế về mặt chức năng cho các khối số có mật độ tích hợp lớn cỡ LSI, VLSI và lớn hơn. Vấn đề thứ hai là giới thiệu căn bản về các công nghệ giúp hiện thực hóa thiết kế chức năng thành sản phẩm ứng dụng, trong đó tập trung chính vào công nghệ FPGA, một nền tảng công nghệ mới đã và đang phát triển rất mạnh hiện nay. Khác với bài toán tổng hợp và phân tích trong Điện tử số chủ yếu là bài toán cho các mạch cỡ SSI, MSI, các bài toán ở đây có hƣớng tới các ứng dụng cụ thể thực tiễn với quy mô lớn hơn và buộc phải sử dụng các công cụ trợ giúp thiết kế trên máy tính và ngôn ngữ thiết kế VHDL Chƣơng trình Thiết kế logic số nhắm vào trang bị kiến thức cơ sở ngành cho tất cả các đối tƣợng sinh viên thuộc chuyên ngành kỹ thuật Điện tử viễn thông, Điều khiển tự động. Trƣớc khi học môn này các sinh viên này phải học qua các môn cơ sở ngành gồm Cấu kiện điện tử, Điện tử số, Kỹ thuật Vi xử lý trong đó hai môn đầu là bắt buộc. Thiết kế logic số là một môn học mang tính thực hành cao nên trong cấu trúc chƣơng trình sẽ dành nhiều thời gian hơn cho thực hành thí nghiệm cũng nhƣ bắt buộc sinh viên khi kết thúc môn học phải thực hiện các đồ án bài tập thiết kế cỡ vừa và lớn theo nhóm dƣới dạng Bài tập lớn hoặc Đồ án môn học. Kiến thức và kỹ năng của sinh viên sẽ giúp ích rất lớn cho các bài toán chuyên ngành và Đồ án tốt nghiệp sau này bởi trong các ứng dụng xử lý số đang dần chiếm vai trò quan trọng trong các hệ thống kỹ thuật. Bên cạnh những công cụ truyền thống là Vi xử lý, máy tính thì thiết kế phần cứng trên FPGA hoặc trên nền các công nghệ tƣơng tự đang là một hƣớng phát triển mang lại hiệu năng vƣợt trội và khả năng ứng dụng thích nghi tốt hơn. Giáo trình chính thức cho môn học đƣợc hoàn thiện sau hơn 2 khóa đào tạo cho sinh viên hệ đào tạo dân sự, quân sự tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn sự ủng hộ nhiệt tình của lãnh đạo Khoa Vô tuyến điện tử, lãnh đạo bộ môn Kỹ thuật xung số, vi xử lý, các đồng nghiệp trong khoa và bộ môn đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu góp phần hoàn thiện nội dung cho giáo trình, cám ơn anh chị em nhân viên của bộ môn đã góp nhiều công sức cho công việc chế bản cho giáo trình. Nhóm tác giả cũng gửi lời cám ơn tới 3 toàn bộ các sinh viên các khóa đào tạo bằng quá trình học tập, nghiên cứu thực tế đã có những ý kiến đóng góp giúp tác giả điều chỉnh về khung chƣơng trình và nội dung ngày hợp lý và hiệu quả hơn. Vì thời gian hạn chế và là một môn học mới do vậy chắc chắn sẽ còn nhiều những khiếm khuyết trong giáo trình. Nhóm tác giả rất mong tiếp tục nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của ngƣời sử dụng, mọi ý kiến có thể gửi về Bộ môn Kỹ thuật Xung số, Vi xử lý – Học viện KTQS hoặc vào hòm thƣ điện tử quangkien82@gmail. Hà nội 12-2011 4 Mục lục LỜI GIỚI THIỆU . 3 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT . 11 Chƣơng 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ SỞ . Các khái niệm chung . Vi mạch số tích hợp . Phần tử nhớ .5 Mạch logic tổ hợp . Mạch logic tuần tự .7 Các phƣơng pháp thể hiện thiết kế. Yêu cầu đối với một thiết kế logic . Các công nghệ thiết kế mạch logic số . Kiến trúc của các IC khả trình . Kiến trúc PROM, PAL, PLA, GAL. Kiến trúc CPLD, FPGA . 36 Câu hỏi ôn tập chƣơng 1 . 39 Chƣơng 2: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VHDL . Giới thiệu về VHDL. Cấu trúc của chƣơng trình mô tả bằng VHDL . Khai báo thƣ viện. Mô tả thực thể . Mô tả kiến trúc . Khai báo cấu hình . Chƣơng trình con và gói . Đối tƣợng dữ liệu, kiểu dữ liệu . Đối tƣợng dữ liệu . Kiểu dữ liệu . Toán tử và biểu thức . Toán tử logic . Các phép toán quan hệ . Các phép toán dịch . Các phép toán cộng trừ và hợp . Các phép toán nhân chia, lấy dƣ . Các phép toán khác . Phát biểu tuần tự . Phát biểu đợi . Phát biểu xác nhận và báo cáo . Phát biểu gán biến. Phát biểu gán tín hiệu . Lệnh rẽ nhánh và lệnh lặp. Phát biểu đồng thời . Phát biểu khối . Phát biểu quá trình . Phát biểu gán tín hiệu đồng thời . Phát biểu generate . Phát biểu cài đặt khối con . Phân loại mã nguồn VHDL. Kiểm tra thiết kế bằng VHDL. Kiểm tra nhanh . Kiểm tra tự động nhiều tổ hợp đầu vào . 104 Bài tập chƣơng 2 . 111 Câu hỏi ôn tập lý thuyết . 116 Chƣơng 3: THIẾT KẾ CÁC KHỐI MẠCH DÃY VÀ TỔ HỢP THÔNG DỤNG . Khối cộng đơn giản . Khối cộng thấy nhớ trƣớc. Bộ cộng tích lũy . Thanh ghi dịch . Bộ nhớ RAM . Bộ nhớ ROM . Bộ nhớ FIFO . Bộ nhớ LIFO. Máy trạng thái hữu hạn . Khối nhân số nguyên. Khối nhân số nguyên không dấu dùng phƣơng pháp cộng dịch 146 4. Khối nhân số nguyên có dấu. Khối nhân dùng mã hóa Booth cơ số 4 . Khối chia số nguyên . Khối chia dùng sơ đồ khôi phục phần dƣ . Khối chia dùng sơ đồ không khôi phục phần dƣ . Khối chia số nguyên có dấu . Các khối làm việc với số thực . Số thực dấu phẩy tĩnh . Số thực dấu phẩy động . Chế độ làm tròn trong số thực dấu phẩy động. Phép cộng số thực dấu phẩy động . Phép nhân số thực dấu phẩy động . Phép chia số thực dấu phẩy động . 183 Bài tập chƣơng 3 . 186 Câu hỏi ôn tập lý thuyết . 194 Chƣơng 4: THIẾT KẾ MẠCH SỐ TRÊN FPGA . Tổng quan về kiến trúc FPGA . Khái niệm FPGA . Ứng dụng của FPGA trong xử lý tín hiệu số . Công nghệ tái cấu trúc FPGA . Kiến trúc tổng quan . Kiến trúc chi tiết Xilinx FPGA Spartan-3E. Khối logic khả trình . Khối điều khiển vào ra. Hệ thống kết nối khả trình . Các phần tử khác của FPGA . Quy trình thiết kế FPGA bằng ISE . Mô tả thiết kế . Tổng hợp thiết kế . Hiện thực hóa thiết kế . Cấu hình FPGA . Kiểm tra thiêt kế trên FPGA . Một số ví dụ thiết kế trên FPGA bằng ISE . Thiết kế khối nhận thông tin UART . Thiết kế khối điều khiển PS/2 cho Keyboard, Mouse . Thiết kế khối tổng hợp dao động số NCO . Thiết kế khối điều khiển LCD1602A . Thiết kế điều khiển VGA trên FPGA. 294 Bài tập chƣơng 4 . Bài tập cơ sở . Bài tập nâng cao. Câu hỏi ôn tập lý thuyết . 313 Phụ lục 1: THỐNG KÊ CÁC HÀM, THỦ TỤC, KIỂU DỮ LIỆU CỦA VHDL TRONG CÁC THƢ VIỆN CHUẨN IEEE. Các kiểu dữ liệu hỗ trợ trong các thƣ viện chuẩn IEEE . Các hàm thông dụng hỗ trợ trong các thƣ viện chuẩn IEEE . Các hàm phục vụ cho quá trình mô phỏng kiểm tra thiết kế . Các hàm biến đổi kiểu dữ liệu dùng trong VHDL . 322 Phụ lục 2: THỰC HÀNH THIẾT KẾ VHDL . 325 Bài 1: Mô phỏng VHDL trên ModelSim . 326 Bài 2: Xây dựng bộ cộng trừ trên cơ sở khối cộng bằng toán tử. 338 Bài 3: Khối dịch và thanh ghi dịch . 344 Bài 4: Bộ cộng bit nối tiếp dùng 1 FA (serial-bit adder) . 353 Phụ lục 3: MẠCH PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG FPGA . Giới thiệu tổng quan . Các khối giao tiếp có trên mạch FPGA . Khối giao tiếp Keypad . Khối 8x2 Led-Diod . Khối giao tiếp 4x7-seg Digits . Khối giao tiếp USB . Khối giao tiếp PS/2 . 368 Phụ lục 4: THỰC HÀNH THIẾT KẾ MẠCH SỐ TRÊN FPGA . 371 Bài 1: Hƣớng dẫn thực hành FPGA bằng Xilin ISE và Kit SPARTAN 3E . 372 Bài 2: Thiết kế khối giao tiếp với 4x7Seg -digits . 397 Phụ lục 5: CÁC BẢNG MÃ THÔNG DỤNG . Mã ASCII điều khiển . Mã ASCII hiển thị . Bảng mã ký tự cho LCD 1602A . 414 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 415 10 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AES : Advance Encryption Standard Thuật toán mã hóa AES ALU : Arithmetic Logic Unit Khối thực thi số học logic ASIC : Aplication Specific Intergrated Vi mạch tích hợp với chức năng Circuit chuyên dụng. BJT : Bipolar Junction Transitor Transitor lƣỡng cực BRAM : Block RAM Khối nhớ truy cập ngẫu nhiên trong FPGA CLA : Carry Look-Ahead Adder Khối cộng thấy nhớ trƣớc CLB : Configurable Logic Block Khối Logic khả trình trong FPGA CMOS : CMOS (Complementary- Công nghệ bán dẫn dùng trên Symmetry Metal-Oxide cặp bù PN transitor trƣờng. Sermiconductor) CPLD : Complex Programmable Logic Vi mạch khả trình phức tạp( cỡ Device lớn) DCM : Digital Clock Manager Khối quản lý và điều chỉnh xung nhịp hệ thống trong FPGA DDR : Double Data Rate Truyền dữ liệu với tốc độ gấp đôi tốc độ cung nhịp hệ thống DES : Data Encryption Standard Thuật toán mã hóa DES DFS : Digital Frequency Synthesis Khối tổng hợp tần số DLL : Delay Locked Loop Khối lặp khóa trễ DRAM : Dynamic RAM RAM động DRC : Design Rule Check Kiểm tra các vi phạm trong thiết kế DUT : Device Under Test Đối tƣợng đƣợc kiểm tra E PROM : Electric-Eraseable Programmable PROM có thể xóa bằng điện 2 ROM EDIF : Electronic Design Interchange Chuẩn công nghiệp để mô tả Format các khối điển tử. EDK :Embbed Develovepment Kit Tổ hợp phần mềm thiết kế hệ nhúng trên FPGA 11 EPROM : Eraseable Programmable ROM PROM có thể xóa đựoc F5MUX : Wide-Multiplexer Khối chọn kênh mở rộng trong FPGA FET : Field Effect Transitors Transitor dùng hiệu ứng trƣờng FIFO : First In First Out Bộ nhớ có dữ liệu vào trƣớc sẽ đƣợc đọc ra trƣớc.