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

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết 'Giáo trình Thiết kế Logic Số - Học viện KTQS': { "ai_description": "Giới thiệu về giáo trình Thiết kế Logic Số

• 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

mở đầu có nhiệm vụ cung cấp cho ngƣời học những kiến thức, khái niệm cơ bản về thiết kế các khối số, trong đó có những kiến thức đƣợc nhắc lại với những bổ xung phù hợp với mục đích môn học. Ngƣời học đƣợc giới thiệu qua về cách thức thiết khối làm việc với tín hiệu số đƣợc thiết kế chế tạo, phân loại các dạng vi mạch số và các tham số cơ bản cần quan tâm khi thiết kế hay làm việc với vi mạch số. Chƣơng này cũng giới thiệu qua về sự phát triển của một lớp các IC khả trình phần cứng từ PROM cho tới FPGA. Mục đích của phần này giúp cho ngƣời học có một cái nhìn tổng quan về lịch sử của thiết kế logic số trƣớc khi tập trung vào các vấn đề kiến thức chính ở các chƣơng sau là ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL và công nghệ FPGA.

Các khái niệm chung 1. Transitor Là linh kiện bán dẫn có khả năng làm việc nhƣ một công tắc bật tắt hoặc dùng để khuếch đại tín hiệu. Transitor là phần tử cơ bản của mọi vi mạch số tích hợp, từ các cổng logic đơn giản AND, OR, NOT. đến các loại phức tạp nhƣ các mạch điều khiển ngoại vi, vi điều khiển, vi xử lý… Transitor đƣợc làm từ vật liệu bán dẫn (sermiconductor), là vật liệu vừa có khả năng dẫn điện vừa có khả năng làm việc nhƣ những vật liệu cách điện, khả năng này thay đổi tùy theo kích thích từ bên ngoài nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, trƣờng điện từ, dòng điện… Chất bán dẫn dùng để cấu tạo transitor thƣờng là Germany (Ge) hoặc Silicon (Si) đƣợc kích tạp một lƣợng nhỏ Photpho(P) hoặc Boron (B) với mục đích tăng mật độ electron (kiểu N) tự do hoặc tăng mật độ lỗ trống (kiểu P) tƣơng ứng trong tinh thể bán dẫn.

Cấu trúc nguyên lý của các dạng transitor đƣợc trình bày ở hình dƣới đây: Hình 1-1. Cấu trúc transitor lưỡng cực BJTS, đơn cực FETs, diode Transitor lƣỡng cực BJT (Bipolar Junction Transitor) sử dụng nhiều trong thập kỷ 80s, đặc điểm của BJT là tốc độ chuyển mạch nhanh nhƣng nhƣợc điểm là mức tiêu thụ năng lƣợng lớn ngay cả trong trạng thái nghỉ và chiếm nhiều diện tích. Sau đó BJTs dần đƣợc thay thế bằng transitor đơn cực FETs(Field Effect Transitors) làm việc trên hiệu ứng trƣờng và kênh dẫn chỉ dùng một loại bán dẫn loại p hoặc n. CMOS (Complementary-Symmetry Metal-Oxide Sermiconductor) là transitor tạo thành từ việc ghép cặp bù PMOS và NMOS, có nhiều ƣu điểm so với các dòng transitor cũ nhƣ hiệu điện thế làm việc thấp, độ chống nhiễu cao, tiêu tốn ít năng lƣợng và cho phép tích hợp trong IC số với mật độ cao.

CMOS là công nghệ transitor đƣợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Vi mạch số tích hợp Còn đƣợc gọi là IC – Intergrated Circuits, chip, là cấu trúc mạch điện đƣợc thu nhỏ bằng cách tích hợp chủ yếu từ các transitor với mật độ cao, ngoài ra còn có thể có các linh kiện điện thụ động khác trên một khối bán dẫn mỏng. Các vi mạch tích hợp đều có một số lƣợng tín hiệu đầu vào và đầu ra để thực hiện một chức năng cụ thể nào đó. Trong khuôn khổ giáo trình này chủ yếu nghiên cứu về vi IC số, tức là dạng IC chỉ làm việc với các tín hiệu số.

IC a) b) Hình 1-2: a) Mô hình Vi mạch số tích hợp b) Vi mạch tích hợp thực tế Vi mạch tích hợp ra đời từ những năm 1960s và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đã và đang tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử. Ví dụ về vi mạch tích hợp nhƣ các IC đa dụng (general purposes IC) họ 7400, 4000, các dòng vi xử lý 80x86 dùng trong máy vi tính, chíp xử lý dùng cho điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, các vi điều khiển dùng trong các thiết bị dân dụng, ti vi, máy giặt, lò vi sóng… Các vi mạch này có mật độ tích hợp từ hàng vài chục đến hàng trăm triệu, và hiện nay đã đến hàng tỷ transitor trong một miếng bán dẫn có kích thƣớc xấp xỉ kích thƣớc đồng xu. Mật độ tích hợp đƣợc định nghĩa là tổng số những phần tử tích cực (transitor hoặc cổng logic) chứa trên một đơn vị 17 diện tích của khối tinh thể bán dẫn. Theo mật độ tích hợp chia ra các loại vi mạch sau: - Vi mạch cỡ nhỏ SSI (Small scale integration), có hàng chục transitor trong một vi mạch.

- Vi mạch cỡ vừa MSI (Medium scale integration), có hàng trăm transitor trong một vi mạch. - Vi mạch cỡ lớn LSI (Large scale integration), có hàng ngàn đến hàng chục ngàn transitor trong một vi mạch. - Vi mạch cực lớn VLSI (Very large scale integration), có hàng vạn, hàng triệu, hàng chục triệu transitor và lớn hơn trong một vi mạch, tới thời điểm hiện nay đã xuất hiện nhƣng vi mạch có độ tích hợp đến hàng tỷ transitor. - Vi mạch siêu lớn ULSI (Ultra large scale intergration), vi mạch có độ tích hợp với mức độ hàng triệu transitor trở lên.

- WSI (Wafer-scale-Intergration) là giải pháp tích hợp nhiều vi mạch chức năng trên một tấm silicon (wafer) để tăng hiệu suất cũng nhƣ giảm giá thành sản phẩm, ví dụ hệ vi xử lý nhiều nhân đƣợc tích hợp bằng WSI. - SoC (System-on-a-Chip) Khái niệm chỉ một hệ tính toán, xử lý mà tất cả các khối chức năng số và cả tƣơng tự đƣợc thiết kế để tích hợp vào trong một chip đơn. Trong khuôn khổ chƣơng trình này sẽ dành thời lƣợng chính cho việc nghiên cứu cơ bản về công nghệ, phƣơng pháp, quá trình thiết kế các vi mạch cỡ LSI, VLSI. Cổng logic Cổng logic hay logic gate là cấu trúc mạch điện (sơ đồ khối hình ) đƣợc lắp ráp từ các linh kiện điện tử để thực hiện chức năng của các hàm logic cơ bản y = f(xn, xn-1,.

Trong đó các tín hiệu vào xn-1, xn-2,., x1, x0 của mạch tƣơng ứng với các biến logic xn-1, xn-2,. Tín hiệu ra y của mạch tƣơng ứng với hàm logic y. Với các cổng cơ bản thƣờng giá trị n ≤ 4. x0 y x1 LOGIC GATE --- --- --- xn Hình 1-3.

Mô hình cổng logic cơ bản 18 Giá trị của các tín hiệu vào và ra chỉ có hai mức là mức thấp (Low - L) và mức cao (High - H) tƣơng ứng với với hai giá trị 0 và 1 của các biến logic và hàm logic. Ví dụ: Một cổng NOT loại CMOS (hình 1.4) tƣơng ứng hàm NOT hai biến Q = not A. Mạch điện cổng NOT Trên sơ đồ dễ nhận thấy rằng, chỉ khi A có mức tích cực cao thì transitor trên đóng còn transitor dƣới mở, Q có mức tích cực thấp, khi A có mức tích cực thấp thì transitor trên mở và dƣới đóng nên Q có mực tích cực cao, nhƣ vậy mạch điện với sơ đồ trên thực hiên vai trò của cổng NOT. Các mạch logic đều đƣợc biểu diễn bằng các hệ hàm logic và do đó có thể phát biểu là: Mọi mạch logic đều có thể xây dựng từ các cổng logic cơ bản.

Đối với các cổng logic cơ bản đó thì có hai tham số thời gian cơ bản: Hình 1. Tham số thời gian của cổng NOT Thời gian trễ lan truyền Tpd (Propagation delay) là thời gian tối thiểu kể từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự thay đổi từ đầu vào X cho tới khi sự thay đổi này tạo ra ra thay đổi xác định tại đầu ra Y, hay nói một cách khác cho tới khi đầu ra Y ổn định giá trị. 19 Tcd (Contamination delay) là khoảng thời gian kể từ thời điểm xuất hiện sự thay đổi của đầu vào X cho tới khi đầu ra Y bắt đầu xảy ra sự mất ổn định. Sau giai đoạn mất ổn định hay còn gọi là giai đoạn chuyển tiếp tín hiệu tại đầu ra sẽ thiết lập trạng thái xác định vững bền.

Nhƣ vậy Tpd > Tcd và khi nhắc đến độ trễ của cổng thì là chỉ tới giá trị Tpd. Phần tử nhớ 1. D-Latch và D flip-flop Latch và Flip-Flop là các phần tử nhớ quan trọng trong thiết kế VLSI, sơ đồ cấu tạo chi tiết và mô tả đã đƣợc trình bày kỹ trong phần Kỹ thuật số. Ở phần này chỉ nhắc lại những tính chất cơ bản nhất của các Flip-Flop và bổ xung thêm các tham số thời gian thực của các phần tử này.

Bảng 1-1 D-Flip flop và D-latch D-flip flop D-latch D SET Q Clock D Q Qprev Clock D Q Q CLR Rising edge 1 1 x 0 X Qprev Rising edge 0 0 x 1 D Non-rising x Qprev D-Latch là phần tử nhớ làm việc theo mức xung, cụ thể khi tín hiệu Clock bằng 1 thì giá trị Q đầu ra bằng giá trị đầu vào, khi tín hiệu Clock = 0 thì giá trị đầu ra không đổi. Nói một cách khác D-latch làm việc nhƣ một cửa đóng mở giữa tín hiệu Q và D tƣơng ứng với mức điện áp của xung Clock. D-flip-flop là phần tử nhớ làm việc theo sƣờn xung, có hai dạng sƣờn là sƣờn lên (rising edge) khi xung thay đổi từ 0->1 và sƣờn xuống (falling edge) khi xung thay đổi từ 1->0. Khi không có yêu cầu gì đặc biệt thì Flip-flop làm việc với sƣờn xung lên thƣờng đƣợc sử dụng.

Khác với D-latch giá trị đầu ra của Flip- Flop chỉ thay vào thời điểm sƣờn xung. Với cách làm việc nhƣ vậy giá trị đầu ra sẽ không thay đổi trong suốt thời gian một chu kỳ xung nhịp dù cho tín hiệu đầu vào thay đổi. D Flip-flop rất hay đƣợc dùng trong mạch có nhớ vì vậy đôi khi nói đến phần tử nhớ thƣờng ngầm hiểu là D Flip-flop. 20 In In Out In In Out Out Clk Out Clk Clk Clk Latch Flip-Flop Hình 1-6.

Đồ thị thời gian của D Flip-flop và D Latch Đối với D-flip-flop và D-latch nhớ thì có hai tham số thời gian hết sức quan trọng là Tsetup, và Thold. Đây là tham số thời gian đối với dữ liệu đầu vào cổng Din để đảm bảo việc truyền dữ liệu sang cổng ra Qout là chính xác, cụ thể đối với Flip-flop. Tsetup: là khoảng thời gian cần thiết cần giữ ổn định đầu vào trƣớc sƣờn tích cực của xung nhịp Clock Thold: Là khoảng thời gian tối thiểu cần giữ ổn định dữ liệu đầu vào sau sƣờn tích cực của xung nhịp Clock. Din Tsetup Thold CLK Tclk_q Qout Hình 1-7.

Tham số thời gian của D-Flip-Flop 1.2 Các flip-flop khác - RS Flip-flop: Bảng 1-2 RS Flip-flop R S Qnext S SET Q 0 0 Qprev 0 1 1 R CLR Q 1 0 0 1 1 Chạy đua 21 RS Flip-flop có đầu vào là hai tín hiệu Reset và Set.