Giới Thiệu Chi Tiết Hệ Thống VLSI: Lịch Sử, Cấu Trúc và Ứng Dụng

Tài liệu nghiên cứu Giới thiệu hệ thống vlsi, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Nguyễn Lê Bá Phước
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Thiên Duy
• Chuyên ngành: Điện tử viễn thông
• Đề tài: Thiết Kế Máy Phát Sóng Và Đếm Tần Hiển Thị Lên Led 7 Đoạn Dùng Cpld - Isplsi 1032
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về đề tài
• 1.2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Bố cục của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CPLD
• 2.1. Sơ lược về PLD
• 2.2. Cấu trúc linh kiện PLD
• 2.3. Giới thiệu về mãng lập trình
• 2.4. Phân loại PLD
• 2.5. Phân loại, ứng dụng
• 2.6. Sơ đồ chân ispLSI 1032-90LJ
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG VLSI
• 3.1. Giới thiệu hệ thống VLSI
• 3.2. Lịch sử phát triển
• 3.3. Những transistor MOS
• 3.4. Cổng đảo CMOS
• 3.5. Cổng NAND CMOS
• 3.6. Cổng NOR CMOS
• 3.7. Lợi điểm của IC và việc tăng mật độ tích hợp
• 3.8. Ứng dụng của chip VLSI
• 3.9. Công nghệ thiết kế VLSI hiện nay
• 3.10. Chế tạo CMOS
• 3.10.1. Quy trình chế tạo
• 4. CHƯƠNG 4: NGÔN NGỮ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VHDL
• 4.1. Những phần tử ngôn ngữ cơ bản
• 4.1.1. Lời chú thích
• 4.1.2. Những điều cần biết về ngôn ngữ VHDL
• 4.1.3. Đối tượng dữ liệu
• 4.1.4. Loại dữ liệu
• 4.1.5. Toán tử dữ liệu
• 4.2. Cú pháp cho dataflow model
• 4.3. Cú pháp cho behavioral model
• 4.4. Cú pháp của structural model
• 4.5. Cú pháp trong khai báo ENTITY
• 4.6. Cú pháp trong khai báo component
• 4.7. Cú pháp trong thuyết minh component
• 4.8. Cú pháp khai báo PACKAGE
• 4.9. Cú pháp khai báo thân chính Package
• 4.10. Những câu lệnh đồng thời theo cấu trúc Dataflow
• 4.10.1. Gán các tín hiệu đồng thời
• 4.10.2. Gán tín hiệu có điều kiện
• 4.10.3. Gán tín hiệu được chọn lựa
• 4.11. Những câu lệnh tuần tự theo cấu trúc Behavioral
• 4.11.1. Những phép gán tín hiệu tuần tự
• 4.11.2. If then else
• 4.12. Các câu lệnh kiểu Structural
• 4.13. Các thủ tục chuyển đổi
• 4.13.1. Conv_Std_Logic_Vector(,)
• 5. CHƯƠNG 5: TÌM HIỂU PHẦN MỀM HỔ TRỢ CHO CHIP ispLSI 1032
• 5.1. Quy trình thiết kế
• 5.2. Giới thiệu phần mềm ispLEVER Classic 1
• 5.2.1. Tạo một project
• 5.2.2. Download xuống chip
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BOARD MẠCH
• 6.1. Nguồn cung cấp
• 6.2. Mạch quét LED 7 đoạn
• 6.3. Công tắc chọn tần số phát và chọn chế độ nạp
• 6.4. Cổng nạp chuẩn JTAG
• 6.5. Mạch cấp xung clock
• 6.6. Mạch đệm ngõ ra
• 6.7. Mạch đệm ngõ vào
• 6.8. Mạch tạo dao động dự phòng
• 7. CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 7.1. Ứng dụng và hướng phát triển của CPLD:
• 7.2. Ứng dụng của đề tài:
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG THAM CHIẾU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Hệ Thống VLSI Khám Phá Tổng Quan Lịch Sử Phát Triển

Hệ thống VLSI (Very-Large-Scale Integration) là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử, cho phép tích hợp hàng triệu, thậm chí hàng tỷ transistor trên một con chip duy nhất. Điều này đã mở ra những khả năng mới cho việc tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ gọn, mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng hơn. Từ điện thoại thông minh đến máy tính cá nhân, từ ô tô tự lái đến các hệ thống y tế tiên tiến, VLSI đóng vai trò then chốt trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại. Lịch sử phát triển của VLSI bắt đầu từ những năm 1970, khi công nghệ sản xuất chip bán dẫn bắt đầu đạt đến khả năng tích hợp số lượng lớn linh kiện. Những bước tiến vượt bậc trong công nghệ chế tạo CMOS (Complementary Metal Oxide Sillicon) đã cho phép tạo ra các chip VLSI phức tạp với chi phí hợp lý. Quá trình phát triển này không chỉ là sự gia tăng về số lượng transistor mà còn là sự cải tiến về kiến trúc, thiết kế và các phương pháp kiểm tra. Các công cụ CAD/EDA (Computer-Aided Design/Electronic Design Automation) đã trở thành công cụ không thể thiếu, giúp các kỹ sư thiết kế và mô phỏng các hệ thống VLSI phức tạp. Các ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL và Verilog cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và kiểm chứng thiết kế. Thiết kế VLSI không chỉ là việc sắp xếp các transistor trên chip mà còn là việc tối ưu hóa hiệu năng, giảm thiểu tiêu thụ điện năng và đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Các kỹ sư phải đối mặt với nhiều thách thức, từ việc quản lý độ phức tạp của thiết kế đến việc đối phó với các hiệu ứng vật lý ở kích thước nanomet. Tuy nhiên, những nỗ lực này đã mang lại những thành quả to lớn, cho phép tạo ra những hệ thống điện tử mạnh mẽ và đa năng hơn bao giờ hết.

1.1. Nguồn Gốc và Định Nghĩa Chính Xác về VLSI

Thuật ngữ VLSI (Very-Large-Scale Integration) ra đời để mô tả sự tích hợp số lượng lớn linh kiện bán dẫn, thường là hàng chục ngàn transistor trở lên, trên một mạch tích hợp duy nhất (IC). Sự phát triển của VLSI gắn liền với nhu cầu ngày càng tăng về hiệu năng và tính năng của các thiết bị điện tử. Từ những mạch tích hợp đơn giản ban đầu, VLSI đã tiến hóa để trở thành một công nghệ phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm vật lý bán dẫn, thiết kế mạch, kiến trúc máy tính và các thuật toán tối ưu hóa.

1.2. Các Giai Đoạn Phát Triển Quan Trọng của Công Nghệ VLSI

Sự phát triển của công nghệ VLSI có thể được chia thành nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn đánh dấu bằng những tiến bộ vượt bậc về công nghệ sản xuất chip và thiết kế mạch. Từ công nghệ chế tạo dựa trên các quy trình micro mét đến các quy trình nanomet hiện đại, mỗi bước tiến đều mang lại khả năng tích hợp cao hơn, hiệu năng tốt hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Sự ra đời của công nghệ CMOS đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng, cho phép tạo ra các chip VLSI với khả năng mở rộng và hiệu quả năng lượng cao.

1.3. Vai Trò Của VLSI System trong Cuộc Sống Hiện Đại

VLSI System không chỉ là một công nghệ mà còn là nền tảng cho sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ các thiết bị di động đến các hệ thống máy chủ, từ các hệ thống nhúng đến các ứng dụng trí tuệ nhân tạo, VLSI System đóng vai trò trung tâm trong việc cung cấp sức mạnh tính toán và khả năng xử lý dữ liệu cần thiết. Các ứng dụng của VLSI System ngày càng trở nên đa dạng và quan trọng hơn trong cuộc sống hiện đại.

II. Thiết Kế VLSI Thách Thức Lớn Yêu Cầu Kỹ Năng Cao

Thiết kế VLSI là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều kỹ năng và kiến thức khác nhau. Các kỹ sư thiết kế VLSI phải đối mặt với nhiều thách thức, từ việc quản lý độ phức tạp của thiết kế đến việc tối ưu hóa hiệu năng và giảm thiểu tiêu thụ điện năng. Quá trình thiết kế thường bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống, sau đó là việc lựa chọn kiến trúc phù hợp và thiết kế các khối chức năng. Các công cụ CAD/EDA đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các kỹ sư trong quá trình thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng. Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế VLSI là việc quản lý độ phức tạp của thiết kế. Với số lượng transistor ngày càng tăng, việc thiết kế và kiểm chứng một hệ thống VLSI trở nên ngày càng khó khăn. Các kỹ sư phải sử dụng các phương pháp thiết kế phân cấp và các kỹ thuật mô phỏng tiên tiến để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động đúng như mong đợi. Tiêu thụ điện năng là một vấn đề quan trọng khác trong thiết kế VLSI. Với số lượng transistor ngày càng tăng, tiêu thụ điện năng có thể trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là trong các thiết bị di động. Các kỹ sư phải sử dụng các kỹ thuật thiết kế tiết kiệm năng lượng để giảm thiểu tiêu thụ điện năng và kéo dài thời gian sử dụng pin. Kiểm tra và xác minh là một phần không thể thiếu trong thiết kế VLSI. Các kỹ sư phải sử dụng các phương pháp kiểm tra và xác minh khác nhau để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động đúng như mong đợi và không có lỗi. Các phương pháp này bao gồm mô phỏng, kiểm tra chính thức và kiểm tra thực tế trên chip.

2.1. Quy Trình Thiết Kế VLSI Các Bước Cơ Bản Cần Nắm Vững

Quy trình thiết kế VLSI thường bao gồm nhiều bước, từ đặc tả hệ thống đến chế tạo và kiểm tra chip. Các bước chính bao gồm: đặc tả yêu cầu, thiết kế kiến trúc, thiết kế logic, thiết kế mạch, bố trí và định tuyến, kiểm tra và xác minh, chế tạo và kiểm tra sau chế tạo. Mỗi bước đều có những thách thức riêng và đòi hỏi các kỹ năng và công cụ khác nhau.

2.2. Tối Ưu Hiệu Năng và Giảm Power Consumption VLSI Bí Quyết Cần Biết

Tối ưu hiệu năng và giảm Power Consumption VLSI là hai mục tiêu quan trọng trong thiết kế VLSI. Các kỹ thuật tối ưu hiệu năng bao gồm tăng tốc độ xung nhịp, giảm độ trễ và sử dụng các kiến trúc song song. Các kỹ thuật giảm tiêu thụ điện năng bao gồm giảm điện áp cung cấp, giảm kích thước transistor và sử dụng các kỹ thuật tắt nguồn.

2.3. Các Công Cụ CAD EDA Hỗ Trợ VLSI Design Flow Lựa Chọn Phù Hợp

Các công cụ CAD/EDA đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ VLSI Design Flow. Các công cụ này cung cấp các chức năng thiết kế, mô phỏng, kiểm tra và xác minh. Việc lựa chọn các công cụ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình thiết kế.

III. Kiến Trúc VLSI Nghiên Cứu Các Giải Pháp Thiết Kế Hiệu Quả

Kiến trúc VLSI là nền tảng cho việc xây dựng các hệ thống VLSI hiệu quả. Việc lựa chọn kiến trúc phù hợp có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu năng, tiêu thụ điện năng và chi phí của hệ thống. Các kiến trúc VLSI khác nhau phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Một số kiến trúc phổ biến bao gồm kiến trúc vi xử lý, kiến trúc bộ nhớ và kiến trúc mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC). Kiến trúc vi xử lý được sử dụng trong các hệ thống máy tính và các thiết bị nhúng. Kiến trúc này cho phép thực hiện các chương trình phần mềm linh hoạt và đa năng. Kiến trúc bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trong các hệ thống VLSI. Kiến trúc này cần đảm bảo dung lượng lưu trữ lớn, tốc độ truy cập nhanh và tiêu thụ điện năng thấp. Kiến trúc mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) được sử dụng cho các ứng dụng cụ thể, như xử lý tín hiệu, điều khiển và truyền thông. Kiến trúc này cho phép tối ưu hóa hiệu năng và tiêu thụ điện năng cho ứng dụng cụ thể. Việc nghiên cứu và phát triển các kiến trúc VLSI mới là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về hiệu năng và tính năng của các hệ thống điện tử.

3.1. Vi Xử Lý Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản

Vi xử lý là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống VLSI. Cấu trúc của vi xử lý bao gồm các khối chức năng như đơn vị số học logic (ALU), đơn vị điều khiển, thanh ghi và bộ nhớ cache. Nguyên lý hoạt động của vi xử lý dựa trên việc thực hiện các lệnh phần mềm theo một trình tự nhất định.

3.2. Bộ Nhớ Các Loại và Phương Pháp Tổ Chức Hiệu Quả

Bộ nhớ là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống VLSI. Các loại bộ nhớ phổ biến bao gồm bộ nhớ tĩnh (SRAM), bộ nhớ động (DRAM) và bộ nhớ flash. Phương pháp tổ chức bộ nhớ hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo tốc độ truy cập nhanh và dung lượng lưu trữ lớn.

3.3. FPGA và ASIC So Sánh Ưu Nhược Điểm Ứng Dụng Thực Tế

FPGA (Field-Programmable Gate Array) và ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) là hai loại mạch tích hợp khác nhau. FPGA có thể được lập trình lại sau khi sản xuất, trong khi ASIC được thiết kế cho một ứng dụng cụ thể và không thể thay đổi. FPGA phù hợp cho các ứng dụng cần sự linh hoạt và thời gian phát triển nhanh, trong khi ASIC phù hợp cho các ứng dụng cần hiệu năng cao và tiêu thụ điện năng thấp.

IV. Ứng Dụng VLSI Các Lĩnh Vực Quan Trọng Trong Đời Sống

Ứng dụng VLSI có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống hiện đại. Từ điện thoại thông minh đến máy tính cá nhân, từ ô tô tự lái đến các hệ thống y tế tiên tiến, VLSI đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp sức mạnh tính toán và khả năng xử lý dữ liệu cần thiết. Trong lĩnh vực viễn thông, VLSI được sử dụng để xây dựng các hệ thống truyền thông tốc độ cao, các thiết bị di động và các trạm gốc. Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, VLSI được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ gọn, mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng hơn. Trong lĩnh vực ô tô, VLSI được sử dụng để xây dựng các hệ thống điều khiển, an toàn và giải trí. Trong lĩnh vực y tế, VLSI được sử dụng để tạo ra các thiết bị chẩn đoán, điều trị và theo dõi sức khỏe tiên tiến. Các ứng dụng của VLSI ngày càng trở nên đa dạng và quan trọng hơn trong cuộc sống hiện đại.

4.1. Chip VLSI trong Điện Thoại Thông Minh và Thiết Bị Di Động

Chip VLSI là trái tim của điện thoại thông minh và các thiết bị di động khác. Các chip VLSI này cung cấp sức mạnh tính toán cần thiết để thực hiện các chức năng như xử lý ảnh, chơi game, duyệt web và kết nối mạng.

4.2. Mạch Tích Hợp VLSI trong Các Hệ Thống Ô Tô Hiện Đại

Mạch tích hợp VLSI được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ô tô hiện đại, bao gồm hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống phanh chống bó cứng (ABS), hệ thống túi khí và hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS).

4.3. Vai Trò của VLSI Technology Trends Trong Y Tế và Công Nghiệp

VLSI Technology Trends đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị y tế và công nghiệp tiên tiến. Các thiết bị y tế sử dụng VLSI bao gồm máy chụp cộng hưởng từ (MRI), máy chụp cắt lớp vi tính (CT) và các thiết bị cấy ghép. Các ứng dụng công nghiệp của VLSI bao gồm robot, hệ thống tự động hóa và các thiết bị điều khiển.

V. Ngôn Ngữ Mô Tả Phần Cứng Verilog VHDL Công Cụ Đắc Lực

Các ngôn ngữ mô tả phần cứng như Verilog và VHDL là công cụ không thể thiếu trong thiết kế VLSI. Các ngôn ngữ này cho phép các kỹ sư mô tả hành vi và cấu trúc của các mạch số một cách chính xác và hiệu quả. Verilog và VHDL được sử dụng để mô phỏng, kiểm chứng và tổng hợp các thiết kế VLSI. Verilog là một ngôn ngữ mô tả phần cứng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. VHDL (VHSIC Hardware Description Language) là một ngôn ngữ mô tả phần cứng khác, được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Cả Verilog và VHDL đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn ngôn ngữ phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và sở thích cá nhân. Ngoài Verilog và VHDL, còn có một số ngôn ngữ mô tả phần cứng khác, như SystemVerilog và SystemC. Các ngôn ngữ này cung cấp các tính năng bổ sung, như hỗ trợ cho thiết kế hướng đối tượng và mô hình hóa hệ thống.

5.1. Verilog Cú Pháp Cơ Bản và Ứng Dụng Trong Thiết Kế Vi Mạch

Verilog là một ngôn ngữ mô tả phần cứng mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế vi mạch. Cú pháp của Verilog tương đối đơn giản và dễ học. Verilog cho phép mô tả các mạch số ở nhiều mức độ trừu tượng khác nhau, từ mức cổng logic đến mức hệ thống.

5.2. VHDL Ưu Điểm và So Sánh Với Verilog

VHDL là một ngôn ngữ mô tả phần cứng mạnh mẽ và linh hoạt. VHDL có một số ưu điểm so với Verilog, bao gồm khả năng mô tả các hệ thống phức tạp, hỗ trợ cho thiết kế hướng đối tượng và khả năng kiểm chứng chính thức.

5.3. Ngôn Ngữ Mô Tả Phần Cứng Lựa Chọn Phù Hợp Cho Từng Dự Án VLSI

Việc lựa chọn ngôn ngữ mô tả phần cứng phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình thiết kế VLSI. Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn ngôn ngữ bao gồm độ phức tạp của thiết kế, yêu cầu về hiệu năng, thời gian phát triển và kinh nghiệm của nhóm thiết kế.

VI. Xu Hướng Advanced VLSI Bước Tiến Vượt Bậc Của Công Nghệ

Công nghệ Advanced VLSI đang tiếp tục phát triển với tốc độ chóng mặt, mang lại những bước tiến vượt bậc về hiệu năng, tiêu thụ điện năng và kích thước của các hệ thống điện tử. Các xu hướng chính trong Advanced VLSI bao gồm: thu nhỏ kích thước transistor, sử dụng các vật liệu mới, phát triển các kiến trúc 3D và tích hợp các công nghệ khác nhau trên cùng một chip. Việc thu nhỏ kích thước transistor cho phép tăng mật độ tích hợp và hiệu năng của các hệ thống VLSI, nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức về thiết kế và sản xuất. Việc sử dụng các vật liệu mới, như graphene và carbon nanotubes, có thể cải thiện hiệu năng và giảm tiêu thụ điện năng của các transistor. Phát triển các kiến trúc 3D cho phép tăng mật độ tích hợp và giảm độ trễ của các hệ thống VLSI. Tích hợp các công nghệ khác nhau trên cùng một chip, như bộ nhớ, vi xử lý và cảm biến, có thể tạo ra các hệ thống điện tử đa năng và hiệu quả hơn.

6.1. Thu Nhỏ Kích Thước Transistor Thách Thức và Giải Pháp Mới

Việc thu nhỏ kích thước transistor là một trong những xu hướng quan trọng nhất trong Advanced VLSI. Tuy nhiên, việc thu nhỏ kích thước transistor cũng đặt ra nhiều thách thức, như tăng hiệu ứng đường hầm lượng tử, tăng rò rỉ điện và giảm độ tin cậy.

6.2. Vật Liệu Mới trong Cổng CMOS Tăng Hiệu Năng Giảm Điện Năng Tiêu Thụ

Việc sử dụng các vật liệu mới trong cổng CMOS, như vật liệu high-k và metal gate, có thể cải thiện hiệu năng và giảm tiêu thụ điện năng của các transistor.

6.3. Kiến Trúc 3D Chip Tăng Mật Độ Tích Hợp Giảm Độ Trễ

Kiến trúc 3D chip cho phép tăng mật độ tích hợp và giảm độ trễ của các hệ thống VLSI bằng cách xếp chồng các lớp mạch lên nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Giới thiệu tổng quan về đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, bố cục, ý nghĩa của đề tài. Chương 2: Tìm hiểu cấu trúc CPLD Giới thiệu sơ lược cấu trúc của CPLD. Chương 3: Tìm hiểu hệ thống thiết kế phần cứng VLSI Tìm hiểu và phân tích các đặc điểm của VLSI, tìm hiểu công nghệ CMOS. Chương 4: Tìm hiểu ngôn ngữ thiết kế phần cứng VHDL Giới thiệu sơ lược về ngôn ngữ VHDL, cấu trúc, tập lệnh của VHDL.

Chương 5: Tìm hiểu phần mềm hỗ trợ cho chip ispLSI 1032 SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 1 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy Giới thiệu phần mềm ispLever Classic 1.2, cách sử dụng phần mềm này để thiết kế cho Chip ispLSI 1032. Chương 6: Thiết kế board mạch và mô phỏng Tính toán thiết kế mạch ứng dụng IC ispLSI 1032 để tạo sóng vuông và đếm tần, hiển thị lên LED 7 đoạn, dùng phần mềm mô phỏng chương trình tạo xung và đếm tần số trong khoảng tần số tối đa là 10MHz. Chương 7: Hướng ứng dụng và phát triển của đề tài Ứng dụng của đề tài vào các lĩnh vực của cuộc sống và hướng phát triển của đề tài. Ý nghĩa của đề tài.

Với đề tài “Thiết kế máy phát sóng và đếm tần sử dụng CPLD – ispLSI 1032” bước đầu giúp chúng ta làm quen với công nghệ thiết kế Chip, đây là công nghệ tiên tiến và sẽ được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực trong tương lai. SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 2 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CPLD 2. Sơ lược về PLD Ngày nay khoa học kỹ thuật trên thế giới liên tục phát triển , mà lĩnh vực điện tử luôn chiếm vị trí hàng đầu. Bước khởi đầu mang một ý nghĩa quan trọng , đó là sự ra đời của linh kiện chất bán dẫn , chính là tiền đề cho hướng phát triển công nghệ điện tử.

Với xu hướng phát triển đó thì việc tích hợp càng nhiều linh kiện bán dẫn trong một đơn thể (IC) ngày càng được chú trọng, nhằm đáp ứng đà phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật , cũng như những ứng dụng thực tế. Khi xuất xưởng, các IC (Integrated Circuit) thường được tích hợp sẳn với những chức năng riêng biệt, khi đó người sử dụng phải chọn lựa linh kiện sao cho việc thiết kế mạch hiệu quả nhất. Nhưng do độ tích hợp của IC cũng có giới hạn, và để linh hoạt hơn trong việc thực hiện những chức năng của người thiết kế, cũng như mối quan hệ mật thiết giữa nhà sản xuất và người sử dụng , cụ thể là tối ưu hóa khả năng ứng dụng của IC, nhà sản xuất đã cho ra một loại linh kiện đặc biệt mà chức năng của nó sẽ được người thiết kế quy định chứ không phải là nhà sản xuất nữa. Linh kiện đó được gọi chung là PLD ( Programmable Logic Device - Thiết bị logic lập trình được).

Chúng ta sẽ khảo sát linh kiện PLD qua các IC cụ thể như PAL ( Programmable Array Logic devices ), GAL ( Generic array Logic devices ), CPLD (complex programmable logic device). Các IC PAL , GAL, CPLD với độ tích hợp rất cao nên có thể thay thế hầu hết các loại IC TTL (Transistor-Transistor Logic). Điều quan trọng và lý thú trong những IC này là chức năng của nó sẽ được người thiết kế quy định cho chính những ứng dụng của mình sao cho kinh tế , hiệu quả nhất. Để thực hiện được việc thiết kế những ứng dụng trên IC PAL, GAL.

đòi hỏi người sử dụng cần phải kết hợp kiến thức cả về kỹ thuật số lẫn các ngôn ngữ lập trình cho thiết bị. Cấu trúc linh kiện PLD PLD thuộc họ bộ nhớ hàm ( Funtion Memory). PLD có dung lượng tương đối lớn , có kết cấu đơn giản nhất trong các linh kiện logic. Thông thường PLD cho phép người SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 3 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy thiết kế tạo cho nó những chức năng riêng biệt ,bởi khi xuất xưởng nhà sản xuất chưa tạo cho nó một ứng dụng nào.

Cấu trúc mạch bên trong của một PLD thường là một chuỗi hình chữ nhật gồm những phần tử giống nhau (identical cell - ô nhớ đồng dạng). Hai mảng AND - OR có thể lập trình được nhờ tập hợp ngẫu nhiên các cổng logic và phần tử nhớ (OLMC - Output Logic Macro Cell ) .1 : Cấu trúc một PLD đơn giản PLD là mạch tích hợp của “SSI and MSI’ nên tính năng họat động của PLD linh hoạt , dễ sử dụng, dễ thiết kế và diện tích mạch giảm đáng kể so với việc thiết kế mạch bằng các IC rời chứa các cổng logic. Khi dùng PLD việc thiết kế dễ dàng nhanh chóng nhờ nó có những phần mềm chuyên trách đảm nhiệm , làm cho công việc thiết kế logic đơn giản hơn. Ta cũng dễ dàng sửa lỗi chương trình, bổ sung, thay đổi cấu hình thiết kế bên trong để thực hiện một chức năng ứng dụng khác.

Công nghệ linh kiện PLD sản xuất bằng EECMOS ( Electrically Erasable CMOS) tạo khả năng lập trình lại nhiều lần tốc độ cao, công suât tiêu tán thấp, phương pháp lập trình đơn giản, giá thành thấp hơn mạch rời tương đương.3 Giới thiệu về mãng lập trình Giống như ROM hay PROM, một PLD có thể được lập trình cơ bản bằng cách truy xuất trực tiếp đến khối cầu chì, hay diode. Tuy nhiên rất ít người thiết kế làm việc đó, ngay cả việc gián tiếp qua một file văn bản thập lục. Thay vào đó người thiết kế dùng SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 4 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy một số ngôn ngữ lập trình cho PLD đề định ra những chức năng logic cần thiết cho những ứng dụng Một ngôn ngữ lập trình được trợ giúp bởi một bộ xử lý ngôn ngữ (Language Prosessor) hay gọi đơn giản là bộ biên dịch. Bộ biên dịch này có chức năng chuyển một chương trình nguồn (ở dạng văn bản) được viết bằng ngôn ngữ lập trình sang một tập tin sơ đồ cầu chì (tập tin dạng *.jed) theo chuẩn JEDEC (Joint Electron Device Egineering Council).

Sau đó, tập tin *.jed sẽ được nạp cho linh kiện PLD thông qua một thiết bị nạp đặt biệt. Mặc dù hầu hết PLD có thể lập trình thật sự với những biểu thức tổng tích, nhưng với ngôn ngữ lập trình cho PLD cho phép viết các biểu thức dưới bất cứ dạng nào, bộ biên dịch sẽ tính toán và rút gọn biểu thức cho phù hợp nếu có thể với một cấu trúc PLD cho trước. Những bộ biên dịch tiến bộ còn cho phép định nghĩa lưu đồ trạng thái (state machine) đối với PLD tuần tự, tự động chọn PLD thích hợp, trình bày sự thực hiện gán trạng thái và phát triển những công thức logic. Phân loại PLD 2.m' PLA với m ngõ vào, n ngõ ra và p biểu thức nhân thì có 2n ngõ vào cho mỗi cổng AND, m.p ngõ vào cho mỗi cổng OR.

PAL( Programmable Array Logic) PAL là loại thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại PLD hiện nay. Kết cấu bên trong tương đối đơn giản, chủ yếu lập trình bởi mảng AND, còn mảng OR cố định.m cổng AND với 2n ngõ vào, m cổng OR với p ngõ ra. Giá trị của p thay đổi tùy theo cấu trúc của mỗi loại PAL nhưng p thường nhỏ hơn nhiều so với 2n. Một số loại PAL cấu trúc bên trong còn có bộ nhớ đầu ra (dạng Flip Flop), các mảng AND được lập trình để thực hiện chức năng logic của PAL.

Đặc tính này không những thực hiện các chức năng bình thường mà còn làm tăng thêm đầu vào do các mảng OR trong bộ nhớ đầu ra, các chức năng của linh kiện logic loại này khi được ghi vào PAL thì không thể sửa chữa thay đổi. Trên thị trường còn có một loại PAL có thể SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 5 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy sửa đổi chương trình (nạp lại nhiều lần) đó là PALCEXXXX (CE : CMOS Electrically Erasable ).2 : PALCE16V8 Chức năng của PAL : Thực hiện hầu hết các chứa năng logic tổ hợp và tuần tự như Multiplex, Decoder, Encoder, Counter, Shift Register. GAL ( Generic Array Logic ) Có thể nói GAL bao gồm toàn bộ chức năng của PAL ( tương thích 100% ) nhưng khác với PAL là sau khi ghi các chức năng logic vào, nó có thể thay đổi và sửa lỗi được nhiều lần bằng phương pháp xóa bằng điện thường dùng. Điều dẫn đến việc sử dụng nó có phần thuận lợi hơn, có thể tiến hành bảo mật thông tin , do đó giá thành của GAL sẽ cao hơn các loại PAL thông thường.

Tuy nhiên, ta có thể thay thế GAL bằng PALCE mà không ảnh hưởng gì về các chức năng logic. Riêng PAL loại V là loại linh hoạt có thể dùng cho cả hai loại tổ hợp và tuần tự tùy theo người thiết kế khai báo trong chương trình lập trình.4 CPLD PALs và GALs chỉ là những thiết bị logic loại nhỏ, chỉ chứa khoảng vài nghìn đến 10.000 cổng logic thì CPLD chứa được 10. CPLD được cấu trúc từ số lượng nhất định các khối SPLD (Simple programable devices, thuật ngữ chung chỉ PAL, PLA). SPLD thường là một mảng logic AND/OR lập trình được có kích thước xác định và chứa một số lượng hạn chế các phần tử nhớ đồng bộ (clocked register).

Cấu trúc này hạn chế khả năng thực hiện những hàm phức tạp và thông thường hiệu suất làm việc của vi mạch phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của vi mạch hơn là vào yêu cầu bài toán. SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 6 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy Mặc dù mỗi nhà sản xuất đặt tên cho sản phẩm của mình với những tên độc quyền khác nhau ví dụ như: Lattice Semiconductor gọi chúng là "in-system programming". Tuy nhiên, những điểm này chỉ để nhấn mạnh rằng đó là những thiết bị được được tạo ra theo chuẩn Joint Test Action Group gọi tắc là JTAG.1 Giới thiệu ispLSI 1032 là thiết bị logic có thể lập trình được với mật độ cao gồm có: 192 thanh ghi, 64 chân I/O, 8 ngõ vào chuyên dụng, 4 ngõ vào xung clock chuyên dụng và một Global Routing Pool (GRP). GPR cung cấp những đường kết nối hoàn chỉnh với các phần tử khác.

Một nét đặt trưng của ispLSI 1032 là có thể lập trình được trong hệ thống (in-system programmability - ISP™) với nguồn được cấp là 5V. Nó là thiết bị đầu tiên không giới hạn lần nạp cho các mảng logic, cũng như là số lần kết nối để cấu hình hệ thống.3 : Sơ đồ chức năng ispLSI 1032 SVTH: Nguyễn Lê Bá Phước Trang: 7 GVHD: Th.S Phạm Thiên Duy Đơn vị logic cơ bản của ispLSI 1032 là Generic Logic Block (GLB). GLB được dán nhãn là A0, A1…D7.