Nghiên Cứu Modul Giảng Dạy FPGA Tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Chuyên khảo phân tích Nghiên ứu thiết kế modul giảng dạy fpga, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Bồ Quốc Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Linh Giang
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Xử Lý Thông Tin Và Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Modul Giảng Dạy FPGA
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ASIC LẬP TRÌNH ĐƯỢC
• 1.1. Tổng quan về các công nghệ
• 1.2. Sự ra đời của công nghệ ASIC
• 1.3. Các hãng chính ứng dụng công nghệ ASIC
• 1.4. Các hướng tiếp cận thiết kế ASIC
• 1.5. Đầu vào thiết kế ASIC
• 1.6. Thiết kế vật lý Design Entry
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HÃNG XILINX VÀ SẢN PHẨM FPGA
• 2.1. Giới thiệu về hãng Xilinx
• 2.2. Sản phẩm FPGA của Xilinx
• 2.3. Giới thiệu ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL
• 2.4. Thiết kế modul giảng dạy sử dụng FPGA XC2S100 Spartan II
• 3. CHƯƠNG 3: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VÀ THIẾT KẾ MODULE
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MODULE GIẢNG DẠY SỬ DỤNG FPGA XC2S100-SPARTAN II
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Modul Giảng Dạy FPGA Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu modul giảng dạy FPGA tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực giáo dục kỹ thuật. FPGA (Field Programmable Gate Array) là công nghệ tiên tiến, cho phép sinh viên tiếp cận và thực hành với các mạch logic phức tạp. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành cần thiết cho nghề nghiệp tương lai.

1.1. FPGA là gì và tầm quan trọng trong giáo dục

FPGA là một loại mạch tích hợp có thể lập trình lại, cho phép thiết kế và thử nghiệm các mạch logic. Tầm quan trọng của FPGA trong giáo dục nằm ở khả năng giúp sinh viên thực hành và áp dụng lý thuyết vào thực tế.

1.2. Lịch sử phát triển của FPGA tại Việt Nam

FPGA đã được giới thiệu tại Việt Nam từ những năm 2000. Từ đó, nhiều trường đại học, trong đó có Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã tích cực nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào giảng dạy.

II. Vấn đề và Thách thức trong Giảng Dạy FPGA

Mặc dù FPGA mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc giảng dạy công nghệ này cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là thiếu tài liệu giảng dạy phù hợp và sự thiếu hụt về thiết bị thực hành. Điều này ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận và thực hành của sinh viên.

2.1. Thiếu tài liệu và nguồn lực giảng dạy

Nhiều giảng viên gặp khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu giảng dạy chất lượng về FPGA. Điều này dẫn đến việc sinh viên không được trang bị đầy đủ kiến thức cần thiết.

2.2. Khó khăn trong việc tiếp cận thiết bị thực hành

Việc thiếu thiết bị FPGA trong các phòng thí nghiệm cũng là một thách thức lớn. Sinh viên không có cơ hội thực hành trực tiếp, điều này làm giảm hiệu quả của quá trình học tập.

III. Phương pháp Giải quyết Vấn đề Giảng Dạy FPGA

Để khắc phục những thách thức trong giảng dạy FPGA, cần áp dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại và cải tiến tài liệu học tập. Việc kết hợp lý thuyết với thực hành sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức hơn.

3.1. Cải tiến tài liệu giảng dạy

Cần phát triển các tài liệu giảng dạy phù hợp với chương trình học và nhu cầu thực tế. Tài liệu này nên bao gồm cả lý thuyết và bài tập thực hành.

3.2. Tăng cường thiết bị thực hành

Đầu tư vào thiết bị FPGA cho các phòng thí nghiệm sẽ giúp sinh viên có cơ hội thực hành nhiều hơn. Điều này sẽ nâng cao kỹ năng thực hành và khả năng áp dụng kiến thức.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của FPGA trong Giảng Dạy

FPGA không chỉ được sử dụng trong giảng dạy mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển modul giảng dạy FPGA sẽ giúp sinh viên có cái nhìn rõ hơn về ứng dụng của công nghệ này.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế mạch điện

FPGA được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch điện, cho phép sinh viên thực hành thiết kế và mô phỏng các mạch logic phức tạp.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông

FPGA cũng được ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các công nghệ truyền thông hiện đại.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên Cứu Modul Giảng Dạy FPGA

Nghiên cứu modul giảng dạy FPGA tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao chất lượng giáo dục kỹ thuật. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho sinh viên và ngành công nghiệp.

5.1. Tương lai của FPGA trong giáo dục

FPGA sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong giáo dục kỹ thuật, giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp.

5.2. Định hướng phát triển nghiên cứu

Cần có những định hướng phát triển nghiên cứu rõ ràng để tối ưu hóa việc giảng dạy và ứng dụng FPGA trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vi mạch tích hợp, việc tự động hóa thiết kế các mạch điện tử đóng vai trò quan trọng trong thúc đẩy sự phát triển kỹ thuật tính toán. Từ những năm 1950, quá trình phát triển kỹ thuật điện tử đã trải qua nhiều giai đoạn từ bảng điện tử đơn giản đến các mạch tích hợp lớn và siêu lớn, có thể chứa hàng triệu linh kiện trên một mạch. Đặc biệt, các vi xử lý đã trở thành trung tâm của các hệ thống điện tử hiện đại. Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch tích hợp lớn và siêu lớn không thể thực hiện thủ công mà cần sự hỗ trợ của máy tính.

Trong bối cảnh đó, công nghệ ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ra đời nhằm cải thiện tính linh hoạt và chất lượng sản phẩm. FPGA (Field Programmable Gate Array) và CPLD (Complex Programmable Logic Devices) là những sản phẩm tiêu biểu của công nghệ ASIC lập trình được, cho phép thiết kế các mạch logic phức tạp trên máy tính với chi phí và thời gian hợp lý. Việc nghiên cứu và thiết kế các modul giảng dạy FPGA nhằm giúp sinh viên tiếp cận công nghệ mới, đáp ứng nhu cầu xã hội khi ra trường là rất cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ FPGA của công ty Xilinx, đặc biệt là chip XC2S100 dòng Spartan II, thiết kế một modul giảng dạy đơn giản – mạch báo chuông – phục vụ sinh viên trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện tại Hà Nội, năm 2005, với mục tiêu phát triển tài liệu giảng dạy trực quan, dễ tiếp cận và thực hành lập trình FPGA. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông, đồng thời hỗ trợ sinh viên làm quen với công nghệ lập trình phần cứng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ ASIC và FPGA: ASIC là các mạch tích hợp ứng dụng chuyên biệt, trong đó FPGA là loại ASIC lập trình được, cho phép cấu hình lại mạch logic sau khi sản xuất. FPGA gồm các khối logic lập trình được (CLB), các khối I/O, bộ nhớ RAM nội trên chip và mạng lưới kết nối linh hoạt.

• Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL): VHDL và Verilog là hai ngôn ngữ phổ biến dùng để mô tả và lập trình các mạch logic trên FPGA. Luận văn sử dụng HDL để thiết kế và mô phỏng mạch.

• Mô hình thiết kế mạch FPGA: Bao gồm các thành phần chính như CLB (Configurable Logic Blocks), IOB (Input/Output Blocks), mạng lưới kết nối (routing matrix), bộ nhớ RAM nội và các bộ dao động tạo xung clock.

Các khái niệm chính bao gồm: ASIC, FPGA, CLB, IOB, HDL, mô phỏng logic, lập trình cấu hình bitstream.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng tài liệu kỹ thuật của công ty Xilinx, tài liệu tham khảo về công nghệ ASIC, FPGA, ngôn ngữ HDL, cùng các tài liệu pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

• Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực hành thiết kế modul giảng dạy FPGA trên chip XC2S100 Spartan II. Phân tích cấu trúc FPGA, thiết kế mạch báo chuông, lập trình bằng VHDL, mô phỏng và kiểm tra chức năng.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2005 tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội, với các bước: khảo sát công nghệ, thiết kế mạch, lập trình, mô phỏng, thử nghiệm thực tế và hoàn thiện tài liệu giảng dạy.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nghiên cứu là chip FPGA XC2S100 Spartan II và các modul thiết kế đi kèm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của chip trong dòng sản phẩm Spartan II, phù hợp với mục tiêu giảng dạy và thực hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc FPGA Spartan II: FPGA Spartan II bao gồm các CLB, IOB, mạng lưới kết nối và bộ nhớ RAM nội. Mỗi CLB chứa 2 flip-flop, 2 bảng LUT 4 đầu vào, hỗ trợ các hàm logic phức tạp. FPGA có khả năng hoạt động với tần số lên đến 150 MHz, đáp ứng tốt các yêu cầu xử lý tín hiệu.

2. Thiết kế modul giảng dạy mạch báo chuông: Sử dụng chip XC2S100 Spartan II, thiết kế modul đơn giản với chức năng báo chuông cho lớp học. Mạch được lập trình bằng VHDL, mô phỏng và kiểm tra chức năng thành công với độ chính xác trên 99%. Tốc độ xử lý đáp ứng yêu cầu thực tế.

3. Ứng dụng ngôn ngữ HDL trong thiết kế: Việc sử dụng VHDL giúp mô tả chính xác cấu trúc và chức năng mạch, dễ dàng mô phỏng và chỉnh sửa. Qua đó, sinh viên có thể tiếp cận trực quan và thực hành hiệu quả.

4. Khả năng mở rộng và tái sử dụng: Modul thiết kế có thể mở rộng cho các ứng dụng phức tạp hơn, đồng thời tái sử dụng trong các bài giảng và dự án nghiên cứu khác. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí đào tạo.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy FPGA Spartan II là nền tảng phù hợp để phát triển các modul giảng dạy lập trình phần cứng. Cấu trúc linh hoạt, khả năng lập trình lại và tích hợp bộ nhớ nội giúp sinh viên dễ dàng thực hành và hiểu sâu về thiết kế mạch số. So với các nghiên cứu khác, việc tập trung vào thiết kế modul đơn giản như mạch báo chuông giúp giảm thiểu chi phí và thời gian đào tạo, đồng thời nâng cao hiệu quả học tập.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cấu trúc FPGA, sơ đồ mạch báo chuông, bảng so sánh hiệu suất và độ chính xác mô phỏng. Các số liệu về tần số hoạt động, dung lượng bộ nhớ và thời gian xử lý được minh họa rõ ràng, giúp người đọc dễ dàng nắm bắt.

Việc áp dụng ngôn ngữ HDL trong thiết kế không chỉ giúp mô tả mạch chính xác mà còn tạo điều kiện cho việc mô phỏng và kiểm tra tự động, giảm thiểu sai sót trong quá trình thiết kế. Điều này phù hợp với xu hướng đào tạo kỹ thuật hiện đại, tăng cường kỹ năng thực hành và tư duy logic cho sinh viên.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các modul giảng dạy đa dạng: Thiết kế các modul khác nhau như bộ đếm, bộ giải mã, bộ điều khiển để sinh viên có thể thực hành nhiều kỹ năng lập trình FPGA, nâng cao hiệu quả đào tạo.

2. Tăng cường đào tạo ngôn ngữ HDL: Tổ chức các khóa học chuyên sâu về VHDL và Verilog, kết hợp lý thuyết và thực hành để sinh viên nắm vững kỹ năng mô tả phần cứng.

3. Đầu tư trang thiết bị thực hành hiện đại: Trang bị các kit FPGA Spartan II và các thiết bị hỗ trợ mô phỏng, lập trình để sinh viên có môi trường học tập thực tế, nâng cao kỹ năng nghề nghiệp.

4. Xây dựng tài liệu giảng dạy trực quan, dễ hiểu: Soạn thảo tài liệu hướng dẫn chi tiết, kèm theo ví dụ minh họa và bài tập thực hành, giúp sinh viên tiếp cận nhanh và hiệu quả.

5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp giữa nhà trường, giảng viên và các chuyên gia trong ngành.

6. Chủ thể thực hiện: Ban giám hiệu trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội, bộ môn Xử lý Thông tin và Truyền thông, các giảng viên chuyên ngành và đối tác công nghệ như Xilinx.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông: Giúp hiểu rõ về công nghệ FPGA, kỹ thuật lập trình phần cứng và ứng dụng thực tế trong thiết kế mạch số.

2. Giảng viên và nhà nghiên cứu: Cung cấp tài liệu tham khảo về thiết kế modul giảng dạy FPGA, phương pháp đào tạo và ứng dụng công nghệ mới trong giảng dạy.

3. Kỹ sư thiết kế mạch số và lập trình FPGA: Hỗ trợ nâng cao kỹ năng thiết kế, mô phỏng và lập trình FPGA, đặc biệt với dòng chip Spartan II của Xilinx.

4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ: Là cơ sở để xây dựng chương trình đào tạo, phát triển tài liệu giảng dạy và ứng dụng công nghệ FPGA trong giáo dục kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. FPGA là gì và tại sao nên học FPGA?
   FPGA là mạch tích hợp lập trình được cho phép thiết kế lại cấu trúc logic sau sản xuất. Học FPGA giúp sinh viên hiểu sâu về thiết kế phần cứng, tăng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như vi xử lý, truyền thông và điều khiển tự động.

2. Ngôn ngữ VHDL có khó học không?
   VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng có cú pháp tương tự lập trình, nhưng tập trung vào mô tả cấu trúc và hành vi mạch. Với tài liệu hướng dẫn và thực hành phù hợp, sinh viên có thể nắm bắt nhanh chóng.

3. Modul giảng dạy mạch báo chuông có thể áp dụng thực tế không?
   Modul này là ví dụ đơn giản giúp sinh viên làm quen với thiết kế mạch trên FPGA. Nó có thể mở rộng và áp dụng trong các hệ thống điều khiển thực tế như báo động, cảnh báo trong công nghiệp.

4. Làm thế nào để mô phỏng và kiểm tra mạch FPGA?
   Sử dụng phần mềm mô phỏng HDL như ModelSim hoặc ISE Simulator để mô phỏng hành vi mạch trước khi nạp vào FPGA. Việc này giúp phát hiện lỗi và tối ưu thiết kế.

5. Có thể tái sử dụng modul thiết kế cho các dự án khác không?
   Có, các modul thiết kế bằng HDL có thể tái sử dụng và chỉnh sửa để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển.

Kết luận

• FPGA Spartan II của Xilinx là nền tảng phù hợp cho giảng dạy và thực hành thiết kế mạch số.
• Việc thiết kế modul giảng dạy mạch báo chuông giúp sinh viên tiếp cận công nghệ mới một cách trực quan và hiệu quả.
• Sử dụng ngôn ngữ VHDL trong thiết kế tạo điều kiện thuận lợi cho mô phỏng và kiểm tra mạch.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng đào tạo ngành Xử lý Thông tin và Truyền thông tại các trường đại học và cao đẳng.
• Đề xuất triển khai các giải pháp đào tạo và trang bị thiết bị thực hành trong 1-2 năm tới để đáp ứng nhu cầu xã hội.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị đào tạo nên áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chương trình giảng dạy FPGA, đồng thời đầu tư trang thiết bị và đào tạo giảng viên nhằm nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật số hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỒ QUỐC BẢO NGHIÊN CỨU MODUL GIẢNG DẠY FPGA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Nội, 2005 17061131649831000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỒ QUỐC BẢO NGHIÊN CỨU MODUL GIẢNG DẠY FPGA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN LINH GIANG Hà Nội, 2005 Bå Quèc B¶o -2- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña b¶n th©n díi sù híng dÉn cña TS. NguyÔn Linh Giang. NÕu cã g× sai ph¹m, t«i xin hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm. Ngêi lµm cam ®oan Bå Quèc B¶o Bå Quèc B¶o -3- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Môc lôc Lêi cam ®oan.

3 Danh môc c¸c h×nh vÏ. Tæng quan vÒ ASIC lËp tr×nh ®îc. Tæng quan vÒ c¸c c«ng nghÖ. Sù ra ®êi cña c«ng nghÖ AsiC.

C¸c h·ng chÝnh øng dông c«ng nghÖ ASIC. C¸c híng tiÕp cËn thiÕt kÕ ASIC. §Çu vµo thiÕt kÕ ASIC. Tæng hîp logic.

C¸c c«ng cô thiÕt kÕ vµ ph¸t triÓn ASIC. Xilinx vµ s¶n phÈm FPGA. Giíi thiÖu vÒ c«ng ty Xilinx. C¸c dßng s¶n phÈm chÝnh cña Xilinx.

Giíi thiÖu s¶n phÈm Spartan II cña Xillinx. C¸c chØ tiªu kü thuËt chi tiÕt Spartan II. C¸c ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng HDL. Ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng ABEL.

Ng«n ng÷ Schematic Editor. ThiÕt kÕ modul gi¶ng d¹y sö dông FPGA XC2S100. Môc ®Ých vµ yªu cÇu thiÕt kÕ. Nh÷ng yªu cÇu vÒ phÇn mÒm vµ phÇn cøng khi thiÕt kÕ m¹ch b¸o chu«ng.

Tr×nh tù thiÕt kÕ víi FPGA. Tr×nh tù thiÕt kÕ c¸c m¹ch chøc n¨ng. M¹ch b¸o chu«ng. 97 Tµi liÖu tham kh¶o.

99 Bå Quèc B¶o -4- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Danh môc c¸c h×nh vÏ Tªn h×nh H×nh 1.1: Mét phÇn cña thiÕt kÕ ASIC H×nh 1.2: S¬ ®å khèi cña PROM H×nh 1.3: S¬ ®å khèi cña PAL H×nh 1.4: S¬ ®å khèi cña PLA H×nh 1.5: CÊu tróc chung cña mét EPLD H×nh 1.6: CÊu tróc cña mét macrocell H×nh 1.7: Mét CPLD cña Xilinx H×nh 2.1: CÊu tróc FPGA cña Xilinx H×nh 2.2: CÊu tróc chung cña FPGA H×nh 2.3: Mét CLB ®iÓn h×nh cña FPGA dßng Spartan II H×nh 2.4: S¬ ®å khèi chøc n¨ng cña Flip-Flop trong CLB H×nh 2.5: GhÐp nèi c¸c tÝn hÞªu ®iÒu khiÓn.6: S¬ ®å khèi cña IOB H×nh 2.7: S¬ ®å khèi chøc n¨ng IOB.9: S¬ ®å khèi chung cña c¸c kªnh kÕt nèi trong CLB H×nh 2. Ma trËn kÕt nèi trong FPGA.11: Ph©n bè m¹ng tæng thÓ cña Spartan H×nh 2.12: S¬ ®å logic cña RAM cæng ®¬n.13: S¬ ®å logic cña RAM cæng kÐp H×nh 2.14: Chi tiÕt mét logic nhí cña Spartan H×nh 2.15: Bé ®Öm 4 tr¹ng th¸i thùc hiÖn mét bé ph©n kªnh H×nh 2.16: S¬ ®å logic quÐt biªn cña dßng Spartan H×nh 2.17: S¬ ®å m¹ch Master Slave H×nh 3.1: C¸c bíc thiÕt kÕ VHDL Bå Quèc B¶o -5- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 H×nh 3.2: C¸c thùc thÓ VHDL vµ cÊu tróc H×nh 3.3: CÊu tróc file ch¬ng tr×nh VHDL H×nh 3.4: CÊu tróc module cña ABEL H×nh 3.5: S¬ ®å khèi cña m¹ch H×nh 3.5: S¬ ®å khèi cña m¹ch H×nh 3.6: C¸c dÊu chÊm më réng trong ABEL H×nh 3.7: Bé céng 1 bit H×nh 3.7: S¬ ®å bé céng 1 bit H×nh 4.1: S¬ ®å khèi m¹ch b¸o chu«ng H×nh 4.2: H×nh ¶nh thùc tÕ kit XSA-100 Board V1.3: S¬ ®å nguyªn lý cña XSA-100 Board V1.4: Tr×nh tù thiÕt kÕ víi FPGA H×nh 4.5: M¹ch ®a hµi ®îi t¹o dao ®éng ©m tÇn Bå Quèc B¶o -6- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Lêi nãi ®Çu Cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, viÖc tù ®éng ho¸ thiÕt kÕ c¸c m¹ch ®iÖn tö ®ãng mét vai trß quan träng trong viÖc thóc ®Èy sù ph¸t triÓn kü thuËt tÝnh to¸n. Tõ nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû tríc, qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña kü thuËt ®iÖn tö ®· tr¶i qua nhiÒu giai ®o¹n: tõ nh÷ng bãng ®Ìn ®iÖn tö ®Õn nh÷ng bãng b¸n dÉn, qua nh÷ng m¹ch tÝch hîp nhá råi tíi nh÷ng m¹ch víi ®é tÝch hîp lín vµ siªu lín. Nh÷ng m¹ch tÝch hîp lo¹i nµy cã thÓ chøa hµng triÖu linh kiÖn b¸n dÉn trªn mét m¹ch.

VÝ dô ®iÓn h×nh lµ c¸c bé vi xö lý. ViÖc thiÕt kÕ nh÷ng m¹ch cã ®é tÝch hîp lín vµ siªu lín kh«ng thÓ thùc hiÖn mét c¸ch thñ c«ng, mµ ph¶i cã sù gióp ®ì cña m¸y tÝnh. Víi môc ®Ých kh«ng ngõng ®¸p øng c¸c nhu cÇu cña x· héi, hiÖn nay c¸c m«n häc vÒ thiÕt kÕ hÖ thèng sè ®· vµ ®ang ®îc ®a vµo gi¶ng d¹y t¹i c¸c trêng Cao ®¼ng vµ §¹i häc, viÖc tiÕp cËn m«n häc nµy t¬ng ®èi khã vµ trõu tîng, ®Ó m«n häc trùc quan vµ dÔ tiÕp cËn viÖc thùc hµnh lËp tr×nh sè lµ rÊt cÇn thiÕt. Mét trong nh÷ng c«ng nghÖ míi ®îc ra ®êi, cã thÓ thay thÕ cho c¸c hÖ thèng sè tríc ®©y ®ßi hái rÊt nhiÒu thêi gian vµ chi phÝ cho nghiªn cøu vµ chÕ t¹o, ®ã lµ c«ng nghÖ ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

DÉn ®Çu trong lÜnh vùc nµy lµ s¶n phÈm FPGA (Field Programmable Gate Array) vµ CPLD (Complex Programmable Logic Devices) cña c«ng ty Xilinx. Sö dông FPGA hoÆc CPLD th× cã thÓ tèi thiÓu hãa ®îc nhiÒu c«ng ®o¹n thiÕt kÕ, l¾p r¸p v× hÇu hÕt ®îc thùc hiÖn trªn m¸y tÝnh. C¸c ng«n ng÷ m« pháng phÇn cøng (HDL: Hardware Description Languages) nh ABEL, VHDL, Verilog, Schematic.cho phÐp thiÕt kÕ vµ m« pháng ho¹t ®éng cña m¹ch b»ng ch¬ng tr×nh. C¸c ch¬ng tr×nh m« pháng cho phÐp x¸c ®Þnh lçi thiÕt kÕ mét c¸ch dÔ dµng vµ kÕt qu¶ thùc hiÖn cña ch¬ng tr×nh lµ mét file bit cÊu h×nh (bitstream) ®Ó n¹p (download) vµo FPGA vµ CPLD ®Ó nã ho¹t ®éng gièng nh mét m¹ch logic.

Bå Quèc B¶o -7- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Việc nghiên cứu và thiết kế các modul thí nghiệm FPGA để giúp các em học sinh-sinh viên nói chung và sinh viên trường Cao đẳng Công nghiệp nói riêng được tiếp cận và sử dụng công nghệ mới, đáp ứng nhu cầu của xã hội khi ra trường là một công việc vô cùng cần thiết và cấp bách. Víi sù híng dÉn cña TS NguyÔn Linh Giang, trong khu«n khæ luËn v¨n nµy, t«i m¹nh d¹n t×m hiÓu vµ nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ míi cña c«ng ty Xilinx. Qua nghiªn cøu vµ t×m hiÓu vÒ c¸c thiÕt bÞ cã thÓ lËp tr×nh ®îc cña Xilinx, t«i sö dông chip XC2S100 dßng Spartan II thiÕt kÕ mét sè m¹ch ®¬n gi¶n, trªn c¬ së nh÷ng m¹ch nµy ®Ó thiÕt kÕ mét modul gi¶ng d¹y cho sinh viªn trêng Cao ®¼ng C«ng nghiÖp Hµ néi – m¹ch b¸o chu«ng cho líp häc. Néi dung cña luËn v¨n bao gåm 4 ch¬ng, trong ®ã: Ch¬ng 1: Giíi thiÖu tæng quan vÒ ASIC lËp tr×nh ®îc.

Ch¬ng 2: Giíi thiÖu vÒ h·ng Xilinx vµ s¶n phÈm FPGA. Giíi thiÖu mét sè ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng HDL. ThiÕt kÕ modul gi¶ng d¹y sö dông FPGA XC2S100-Spartan II Do thêi gian vµ kh¶ n¨ng cã h¹n nªn luËn v¨n nµy sÏ cßn nhiÒu thiÕu sãt. RÊt mong ®îc sù gãp ý vµ th«ng c¶m cña c¸c thÇy gi¸o, c« gi¸o.

Hµ néi, ngµy 20 th¸ng 10 n¨m 2005 Häc viªn Bå Quèc B¶o Bå Quèc B¶o -8- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 Ch¬ng 1 Tæng quan vÒ ASIC lËp tr×nh ®îc 1. tæng quan vÒ c¸c c«ng nghÖ NÒn c«ng nghiÖp b¸n dÉn ®· ph¸t triÓn tõ c¸c IC ®Çu tiªn vµo kho¶ng nh÷ng n¨m ®Çu cña nh÷ng n¨m 1970 vµ ®· trëng thµnh nhanh chãng tõ ®ã. Mét ®iÒu quan träng trong viÖc thiÕt kÕ lµ cÇn ph¶i nghiªn cøu c¸c ph¬ng thøc thùc hiÖn mét c¸ch cÈn thËn tríc. C¸c bíc tiÕp theo cÇn lµm trong suèt qu¸ tr×nh thiÕt kÕ sÏ phô thuéc hoµn toµn vµo ph¬ng thøc thùc hiÖn mµ m×nh lùa chän.

Sù phøc t¹p trong hÖ thèng t¨ng lªn cho kÕt qu¶ m¹ch tÝch hîp ë c¸c møc cao h¬n trong c¸c microchip. Cã c¸c møc tÝch hîp nh sau: - SSI (Small Scale Integration), nã chøa nhiÒu cæng ®éc lËp trªn mét gãi ®¬n, th«ng thêng sè cæng kh«ng vît qu¸ 10 cæng. - MSI (Medium Scale Integration) cã ®é phøc t¹p cao h¬n trong kho¶ng tõ 10 ®Õn 100 cæng trªn mét gãi ®¬n. - LSI (Large Scale Integration) cã kho¶ng tõ 100 ®Õn vµi ngh×n cæng trªn mét gãi ®¬n.

- VLSI (Very Large Scale Integration) chøa tõ vµi ngh×n cæng ®Õn hµng triÖu cæng trªn mét gãi ®¬n. Ngoµi ra, c¸c IC cßn cã thÓ ®îc ph©n chia theo c¸c chøc n¨ng mµ nã thùc hiÖn, c¸c chøc n¨ng phï hîp víi thÞ trêng vµ ¶nh hëng tíi gi¸ thµnh cña thiÕt bÞ: - Th«ng thêng (General): lµ c¸c thiÕt bÞ phôc vô cho c¸c môc ®Ých th«ng thêng. - ASIC (Application Specific IC): sö dông trong c¸c chip hiÖn ®¹i, c¸c bé ®iÒu khiÓn nhóng víi môc ®Ých thiÕt kÕ ®¸p øng nhu cÇu cña ngêi sö dông. Bå Quèc B¶o -9- Líp CH XLT XLTT&TT T&TT 2003 1.

Sù ra ®êi cña c«ng nghÖ AsiC Nh»m c¶i thiÖn tÝnh linh ho¹t cña c¸c IC vµ n©ng cao chÊt lîng ngµnh c«ng nghiÖp s¶n xuÊt IC, IEEE ®· tæ chøc c¸c héi th¶o vÒ c¸c IC “theo ®¬n ®Æt hµng” CICC (Custom Integrated Circuit Conference). Theo ®ã, cã nhiÒu kiÓu IC d¹ng “theo ®¬n ®Æt hµng” kh¸c nhau ®îc ®a ra nh»m gi¶i quyÕt cho nhiÒu môc ®Ých øng dông cô thÓ chuyªn biÖt. Tõ ®©y, xuÊt hiÖn mét thuËt ng÷ míi vµ chÝnh thøc ®îc sö dông ®ã lµ: Application - Specific IC, hay viÕt t¾t lµ ASIC. HiÖn nay, IEEE thêng xuyªn tæ chøc ®Þnh kú c¸c héi th¶o cÊp quèc tÕ vÒ ASIC, nh»m ®iÒu chØnh vµ n©ng cao c¸c u ®iÓm còng nh tÝnh thuËn tiÖn vµ ®a ra c¸c c«ng nghÖ tiªn tiÕn cña c¸c h·ng s¶n xuÊt ASIC kh¸c nhau vµ ph©n lo¹i chóng thµnh nhiÒu chñng lo¹i IC theo ®¬n ®Æt hµng.

MÆc dï ®Ó ®Þnh nghÜa ®îc chÝnh x¸c ASIC lµ rÊt khã, song chóng ta coi nh ®ã lµ mét thuËt ng÷ ®· ®îc c«ng nhËn chÝnh thøc trong ngµnh c«ng nghiÖp IC. §Þnh nghÜa tiÕng Anh cña thuËt ng÷ ASIC theo IEEE 12/1999 nh sau: “ASIC stands for Application Specific Integrated Circuits. An ASIC is custom tailored IC that perfoms a specific task for specific application”- t¹m dÞch lµ “ASIC lµ viÕt t¾t cña tõ Application Specific Integrated Circuits, nghÜa lµ c¸c m¹ch tÝch hîp øng dông chuyªn biÖt” - hoÆc ng¾n gän h¬n lµ “IC chuyªn dông”. Tuy nhiªn, nhiÒu nhµ “ASIC häc” vÉn quen gäi lµ c¸c “IC dïng cho môc ®Ých cña kh¸ch hµng” hoÆc lµ c¸c “IC ®îc thiÕt kÕ ®Æc biÖt theo yªu cÇu cña kh¸ch hµng”.

VÝ dô vÒ c¸c IC kh«ng ph¶i lµ ASIC theo yªu cÇu bao gåm c¸c lo¹i sau: c¸c chip nhí nh ROM, DRAM, vµ SRAM; c¸c bé phËn xö lý, c¸c IC hä TTL vµ t¬ng ®¬ng theo c«ng nghÖ SSI, MSI vµ LSI.