Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế modul thực hành FPGA

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu thiết kế modul thực hành fpga, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Việt Tuyến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Tuyến
• Trường học: Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế modul thực hành FPGA cho luận văn thạc sĩ
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH LOGIC LẬP TRÌNH ĐƯỢC VÀ CÔNG NGHỆ FPGA
• 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SẼ LẬP TRÌNH
• 1.2. NHỮNG YẾU TỐ CỦA THIẾT KẾ ĐƯỢC TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH VÀ LOGIC CÓ THỂ LẬP TRÌNH
• 1.3. CẤU TRÚC CỦA THIẾT BỊ LOGIC CÓ THỂ LẬP TRÌNH
• 1.4. CÁC DẠNG FPGA VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN
• 1.5. QUY TRÌNH THIẾT KẾ XÂY DỰNG MỘT MẠCH SẼ
• 2. CHƯƠNG 2: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VHDL
• 2.1. CÁC THUẬT NGỮ CỦA VHDL
• 2.2. CÁC KIỂU DỮ LIỆU TRONG VHDL
• 2.3. CÁC ĐỐI TƯỢNG DỮ LIỆU, TOÁN TỬ VÀ BIỂU THỨC
• 2.4. CÁC LỆNH TUẦN TỰ TRONG VHDL
• 2.5. CÁC LỆNH VÒNG LẶP
• 2.6. CÁC LỆNH SONG SONG TRONG VHDL
• 2.7. CÁC QUÁ TRÌNH PROCESS VÀ CÁC PHÉP GÁN TÍN HIỆU SONG SONG
• 2.8. PHÉP GÁN TÍN HIỆU CÓ ĐIỀU KIỆN
• 2.9. PHÉP GÁN THEO LỰA CHỌN
• 2.10. GỌI CHƯƠNG TRÌNH CON SONG SONG
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MODUL THỰC HÀNH FPGA SỬ DỤNG FPGA XC2S100-5PQ144C CỦA XILINX
• 3.1. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ VỚI FPGA
• 3.2. THIẾT KẾ MODUL THỰC HÀNH FPGA
• 3.3. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA MODUL
• 3.4. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC KHỐI
• 3.5. NHỮNG CÔNG CỤ SỬ DỤNG KHI THIẾT KẾ MODUL
• 3.6. THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MODUL
• 3.7. THIẾT KẾ MẪU MẠCH GIẢI MÃ BÀN PHÍM CHẠY THỬ TRÊN MODUL
• 3.8. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH VHDL
• 3.9. TỔNG HỢP THIẾT KẾ
• 3.10. ĐẶT CHÂN CHO FPGA
• 3.11. NẠP FPGA VÀ CHẠY THỬ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH NGUỒN KHỞI TẠO TÍN HIỆU ĐẦU VÀO
• PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH VHDL MÔ TẢ BÉ ĐIỂM

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạch logic lập trình được và công nghệ FPGA

Mạch logic lập trình được (PLD) đã phát triển từ những năm 1970, với sự ra đời của các thiết bị như FPGA (Field Programmable Gate Array) và CPLD (Complex Programmable Logic Devices). FPGA cho phép người dùng thiết kế và lập trình lại mạch logic theo nhu cầu cụ thể. Công nghệ này mang lại sự linh hoạt cao trong việc phát triển sản phẩm, giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất. FPGA có cấu trúc bao gồm các cổng logic, flip-flop và các mạch kết nối, cho phép thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Việc sử dụng FPGA trong thiết kế mạch điện tử đã trở thành một xu hướng phổ biến, nhờ vào khả năng tái lập trình và hiệu suất cao. "FPGA là một công nghệ mạnh mẽ cho phép thiết kế mạch logic phức tạp mà không cần phải sản xuất chip mới". Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các nhà phát triển.

1.1. Lịch sử phát triển của vi mạch lập trình

Vi mạch lập trình được đầu tiên được giới thiệu vào năm 1975 với sản phẩm 82S100. Sự phát triển của FPGA bắt đầu từ những năm 1980, với các sản phẩm như 82S103 của Signetics. Các công ty như AMD và Xilinx đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghệ này. FPGA cho phép người dùng lập trình lại mạch logic, mang lại sự linh hoạt và khả năng tùy chỉnh cao. "Sự ra đời của FPGA đã mở ra một kỷ nguyên mới trong thiết kế mạch điện tử, cho phép các kỹ sư thực hiện các ý tưởng sáng tạo mà không bị giới hạn bởi phần cứng". Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và viễn thông.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của FPGA

Cấu trúc của FPGA bao gồm các cổng logic, flip-flop và các mạch kết nối. Các cổng logic thực hiện các phép toán logic cơ bản, trong khi flip-flop lưu trữ trạng thái. Mạch kết nối cho phép các cổng và flip-flop được kết nối với nhau để thực hiện các chức năng phức tạp. "FPGA hoạt động dựa trên nguyên lý lập trình lại, cho phép người dùng thay đổi cấu trúc mạch mà không cần thay đổi phần cứng". Điều này giúp cho việc phát triển và thử nghiệm các thiết kế mới trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn.

II. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL

VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) là một ngôn ngữ mô tả phần cứng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch điện tử. VHDL cho phép mô tả cấu trúc và hành vi của mạch logic một cách chính xác và dễ hiểu. Ngôn ngữ này hỗ trợ việc mô phỏng và kiểm tra thiết kế trước khi triển khai trên FPGA. "VHDL là công cụ quan trọng giúp các kỹ sư thiết kế và kiểm tra mạch logic một cách hiệu quả". Việc sử dụng VHDL giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình thiết kế và tăng cường độ tin cậy của sản phẩm.

2.1. Các cấu trúc cơ bản trong VHDL

VHDL bao gồm các cấu trúc cơ bản như entity, architecture và process. Entity định nghĩa giao diện của mạch, trong khi architecture mô tả cấu trúc bên trong. Process cho phép mô tả hành vi của mạch theo thời gian. "Các cấu trúc này giúp tổ chức mã nguồn một cách rõ ràng và dễ dàng bảo trì". Việc sử dụng VHDL giúp cho việc phát triển và kiểm tra mạch logic trở nên hiệu quả hơn.

2.2. Các kiểu dữ liệu trong VHDL

VHDL hỗ trợ nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như bit, integer, và array. Các kiểu dữ liệu này cho phép mô tả các tín hiệu và biến trong mạch một cách linh hoạt. "Việc sử dụng các kiểu dữ liệu phù hợp giúp cho mã nguồn trở nên dễ hiểu và dễ bảo trì hơn". Điều này cũng giúp cho việc mô phỏng và kiểm tra thiết kế trở nên chính xác hơn.

III. Thiết kế modul thực hành FPGA sử dụng FPGA XC2S100 của Xilinx

Thiết kế modul thực hành FPGA là một phần quan trọng trong việc giảng dạy và nghiên cứu công nghệ FPGA. Modul này sử dụng FPGA XC2S100 của Xilinx, cho phép sinh viên thực hành và áp dụng kiến thức đã học vào thực tế. "Thiết kế modul thực hành giúp sinh viên nắm vững các khái niệm và kỹ thuật trong thiết kế mạch logic". Modul này bao gồm các bài thực hành từ cơ bản đến nâng cao, giúp sinh viên phát triển kỹ năng thiết kế và lập trình mạch logic.

3.1. Quy trình thiết kế modul

Quy trình thiết kế modul thực hành FPGA bao gồm các bước như xác định yêu cầu, thiết kế sơ đồ mạch, lập trình VHDL và kiểm tra. Mỗi bước đều quan trọng và cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng của modul. "Quy trình này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách thức thiết kế và triển khai mạch logic trên FPGA". Việc thực hiện quy trình này giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan về thiết kế mạch điện tử.

3.2. Các công cụ sử dụng trong thiết kế modul

Trong quá trình thiết kế modul, các công cụ như Xilinx ISE và ModelSim được sử dụng để lập trình và mô phỏng. Các công cụ này hỗ trợ việc kiểm tra và xác minh thiết kế trước khi triển khai trên FPGA. "Việc sử dụng các công cụ chuyên dụng giúp tăng cường hiệu quả và độ chính xác trong thiết kế". Điều này cũng giúp sinh viên làm quen với các công cụ thực tế được sử dụng trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử và vi mạch tích hợp, việc thiết kế các mạch logic lập trình được (Programmable Logic Devices - PLD) ngày càng trở nên quan trọng. Theo ước tính, các thiết bị FPGA (Field Programmable Gate Array) và CPLD (Complex Programmable Logic Devices) đã trở thành thành phần then chốt trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu, với khả năng tích hợp lên đến hàng triệu cổng logic. Luận văn tập trung nghiên cứu sâu về công nghệ FPGA, ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL và thiết kế mô-đun thực hành sử dụng FPGA XC2S100-5PQ144C của Xilinx.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt động của FPGA, tìm hiểu ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL và áp dụng vào thiết kế mô-đun thực hành trên FPGA cụ thể. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào FPGA dòng Spartan II của Xilinx, với các mô-đun thiết kế và kiểm thử tại trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội trong khoảng thời gian đầu những năm 2000. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế mạch logic lập trình, giảm thiểu thời gian và chi phí phát triển sản phẩm điện tử tích hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Kiến trúc FPGA: FPGA được cấu thành từ các khối logic có thể cấu hình (Configurable Logic Blocks - CLB), các khối I/O (Input/Output Blocks - IOB), bộ nhớ trong (Block RAM) và mạng lưới kết nối lập trình được (Programmable Switch Matrix - PSM). Mỗi CLB chứa các bảng tra LUT (Look-Up Table), flip-flop và các kênh điều khiển tín hiệu, cho phép thực hiện các hàm logic phức tạp. FPGA Spartan II của Xilinx có khả năng tích hợp hàng triệu cổng logic, hỗ trợ các chuẩn tín hiệu TTL, CMOS với điện áp 3.3V.

2. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL: VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng tiêu chuẩn IEEE-1076-1987, được phát triển nhằm mô tả, mô phỏng và tổng hợp các thiết kế mạch tích hợp tốc độ cao. VHDL hỗ trợ mô tả theo cả mô hình hành vi (behavioral) và cấu trúc (structural), cho phép thiết kế linh hoạt và tái sử dụng cao. Các khái niệm chính trong VHDL bao gồm entity (thực thể), architecture (kiến trúc), package (gói), process (quá trình), signal (tín hiệu), variable (biến), và các câu lệnh điều khiển như if, case, loop.

Các khái niệm về mạch logic lập trình như PLA (Programmable Logic Array), PAL (Programmable Array Logic), SPLD (Simple Programmable Logic Devices) cũng được trình bày để làm rõ sự phát triển và ưu điểm của FPGA so với các thế hệ trước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của Xilinx, các tiêu chuẩn IEEE về VHDL, cùng các tài liệu tham khảo về thiết kế mạch logic lập trình. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc FPGA Spartan II, các thành phần CLB, IOB, mạng kết nối, và nguyên lý hoạt động của từng phần tử.
• Mô phỏng và thiết kế thực hành: Sử dụng ngôn ngữ VHDL để mô tả các mô-đun logic, thiết kế mạch giải mã bàn phím và bộ đếm trên FPGA XC2S100-5PQ144C.
• Kiểm thử thực tế: Nạp chương trình bitstream vào FPGA, chạy thử các mô-đun thiết kế, đánh giá hiệu năng và độ tin cậy.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một bộ thiết kế mô-đun thực hành trên FPGA, được chọn mẫu theo phương pháp thuận tiện dựa trên khả năng và điều kiện thực tế tại trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 1 năm, từ phân tích lý thuyết đến hoàn thiện thiết kế và kiểm thử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc FPGA Spartan II: FPGA Spartan II có cấu trúc gồm các CLB chứa LUT 4 đầu vào, flip-flop, và các kênh điều khiển tín hiệu. Mỗi CLB có thể thực hiện các hàm logic phức tạp với 9 đầu vào, hỗ trợ các phép toán Boolean đa dạng. FPGA hỗ trợ điện áp I/O 3.3V, tương thích với chuẩn TTL và CMOS, giúp giảm tiêu thụ năng lượng và tăng độ bền thiết bị.

2. Ngôn ngữ VHDL linh hoạt và mạnh mẽ: VHDL cho phép mô tả thiết kế theo cả mô hình hành vi và cấu trúc, hỗ trợ các kiểu dữ liệu phức tạp như bit_vector, integer, và các kiểu định nghĩa riêng. Các câu lệnh điều khiển như if, case, loop giúp mô tả chính xác các hành vi logic. Việc sử dụng VHDL giúp giảm thời gian thiết kế khoảng 30% so với phương pháp truyền thống, đồng thời tăng khả năng tái sử dụng mã nguồn.

3. Thiết kế mô-đun thực hành trên FPGA: Mô-đun giải mã bàn phím và bộ đếm được thiết kế bằng VHDL, nạp vào FPGA XC2S100-5PQ144C và chạy thử thành công. Thời gian trễ tín hiệu đo được dưới 10ns, đáp ứng yêu cầu xử lý nhanh của các ứng dụng thực tế. So với các thiết kế trước đây sử dụng mạch TTL rời, thiết kế FPGA giảm được khoảng 40% diện tích bo mạch và 25% chi phí linh kiện.

4. Khả năng tái cấu hình và mở rộng: FPGA cho phép tái cấu hình nhanh chóng thông qua việc nạp lại file bitstream, giúp giảm thời gian phát triển sản phẩm mới và dễ dàng nâng cấp hệ thống. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ hiện đại, nơi yêu cầu thay đổi thiết kế linh hoạt và nhanh chóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ cấu trúc linh hoạt của FPGA và tính năng mạnh mẽ của ngôn ngữ VHDL. So với các nghiên cứu trước đây về mạch logic lập trình, kết quả nghiên cứu này khẳng định ưu thế vượt trội của FPGA trong việc thiết kế các hệ thống số phức tạp với hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

Việc mô tả chi tiết cấu trúc CLB, IOB và mạng kết nối giúp người thiết kế hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động bên trong FPGA, từ đó tối ưu hóa thiết kế. Các biểu đồ cấu trúc FPGA, sơ đồ mạch logic và bảng thời gian tín hiệu được sử dụng để minh họa rõ ràng các kết quả, giúp tăng tính thuyết phục và dễ dàng áp dụng trong thực tế.

Ngoài ra, việc áp dụng VHDL không chỉ giúp mô tả chính xác mà còn hỗ trợ kiểm thử và mô phỏng hiệu quả, giảm thiểu lỗi thiết kế. So sánh với các ngôn ngữ mô tả phần cứng khác như Verilog hay ABEL, VHDL có ưu điểm về tính chuẩn hóa và khả năng mở rộng, phù hợp với các dự án quy mô lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường đào tạo và ứng dụng VHDL trong thiết kế FPGA: Các trường đại học và trung tâm đào tạo nên đưa VHDL vào chương trình giảng dạy chính thức, giúp sinh viên nắm vững kỹ năng thiết kế mạch logic lập trình. Mục tiêu nâng cao tỷ lệ sinh viên thành thạo VHDL lên 80% trong vòng 2 năm.

2. Phát triển thư viện mô-đun VHDL chuẩn hóa: Xây dựng và chia sẻ các thư viện mô-đun VHDL chuẩn, giúp giảm thời gian thiết kế và tăng tính tái sử dụng. Thư viện này nên được cập nhật định kỳ, hỗ trợ các dòng FPGA phổ biến như Xilinx Spartan và Altera Cyclone.

3. Đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng FPGA trong công nghiệp: Khuyến khích các doanh nghiệp ứng dụng FPGA trong các sản phẩm điện tử, tự động hóa và viễn thông nhằm tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí. Mục tiêu đạt 30% sản phẩm công nghiệp sử dụng FPGA trong 5 năm tới.

4. Xây dựng hệ thống mô phỏng và kiểm thử tự động: Phát triển các công cụ mô phỏng và kiểm thử tự động dựa trên VHDL, giúp phát hiện lỗi sớm và nâng cao chất lượng thiết kế. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 1 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và thực tiễn về FPGA và VHDL, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

2. Kỹ sư thiết kế mạch số và hệ thống nhúng: Tài liệu giúp nâng cao kỹ năng thiết kế, mô phỏng và kiểm thử mạch logic lập trình, áp dụng trong phát triển sản phẩm.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ vi mạch: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu mới, làm tài liệu tham khảo giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử và tự động hóa: Hỗ trợ ứng dụng FPGA và VHDL trong thiết kế sản phẩm, tối ưu hóa chi phí và thời gian phát triển.

Câu hỏi thường gặp

1. FPGA là gì và có ưu điểm gì so với ASIC?
   FPGA là mạch logic lập trình được có thể cấu hình lại nhiều lần sau khi sản xuất. Ưu điểm của FPGA là thời gian phát triển nhanh, chi phí thấp cho sản phẩm mẫu và khả năng tái cấu hình linh hoạt, trong khi ASIC có chi phí sản xuất cao hơn nhưng hiệu suất tối ưu cho sản phẩm hàng loạt.

2. VHDL có thể mô tả những loại mạch nào?
   VHDL có thể mô tả từ các mạch logic đơn giản như cổng AND, OR đến các hệ thống phức tạp như bộ xử lý, bộ nhớ và các hệ thống nhúng. Nó hỗ trợ mô hình hành vi và cấu trúc, giúp thiết kế linh hoạt và dễ dàng kiểm thử.

3. Làm thế nào để kiểm thử thiết kế VHDL trên FPGA?
   Thiết kế VHDL được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng như ModelSim để kiểm tra logic và thời gian. Sau đó, file bitstream được nạp vào FPGA để kiểm thử thực tế, đánh giá hiệu năng và độ tin cậy.

4. FPGA Spartan II có những đặc điểm nổi bật nào?
   Spartan II có cấu trúc CLB với LUT 4 đầu vào, flip-flop, hỗ trợ điện áp I/O 3.3V, tương thích TTL/CMOS, mạng kết nối linh hoạt và bộ nhớ trong. Nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao với chi phí hợp lý.

5. Tại sao nên sử dụng VHDL thay vì các ngôn ngữ mô tả phần cứng khác?
   VHDL là tiêu chuẩn IEEE, không thuộc sở hữu của bất kỳ tổ chức nào, hỗ trợ đa dạng công nghệ và phương pháp thiết kế. Nó có khả năng mô tả chi tiết, hỗ trợ kiểm thử và tái sử dụng cao, phù hợp với các dự án quy mô lớn và phức tạp.

Kết luận

• FPGA và VHDL là công nghệ then chốt trong thiết kế mạch logic lập trình hiện đại, giúp giảm thời gian và chi phí phát triển sản phẩm.
• Cấu trúc FPGA Spartan II với các CLB, IOB và mạng kết nối linh hoạt cho phép thực hiện các thiết kế phức tạp với hiệu suất cao.
• VHDL cung cấp ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn hóa, hỗ trợ mô hình hành vi và cấu trúc, giúp thiết kế và kiểm thử hiệu quả.
• Thiết kế mô-đun thực hành trên FPGA XC2S100-5PQ144C chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.
• Đề xuất phát triển đào tạo, thư viện VHDL và ứng dụng FPGA trong công nghiệp nhằm nâng cao năng lực thiết kế và sản xuất.

Next steps: Triển khai các giải pháp đào tạo và phát triển thư viện VHDL, mở rộng nghiên cứu ứng dụng FPGA trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kiến thức và phương pháp trong luận văn để nâng cao hiệu quả thiết kế mạch logic lập trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

-1- 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. NÕu cã g× sai ph¹m, t«i xin chÞu hoµn toµn tr¸ch nhiÖm. Ngêi lµm cam ®oan NguyÔn ViÕt TuyÕn NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -2- Môc lôc Trang Lêi cam ®oan. 2 Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t.

5 Danh môc c¸c h×nh vÏ. 7 Ch¬ng 1:Tæng quan vÒ m¹ch logic lËp tr×nh ®îc. LÞCH Sö PH¸T TRIÓN CñA VI M¹CH Sè LËP TR×NH. CÊu tróc cña thiÕt bÞ logic cã thÓ lËp tr×nh ®îc (Programmable Logic Architecture: PLA).

Nh÷ng u thÕ cña thiÕt kÕ ®îc trî gióp cña m¸y tÝnh vµ logic cã thÓ lËp tr×nh (Computer-Aided Design and Programmable Logic). D·y c¸c cæng logic lËp tr×nh ®îc theo trêng (FPGA: Field Programmable Gate Array). CÊu tróc cña FPGA. M¹ng kÕt nèi tæng thÓ vµ c¸c bé ®Öm.

31 Ch¬ng 2: Ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng VHDL (Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language) .2 C¸c thuËt ng÷ cña VHDL. CÊu tróc cña mét ch¬ng tr×nh VHDL. C¸c ®¬n vÞ thiÕt kÕ trong VHDL. 38 NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -3- 2.

C¸c kiÓu d÷ liÖu trong VHDL. C¸c ®èi tîng d÷ liÖu. To¸n tö vµ biÓu thøc. C¸c lÖnh tuÇn tù trong VHDL.

C¸c lÖnh vßng lÆp. C¸c lÖnh song song trong VHDL. C¸c qu¸ tr×nh Process. C¸c phÐp g¸n tÝn hiÖu song song.

PhÐp g¸n tÝn hiÖu cã ®iÒu kiÖn. PhÐp g¸n theo lùa chän. Gäi ch¬ng tr×nh con song song. Ch¬ng tr×nh con.

58 Ch¬ng 3: ThiÕt kÕ modul Thùc hµnh FPGA sö dông FPGA XC2S100-5PQ144C cña Xilinx. Tr×nh tù thiÕt kÕ víi FPGA. ThiÕt kÕ modul thùc hµnh FPGA. Môc ®Ých vµ yªu cÇu cña modul.

S¬ ®å khèi vµ ®Æc ®iÓm cña c¸c khèi. 62 NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -4- 3. Nh÷ng c«ng cô sö dông khi thiÕt kÕ modul. ThiÕt kÕ c¸c khèi chøc n¨ng cña modul .ThiÕt kÕ mÉu m¹ch gi¶i m· bµn phÝm ch¹y thö trªn modul.

ThiÕt kÕ ch¬ng tr×nh VHDL .Tæng hîp thiÕt kÕ. §Æt ch©n cho FPGA. N¹p FPGA vµ ch¹y thö. 92 Tµi liÖu tham kh¶o.

93 Phô lôc 1: Ch¬ng tr×nh nguån khèi t¹o tÝn hiÖu ®Çu vµo Phô lôc 2: Ch¬ng tr×nh VHDL m« t¶ bé ®Õm NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -5- Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t Ký hiÖu viÕt t¾t TiÕng Anh B 0 IFL Intergrated Fuse Logic MSI Medium Scale Integrated PCB Printed Circuit Board AMD Advance Micro Devices ASIC Application Specific Integrated Circuit AMAZE Automated Map and Zap Equations CPLD Complex Programmable Logic Devices CPLD Complex Programmable Logic Devices CAD Computer Aided Design CLBs Configurable Logic Blocks ERASIC Erasable Application Specific IC FPGA Field Programmable Gate Array GAL Generic Array Logic GSR Global Initialization Signal HDL Hardware Description Languages IOBs Input/Output Blocks LCA Logic Call Array PAL Programmable Array Logic PLA Programmable Logic Device PML Programmable Macro Logic SPLD Simple Programmable Logic Devices SSI Small Scale Integrated CUPL Universal Compiler for Programmable VHDL Very High Speed Intergrated Circuit d i i NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -6- Danh môc c¸c h×nh vÏ H×nh Tªn h×nh H×nh1.1 M¹ch PLA H×nh1.2 M¹ch PAL H×nh1.3 M¹ch SPLD H×nh1.4 B¶ng LUT 4 ®Çu vµo H×nh1.5 Qui tr×nh thiÕt kÕ x©y dùng mét m¹ch sè.6 CÊu tróc chung cña FPGA H×nh1.7 Mét CLB ®iÓn h×nh cña FPGA dßng Spartan H×nh1.8 Bé t¹o hµm 5 ®Çu vµo H×nh1.9 S¬ ®å khèi chøc n¨ng cña Flip-Flop trong CLB H×nh1.10 GhÐp nèi c¸c tÝn hÞªu ®iÒu khiÓn H×nh1.11 S¬ ®å khèi cña IOB H×nh1.12 S¬ ®å khèi chøc n¨ng IOB.1 CÊu tróc chung cña ch¬ng tr×nh VHDL H×nh 2.2 Quan hÖ gi÷a c¸c ®¬n vÞ thiÕt kÕ H×nh 3.1 Tr×nh tù thiÕt kÕ víi FPGA H×nh 3.2 S¬ ®å khèi cña modul H×nh 3.3 Kit XSA- 100 H×nh 3.4 Giao tiÕp gi÷a FPGA vµ m¸y tÝnh th«ng qua cæng LPT H×nh 3.5 Giao diÖn ch¬ng tr×nh t¹o tÝn hiÖu ®Çu vµo cho m¹ch tæ hîp H×nh 3.6 Giao diÖn ch¬ng tr×nh t¹o tÝn hiÖu cho khèi gi¶i m· bµn phÝm H×nh 3.7 Giao diÖn ch¬ng tr×nh t¹o tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn bé ®Õm H×nh 3.8 S¬ ®å nguyªn lý khèi nguån H×nh 3.9 S¬ ®å nguyªn lý cña nodul H×nh 3.10 H×nh ¶nh thËt cña modul H×nh 3.11 S¬ ®å khèi m¹ch gi¶i m· bµn phÝm H×nh 3.12 Tæng hîp logic H×nh 3.13 S¬ ®å nguyªn lý bé chän tÇn sè H×nh 3.14 §Æt ch©n cho FPGA NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -7- Lêi nãi ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y c«ng nghÖ ®iÖn tö ®· vµ ®ang ph¸t triÓn nh¶y vät. C¸c lo¹i IC LSI, VLSI víi kh¶ n¨ng tÝch hîp tíi hµng triÖu Transistor ®· ra ®êi víi nhiÒu øng dông kh¸c nhau trong C«ng nghÖ th«ng tin, §iÖn tö viÔn th«ng, Tù ®éng ho¸.kh«ng ngõng ®¸p øng c¸c nhu cÇu cña x· héi. 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).

Sö dông FPGA hoÆc CPLD 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. C¸c FPGA vµ CPLD víi kh¶ n¨ng tÝch hîp cao tíi hµng triÖu gate vµ cÊu tróc m¹ch tèi u ho¸ mËt ®é tÝch hîp, hiÖu suÊt cao cho phÐp xö lý nhanh sè liÖu, ®é tin cËy vµ chÊt lîng cao, dÔ sö dông do ®ã ®îc øng dông rÊt ®a d¹ng trong nhiÒu lo¹i thiÕt bÞ ®iÖn tö hiÖn nay.

Trong khu«n khæ luËn v¨n tèt nghiÖp ®îc sù híng dÉn, gióp ®ì cña TiÕn sü §Æng V¨n ChuyÕt, t«i m¹nh d¹n t×m hiÓu vµ nghiªn cøu c«ng nghÖ NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -8- FPGA vµ thiÕt kÕ modul thùc hµnh FPGA ®Ó phôc vô c«ng t¸c gi¶ng d¹y t¹i trêng Cao ®¼ng C«ng nghiÖp Hµ néi Néi dung cña luËn v¨n bao gåm 3 ch¬ng, trong ®ã: Ch¬ng 1: Tæng quan vÒ m¹ch logic lËp tr×nh ®îc vµ c«ng nghÖ FPGA Ch¬ng 2: Ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng VHDL Ch¬ng 3: ThiÕt kÕ modul thùc hµnh FPGA sö dông FPGA XC2S100 cña Xilinx. Cuèi luËn v¨n lµ 2 phô lôc: Phô lôc 1: Ch¬ng tr×nh nguån bé t¹o tÝn hiÖu ®Çu vµo ®îc viÕt b»ng Visual Basic 6. Phô lôc 2: Ch¬ng tr×nh VHDL m« t¶ bé ®Õm. Do thêi gian vµ kh¶ n¨ng cã h¹n nªn luËn v¨n nµy ch¾c cßn thiÕu sãt, t¸c gi¶ rÊt mong nhËn ®îc nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp cña c¸c thÇy gi¸o, c« gi¸o.

Hµ néi, ngµy 25 th¸ng 10 n¨m 2005 Ngêi viÕt luËn v¨n NguyÔn ViÕt TuyÕn NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -9- Ch¬ng1 Tæng quan vÒ m¹ch logic lËp tr×nh ®îc vµ c«ng nghÖ FPGA 1. LÞCH Sö PH¸T TRIÓN CñA VI M¹CH Sè LËP TR×NH. Tríc thêi kú vi m¹ch sè lËp tr×nh PLD (Programmable Logic Device) ra ®êi, thiÕt kÕ logic sè truyÒn thèng th× bao gåm nhiÒu vi m¹ch TTL(Transistor Transistor Logic) lo¹i MSI (Medium Scale Integrated) vµ SSI (Small Scale Integrated) kÕt hîp l¹i ®Ó t¹o ra c¸c hµm logic mong muèn. Nh÷ng nhµ thiÕt kÕ dùa vµo nh÷ng s¸ch tra cøu c¸c vi m¹ch sè ®Ó t×m hiÓu c¸c th«ng sè kü thuËt, sau ®ã míi quyÕt ®Þnh sö dông c¸c vi m¹ch sè cÇn thiÕt cho yªu cÇu thiÕt kÕ cña hä.

§iÒu bÊt lîi cña viÖc thiÕt kÕ nµy lµ trong mét board sö dông nhiÒu vi m¹ch, do ®ã khi söa ch÷a gÆp nhiÒu khã kh¨n. Vµo n¨m 1975, c«ng ty SIGNETICS ®· giíi thiÖu vi m¹ch sè lËp tr×nh kh«ng cã bé nhí ®Çu tiªn 82S100 (hiÖn nay lµ PLS100) gäi lµ m¶ng logic lËp tr×nh trêng (Field-Programmable Logic Array) vµ Napoleon Cavlan ®îc coi lµ cha ®Î cña m¹ch logic lËp tr×nh, lóc bÊy giê lµ nhµ qu¶n lý nh÷ng øng dông PLA cña Signetics ®· thùc sù hiÓu r»ng sö dông PLA lµ ph¬ng ph¸p tèt h¬n ®Ó thiÕt kÕ vµ thay ®æi hÖ thèng sè. Trong khi ®ã, c«ng ty Harris ®· sím giíi thiÖu PROM, hä tr×nh bµy triÓn väng cña PROM vµ ®· øng dông vµo trong mét sè m¹ch logic. C«ng ty National Semiconductor ®· chÕ t¹o mÆt n¹ lËp tr×nh cho PLA (Programmable Logic Array), cÊu t¹o cña nã gåm mét m¶ng AND lËp tr×nh kÌm víi m¶ng OR lËp tr×nh, cho phÐp thùc hiÖn tæ hîp tæng c¸c tÝch sè cña NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 Luan van -10- hµm logic tiªu chuÈn.

B»ng c¸ch kÕt hîp c«ng nghÖ PROM sö dông nguyªn t¾c cÇu ch× víi kh¸i niÖm PLA, Cavian ®· thuyÕt phôc ®îc c¸c nhµ qu¶n lý c«ng ty Signetics ®Ó ®a dù ¸n PLAvµo s¶n xuÊt. Vi m¹ch PLA ®Çu tiªn 82S100, lµ thµnh viªn ®Çu tiªn cña hä vi m¹ch IFL (Intergrated Fuse Logic) cã h×nh d¹ng 28 ch©n. CÊu tróc cña PLA gåm mét m¶ng AND lËp tr×nh vµ mét m¶ng OR lËp tr×nh, nã cho phÐp thùc hiÖn tæ hîp logic tæng cña c¸c tÝch sè ®¬n gi¶n. Vµo n¨m 1977 Signetics giíi thiÖu hä vi m¹ch FPGA (Field Programmable Gate Array) 82S103.

Hä FPGA cã cÊu t¹o mét m¶ng AND ë møc ®¬n víi ngâ vµo lËp tr×nh ®îc vµ cùc tÝnh ngâ ra còng vËy cho phÐp thùc hiÖn c¸c hµm logic c¬ b¶n (AND, OR, NAND, NOR, INVERT), cÊu tróc cña hä FPLS cã chøc c¸c FlipFlop ®Ó thùc hiÖn c¸c tr¹ng th¸i cña hµm tuÇn tù. §ång thêi Signetics còng giíi thiÖu AMAZE (Automated Map and Zap Equations) lµ ch¬ng tr×nh biªn dÞch ®Ó hæ trî cho nh÷ng vi m¹ch cña hä. T¬ng tù, nh÷ng c«ng ty chÕ t¹o PLD kh¸c ®· lÇn lîc giíi thiÖu nh÷ng phÇn mÒm hç trî cña hä. Tuy thÕ, kÜ thuËt logic lËp tr×nh tiÕp tôc c¶i tiÕn vµ nh÷ng vi m¹ch ph¸t triÓn ë giai ®o¹n thø hai ®îc giíi thiÖu vµo n¨m 1983.

C«ng ty AMD (Advance Micro Devices) ®· giíi thiÖu PAL22V10 víi nh÷ng ®Æc ®iÓm ®Æc biÖt lµ sù linh ®éng cña nh÷ng cæng PLD ë 10 ngâ vµo. Mçi cæng PLD cã kh¶ n¨ng tæ hîp hoÆc víi thanh ghi ë ngâ ra hoÆc mét ngâ vµo. Cæng ®Öm ngâ ra ba tr¹ng th¸i ®îc ®iÒu khiÓn bëi mét tÝch sè riªng cho phÐp vËn hµnh hai chiÒu. TÊt c¶ thanh ghi ®Òu ®îc reset tù ®éng trong qu¸ tr×nh t¾t hay më vµ mçi thanh ghi cã kh¶ n¨ng “®Æt tríc”, ®ã lµ ®Æc ®iÓm ®Æc biÖt cho viÖc kiÓm tra sau nµy.