Nghiên cứu về FPGA và VHDL trong thiết kế mạch logic

Tài liệu nghiên cứu Luận văn nghiên cứu thiết kế modul thực hành fpga, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Viết Tuyến
• Trường học: Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu về FPGA và VHDL trong thiết kế mạch logic
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 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. CẤU TRÚC CỦA THIẾT BỊ LOGIC CÓ THỂ LẬP TRÌNH (PLA)
• 1.3. NHỮNG ĐIỂU THÚ VỊ CỦA THIẾT KẾ ĐƯỢC HỖ TRỢ BỞI MÁY TÍNH VÀ LOGIC CÓ THỂ LẬP TRÌNH
• 2. CHƯƠNG 2: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VHDL (VERY HIGH SPEED INTEGRATED CIRCUIT HARDWARE DESCRIPTION LANGUAGE)
• 2.1. CÁC THUẬT NGỮ CỦA VHDL
• 2.2. CẤU TRÚC CỦA MỘT CHƯƠNG TRÌNH VHDL
• 2.3. CÁC ĐƠN VỊ THIẾT KẾ TRONG VHDL
• 2.4. CÁC KIỂU DỮ LIỆU TRONG VHDL
• 2.5. CÁC ĐỐI TƯỢNG DỮ LIỆU, TOÁN TỬ VÀ BIỂU THỨC
• 2.6. CÁC LỆNH TUẦN TỰ TRONG VHDL
• 2.7. CÁC LỆNH VÒNG LẶP
• 2.8. CÁC LỆNH SONG SONG TRONG VHDL
• 2.9. CÁC QUÁ TRÌNH PROCESS VÀ PHÉP GÁN TÍN HIỆU SONG SONG
• 2.10. PHÉP GÁN TÍN HIỆU CÓ ĐIỀU KIỆN
• 2.11. PHÉP GÁN THEO LỰA CHỌN
• 2.12. GỌI CHƯƠNG TRÌNH CON SONG SONG
• 2.13. CHƯƠNG TRÌNH CON
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MODULE THỰC HÀNH FPGA SỬ DỤNG FPGA XC2S100-5PQ144C CỦA XILINX
• 3.1. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ VỚI FPGA
• 3.2. THIẾT KẾ MODULE THỰC HÀNH FPGA
• 3.3. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA MODULE
• 3.4. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC KHỐI
• 3.5. NHỮNG CÔNG CỤ SỬ DỤNG KHI THIẾT KẾ MODULE
• 3.6. THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MODULE
• 3.7. THIẾT KẾ MẪU MẠCH GIẢI MÃ BÀN PHÍM CHẠY THỬ TRÊN MODULE
• 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 FPGA và VHDL Nền Tảng Thiết Kế Mạch Logic

Trong kỷ nguyên công nghệ số phát triển vượt bậc, FPGA (Field-Programmable Gate Array) và VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) đóng vai trò then chốt trong thiết kế mạch logic. FPGA cung cấp khả năng tùy biến phần cứng linh hoạt, cho phép các kỹ sư hiện thực hóa các thiết kế phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả. VHDL, với vai trò là ngôn ngữ mô tả phần cứng, giúp mô phỏng, kiểm tra và tổng hợp các mạch số một cách chính xác. Sự kết hợp giữa FPGA và VHDL đã mở ra những chân trời mới trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông, xử lý ảnh đến điều khiển công nghiệp. Theo tài liệu gốc, FPGA giúp tối thiểu hóa nhiều công đoạn thiết kế, lắp ráp vì hầu hết được thực hiện trên máy tính.

1.1. Lịch Sử Phát Triển của FPGA và VHDL

Sự ra đời của FPGA đánh dấu một bước tiến lớn so với các hệ thống số truyền thống, vốn đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí cho nghiên cứu và chế tạo. Các công ty như Signetics và Xilinx đã tiên phong trong việc phát triển các kiến trúc FPGA đầu tiên, mở đường cho sự phát triển của các công cụ phần mềm thiết kế FPGA như AMAZE và XACT. VHDL cũng trải qua quá trình phát triển liên tục, trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp trong mô phỏng phần cứng và tổng hợp logic.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội của FPGA so với ASIC

FPGA mang lại nhiều ưu điểm so với ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), bao gồm khả năng tái cấu trúc, thời gian phát triển ngắn hơn và chi phí thấp hơn cho các ứng dụng có số lượng sản xuất vừa và nhỏ. FPGA cũng cho phép các nhà thiết kế dễ dàng thực hiện các thay đổi và nâng cấp phần cứng sau khi triển khai, điều mà ASIC không thể làm được. Điều này làm cho FPGA trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao.

1.3. Các Ứng Dụng Tiêu Biểu của FPGA trong Thực Tế

FPGA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong viễn thông, FPGA được sử dụng để xử lý tín hiệu số (DSP), mã hóa và giải mã dữ liệu. Trong xử lý ảnh, FPGA được dùng để tăng tốc các thuật toán xử lý ảnh và video. Trong điều khiển công nghiệp, FPGA được sử dụng để điều khiển các hệ thống nhúng và robot. Ngoài ra, FPGA còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, hàng không vũ trụ và quân sự.

II. Hướng Dẫn Lập Trình FPGA Hiệu Quả Bằng Ngôn Ngữ VHDL

Để khai thác tối đa sức mạnh của FPGA, việc nắm vững VHDL là vô cùng quan trọng. VHDL cho phép các kỹ sư mô tả các mạch số ở mức trừu tượng cao, từ đó dễ dàng mô phỏng VHDL, tổng hợp logic và định thời. Việc tuân thủ các VHDL coding style tốt giúp đảm bảo tính dễ đọc, dễ bảo trì và hiệu suất cao của thiết kế. Các công cụ phần mềm thiết kế FPGA như Vivado và Quartus Prime cung cấp các tính năng mạnh mẽ để hỗ trợ quá trình lập trình FPGA bằng VHDL.

2.1. Cấu Trúc Cơ Bản của Một Chương Trình VHDL

Một chương trình VHDL thường bao gồm các thành phần chính như entity (mô tả giao diện của mạch), architecture (mô tả hành vi hoặc cấu trúc của mạch) và configuration (chỉ định các thành phần và kết nối). Việc hiểu rõ cấu trúc này giúp các kỹ sư tổ chức và quản lý các dự án FPGA VHDL một cách hiệu quả. Theo tài liệu gốc, cấu trúc của PLA gồm một mảng AND lập trình và một mảng OR lập trình, nó cho phép thực hiện tổ hợp logic tổng của các tích số đơn giản.

2.2. Các Kiểu Dữ Liệu và Toán Tử Thường Dùng trong VHDL

VHDL cung cấp nhiều kiểu dữ liệu khác nhau, bao gồm bit, std_logic, integer và real. Việc lựa chọn kiểu dữ liệu phù hợp giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thiết kế. Các toán tử logic, số học và quan hệ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả các hoạt động của mạch số. Việc nắm vững các kiểu dữ liệu và toán tử này là nền tảng để viết các chương trình VHDL phức tạp.

2.3. Các Lệnh Tuần Tự và Song Song trong VHDL

VHDL hỗ trợ cả lệnh tuần tự (trong process) và lệnh song song (ngoài process). Lệnh tuần tự được thực thi theo thứ tự, trong khi lệnh song song được thực thi đồng thời. Việc sử dụng đúng loại lệnh giúp mô tả chính xác hành vi của mạch số. Các lệnh như if, case, loop và signal assignment là những công cụ quan trọng trong VHDL.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Thiết Kế FPGA Sử Dụng VHDL

Để đạt được hiệu suất cao nhất cho các thiết kế FPGA, việc tối ưu hóa thiết kế FPGA là vô cùng quan trọng. Các kỹ thuật tối ưu hóa bao gồm giảm thiểu tài nguyên sử dụng, tăng tốc độ hoạt động và giảm công suất tiêu thụ. VHDL cung cấp các công cụ và kỹ thuật để hỗ trợ quá trình tối ưu hóa, chẳng hạn như sử dụng các thuộc tính (attributes) và ràng buộc (constraints). Các công cụ phần mềm thiết kế FPGA cũng cung cấp các tính năng tự động tối ưu hóa.

3.1. Sử Dụng IP Core để Tăng Tốc Độ Phát Triển

IP Core (Intellectual Property Core) là các khối chức năng được thiết kế sẵn, có thể được tích hợp vào các thiết kế FPGA. Việc sử dụng IP Core giúp giảm thời gian phát triển và tăng độ tin cậy của thiết kế. Các IP Core có sẵn cho nhiều chức năng khác nhau, bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP), giao tiếp và bộ nhớ.

3.2. Kỹ Thuật Pipeline và Parallel Processing

Kỹ thuật pipeline và parallel processing là hai kỹ thuật quan trọng để tăng tốc độ hoạt động của các thiết kế FPGA. Pipeline chia một tác vụ phức tạp thành nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn được thực hiện bởi một đơn vị xử lý riêng biệt. Parallel processing sử dụng nhiều đơn vị xử lý để thực hiện các tác vụ đồng thời. Việc áp dụng các kỹ thuật này giúp tăng thông lượng và giảm độ trễ của thiết kế.

3.3. Giảm Thiểu Tài Nguyên Sử Dụng và Công Suất Tiêu Thụ

Việc giảm thiểu tài nguyên sử dụng và công suất tiêu thụ là rất quan trọng đối với các ứng dụng FPGA di động và nhúng. Các kỹ thuật giảm thiểu bao gồm sử dụng các thuật toán hiệu quả, chia sẻ tài nguyên và tắt các khối chức năng không sử dụng. Các công cụ phần mềm thiết kế FPGA cung cấp các tính năng để phân tích và tối ưu hóa tài nguyên sử dụng và công suất tiêu thụ.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Thiết Kế Mạch Giải Mã Bàn Phím trên FPGA

Để minh họa các khái niệm đã trình bày, chúng ta sẽ xem xét một ví dụ thực tế: thiết kế mạch giải mã bàn phím trên FPGA. Mạch này nhận tín hiệu từ bàn phím và chuyển đổi nó thành mã ASCII tương ứng. Thiết kế này sử dụng VHDL để mô tả các khối chức năng như bộ quét bàn phím, bộ giải mã và bộ nhớ. Việc mô phỏng VHDL và kiểm tra và gỡ lỗi FPGA giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của thiết kế.

4.1. Sơ Đồ Khối và Đặc Điểm của Các Khối Chức Năng

Mạch giải mã bàn phím bao gồm các khối chức năng chính như bộ quét bàn phím, bộ giải mã và bộ nhớ. Bộ quét bàn phím liên tục quét các hàng và cột của bàn phím để phát hiện phím nào được nhấn. Bộ giải mã chuyển đổi tín hiệu từ bộ quét thành mã ASCII tương ứng. Bộ nhớ lưu trữ mã ASCII của các phím đã nhấn.

4.2. Thiết Kế Chương Trình VHDL cho Mạch Giải Mã

Chương trình VHDL cho mạch giải mã bao gồm các entity và architecture cho từng khối chức năng. Entity mô tả giao diện của khối, bao gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra. Architecture mô tả hành vi hoặc cấu trúc của khối. Việc sử dụng các lệnh tuần tự và song song giúp mô tả chính xác hoạt động của mạch.

4.3. Tổng Hợp Thiết Kế Đặt Chân cho FPGA và Nạp FPGA

Sau khi viết chương trình VHDL, chúng ta cần tổng hợp thiết kế bằng các công cụ phần mềm thiết kế FPGA. Quá trình tổng hợp chuyển đổi mã VHDL thành một netlist, mô tả các cổng logic và kết nối giữa chúng. Sau đó, chúng ta cần đặt chân cho FPGA, chỉ định các chân vật lý của FPGA cho các tín hiệu đầu vào và đầu ra. Cuối cùng, chúng ta nạp bitstream vào FPGA để cấu hình nó.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Nghiên Cứu FPGA VHDL

FPGA và VHDL là những công cụ mạnh mẽ cho thiết kế mạch logic. Sự kết hợp giữa tính linh hoạt của FPGA và khả năng mô tả phần cứng của VHDL đã mở ra những cơ hội mới trong nhiều lĩnh vực. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này tiếp tục tập trung vào việc tăng hiệu suất, giảm công suất tiêu thụ và đơn giản hóa quá trình thiết kế. Các xu hướng mới như hệ thống nhúng và phần cứng tái cấu trúc hứa hẹn sẽ mang lại những ứng dụng đột phá cho FPGA và VHDL.

5.1. Tương Lai Của FPGA Trong Các Hệ Thống Nhúng

FPGA ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng, nhờ khả năng tùy biến và hiệu suất cao. FPGA cho phép các nhà thiết kế tạo ra các hệ thống nhúng tùy chỉnh, đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Các ứng dụng hệ thống nhúng sử dụng FPGA bao gồm điều khiển công nghiệp, ô tô và thiết bị y tế.

5.2. Vai Trò Của VHDL Trong Thiết Kế Phần Cứng Tái Cấu Trúc

VHDL đóng vai trò quan trọng trong thiết kế phần cứng tái cấu trúc, cho phép các nhà thiết kế mô tả các mạch số có thể được cấu hình lại động. Phần cứng tái cấu trúc cho phép các hệ thống thích ứng với các thay đổi trong môi trường hoạt động và thực hiện các tác vụ khác nhau một cách hiệu quả.

5.3. Các Thách Thức và Cơ Hội Trong Nghiên Cứu FPGA VHDL

Nghiên cứu FPGA VHDL đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm tăng độ phức tạp của thiết kế, giảm công suất tiêu thụ và đảm bảo tính tin cậy. Tuy nhiên, cũng có nhiều cơ hội để phát triển các công cụ và kỹ thuật mới để giải quyết các thách thức này. Các lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng bao gồm tối ưu hóa tự động, mô phỏng hiệu quả và kiểm tra và gỡ lỗi FPGA.

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 -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 -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 -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 -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 -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 -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 -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 -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 -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.

Víi nh÷ng vi m¹ch míi, ®îc giíi thiÖu thêng xuyªn trªn thÞ trêng ®· dÉn ®Õn viÖc cÇn thiÕt ph¶i cã mét phÇn mÒm hç trî trong qu¸ tr×nh sö dông PLD ®Ó ®¹t hiÖu qu¶ cao.