Nghiên Cứu Về Mạch Logic Lập Trình và Thiết Kế FPGA

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

• Tác giả: Nguyễn Viết Tuyến
• Trường học: Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Mạch Logic Lập Trình và Thiết Kế FPGA
• 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 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 ĐIỂM MỞ RỘNG CỦA THIẾT KẾ ĐƯỢC TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH VÀ LOGIC CÓ THỂ LẬP TRÌNH
• 2. CHƯƠNG 2: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VHDL
• 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
• 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 ĐỎM

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Mạch Logic Lập Trình FPGA

Nghiên cứu về mạch logic lập trình và thiết kế FPGA đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện tử hiện đại. FPGA (Field Programmable Gate Array) cho phép người dùng tùy chỉnh cấu trúc mạch theo nhu cầu cụ thể. Điều này mang lại sự linh hoạt và hiệu suất cao trong việc phát triển các ứng dụng điện tử phức tạp. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng FPGA có thể giảm thiểu thời gian phát triển và chi phí sản xuất so với các giải pháp truyền thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh chính của mạch logic lập trình và thiết kế FPGA.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Mạch Logic Lập Trình

Mạch logic lập trình đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1970. Sự ra đời của PLD (Programmable Logic Device) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho thiết kế mạch. FPGA đầu tiên được giới thiệu vào năm 1985, cho phép người dùng lập trình lại mạch theo nhu cầu. Sự phát triển này đã tạo ra nhiều cơ hội cho các kỹ sư trong việc thiết kế các hệ thống nhúng phức tạp.

1.2. Các Thành Phần Chính Của FPGA

Cấu trúc của FPGA bao gồm các khối logic, bộ nhớ và các cổng vào/ra. Các khối logic có thể được lập trình để thực hiện các chức năng khác nhau, trong khi bộ nhớ lưu trữ dữ liệu tạm thời. Các cổng vào/ra cho phép FPGA giao tiếp với các thiết bị bên ngoài, tạo điều kiện cho việc phát triển các ứng dụng đa dạng.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế FPGA

Mặc dù FPGA mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế. Việc tối ưu hóa hiệu suất và tiêu thụ năng lượng là một trong những vấn đề lớn nhất mà các kỹ sư phải đối mặt. Ngoài ra, việc lập trình FPGA yêu cầu kiến thức sâu về ngôn ngữ lập trình VHDL hoặc Verilog, điều này có thể gây khó khăn cho những người mới bắt đầu. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng các công cụ CAD có thể giúp giảm thiểu những khó khăn này.

2.1. Thách Thức Về Hiệu Suất

Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế FPGA là tối ưu hóa hiệu suất. Các kỹ sư cần phải cân nhắc giữa tốc độ xử lý và tiêu thụ năng lượng. Việc tối ưu hóa này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch mà còn đến chi phí sản xuất.

2.2. Khó Khăn Trong Lập Trình

Lập trình FPGA yêu cầu kiến thức vững về ngôn ngữ lập trình VHDL hoặc Verilog. Điều này có thể gây khó khăn cho những người mới bắt đầu. Việc học và làm quen với các ngôn ngữ này cần thời gian và công sức, điều này có thể làm chậm quá trình phát triển sản phẩm.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Logic Lập Trình Hiệu Quả

Để thiết kế FPGA hiệu quả, các kỹ sư cần áp dụng các phương pháp và công cụ hiện đại. Việc sử dụng các công cụ CAD giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và giảm thiểu lỗi. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp mô phỏng cũng rất quan trọng để đảm bảo rằng mạch hoạt động như mong đợi trước khi được triển khai thực tế.

3.1. Sử Dụng Công Cụ CAD Trong Thiết Kế

Công cụ CAD giúp các kỹ sư thiết kế và mô phỏng mạch logic một cách hiệu quả. Các công cụ này cho phép người dùng kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi triển khai, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

3.2. Mô Phỏng Trước Khi Triển Khai

Mô phỏng là một bước quan trọng trong quy trình thiết kế FPGA. Việc mô phỏng giúp phát hiện sớm các lỗi và vấn đề trong thiết kế, từ đó giảm thiểu rủi ro khi triển khai thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của FPGA Trong Ngành Công Nghiệp

FPGA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, ô tô, và thiết bị y tế. Sự linh hoạt của FPGA cho phép các kỹ sư phát triển các giải pháp tùy chỉnh cho từng ứng dụng cụ thể. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng FPGA có thể cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất trong các ứng dụng công nghiệp.

4.1. Ứng Dụng Trong Viễn Thông

Trong ngành viễn thông, FPGA được sử dụng để xử lý tín hiệu và truyền tải dữ liệu. Sự linh hoạt của FPGA cho phép các nhà phát triển tạo ra các giải pháp tùy chỉnh cho các hệ thống viễn thông phức tạp.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Y Tế

Trong lĩnh vực y tế, FPGA được sử dụng để phát triển các thiết bị chẩn đoán và điều trị. Việc sử dụng FPGA giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các thiết bị y tế, từ đó nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Mạch Logic Lập Trình FPGA

Nghiên cứu về mạch logic lập trình và thiết kế FPGA đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ điện tử. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển của công nghệ và các công cụ hỗ trợ, việc thiết kế và triển khai FPGA ngày càng trở nên dễ dàng hơn. Tương lai của FPGA hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp.

5.1. Tương Lai Của FPGA

Tương lai của FPGA rất hứa hẹn với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất và khả năng của FPGA, mở ra nhiều ứng dụng mới trong tương lai.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về FPGA không chỉ giúp cải thiện công nghệ mà còn đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử. Việc đầu tư vào nghiên cứu sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội và nền kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển vượt bậc của công nghệ bán dẫn với quy mô tích hợp siêu cao (VLSI) chứa trên 1.000.000 transistor trên một phiến silicon, thiết kế hệ thống số đã chuyển dịch mạnh mẽ từ các vi mạch logic rời rạc sang vi mạch logic khả trình mật độ cao như FPGA (Field Programmable Gate Array). Tại Việt Nam trong giai đoạn những năm 2003 đến 2005, công tác đào tạo chuyên ngành Điện tử - Viễn thông gặp nhiều thách thức do trang thiết bị thí nghiệm nhập ngoại có giá thành rất cao, dao động từ 800 đến 1.500 USD cho một bộ kit thực hành, gây hạn chế lớn đến khả năng tiếp cận thực tế của sinh viên.

Trước thực trạng đó, đề tài luận văn tập trung nghiên cứu sâu về công nghệ vi mạch logic khả trình và ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL theo tiêu chuẩn IEEE 1076, nhằm giải quyết bài toán tự chủ thiết kế và chế tạo modul thực hành FPGA hoàn chỉnh. Mục tiêu cụ thể là xây dựng thành công bo mạch thực hành sử dụng vi mạch Xilinx Spartan-II XC2S100-5PQ144C với dung lượng 100.000 cổng logic, đi kèm các khối giao tiếp ngoại vi và phần mềm nạp dữ liệu điều khiển trên máy tính. Nghiên cứu được triển khai thử nghiệm trực tiếp tại Khoa Điện tử, trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc giảm thiểu hơn 65% chi phí chế tạo so với nhập khẩu kit ngoại, đồng thời rút ngắn 40% thời gian gỡ lỗi và lắp ráp mạch của người học. Luận văn đóng góp một giải pháp giáo cụ trực quan, hỗ trợ hiệu quả cho công tác giảng dạy vi mạch số và thúc đẩy năng lực làm chủ công nghệ thiết kế phần cứng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết vi mạch logic khả trình (PLD) với lịch sử tiến hóa từ vi mạch mảng logic lập trình trường Signetics 82S100 (ra đời năm 1975 với vỏ đóng 28 chân), vi mạch PAL22V10 của AMD năm 1983, đến cấu trúc mảng cổng logic lập trình được theo trường (FPGA) hiện đại do Xilinx khởi xướng từ năm 1985. Cấu trúc chip Xilinx Spartan-II XC2S100 được xây dựng dựa trên ma trận các khối logic cấu hình được (CLB), bao gồm 3 bảng tra cứu LUT (Lookup Table) 16x1 bit cấu trúc 4 ngõ vào, kết hợp với các phần tử nhớ Flip-Flop cho phép thực thi linh hoạt các hàm Boolean tổ hợp và mạch tuần tự với độ trễ truyền dẫn dưới 10 ns.

Bên cạnh phần cứng, khung lý thuyết về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE 1076-1987 là trọng tâm thứ hai. Ngôn ngữ VHDL cung cấp 3 phương thức mô tả trừu tượng bao gồm: mô hình hành vi (Behavioral), mô hình luồng dữ liệu (Dataflow) và mô hình cấu trúc (Structural). Ba khái niệm cốt lõi được áp dụng xuyên suốt gồm có: thực thể giao tiếp (Entity), khối kiến trúc nội tại (Architecture) và khối vào/ra (IOB) tương thích các mức điện áp chuẩn TTL 5V và CMOS 3.3V với dòng tải định mức 12 mA đến 24 mA.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình kiểm thử phần cứng và phần mềm trên cỡ mẫu gồm 35 bài thí nghiệm mạch số tổ hợp và tuần tự, thực hiện với sự tham gia của 120 sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử trong năm học 2004-2005. Phương pháp chọn mẫu định ngạch phi ngẫu nhiên được áp dụng nhằm phân bổ đều các nội dung từ cơ bản (mạch giải mã, bộ đếm nhị phân 8-bit) đến nâng cao (bộ giải mã bàn phím ma trận 4x4, mạch chọn tần số).

Lý do lựa chọn phương pháp thiết kế tự động hóa trên máy tính (CAD/EDA) kết hợp phân tích mô phỏng dạng sóng thời gian thực là nhằm phát hiện triệt để các sai sót logic trước khi nạp vào phần cứng. Timeline nghiên cứu kéo dài 24 tháng (từ tháng 10 năm 2003 đến tháng 10 năm 2005), trải qua 3 giai đoạn: tổng hợp lý thuyết, thiết kế phần cứng bo mạch in 2 lớp và lập trình kiểm thử giải thuật trên phần mềm Xilinx Foundation kết hợp Visual Basic 6.0.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, modul thực hành FPGA XC2S100-5PQ144C hoạt động ổn định ở tần số xung nhịp 50 MHz, cung cấp tài nguyên xử lý tương đương 100.000 cổng logic với 144 chân kết nối, đáp ứng 100% các yêu cầu thực hành môn học thiết kế vi mạch.

Thứ hai, việc áp dụng quy trình thiết kế VHDL kết hợp bộ nạp bitstream qua cổng máy tính LPT giúp rút ngắn 75% thời gian thiết kế và đấu nối dây thủ công so với phương pháp cắm chip rời trên bảng mạch thử nghiệm (Breadboard). Tỷ lệ lỗi kết nối phần cứng giảm mạnh từ 42% xuống dưới 5%.

Thứ ba, hệ thống đã tích hợp thành công mô hình giải mã bàn phím ma trận và mạch đếm số đa năng, tiết kiệm 85% diện tích bo mạch in khi thay thế hoàn toàn cho 12 vi mạch số chuẩn SSI/MSI dòng 74LS trên kích thước bo mạch vật lý 150 x 200 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên hiệu quả vượt bậc của modul là nhờ kiến trúc tối ưu của dòng Spartan-II với 1.200 khối CLB và công nghệ bộ nhớ tĩnh SRAM lập trình linh hoạt. Khi thảo luận về dữ liệu tiêu hao tài nguyên, kết quả được biểu diễn trực quan qua biểu đồ cột so sánh mức độ chiếm dụng khối logic: các bài thực hành giải mã chỉ chiếm khoảng 18% tài nguyên LUT, trong khi mạch đếm tuần tự phức tạp chỉ tiêu tốn 34% khối Slice. Bảng dữ liệu định thời ghi nhận thời gian trễ lan truyền tín hiệu nội bộ luôn duy trì ở mức thấp, dao động từ 4,5 ns đến 7,8 ns.

So với các giải pháp sử dụng vi mạch CPLD XC9500 cùng thời kỳ (chỉ chứa khoảng 1.600 đến 3.600 cổng logic), hệ thống FPGA Spartan-II cung cấp không gian thiết kế lớn gấp 27 lần, mở ra khả năng hiện thực hóa các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp. Hơn nữa, công suất tiêu thụ tĩnh của toàn bộ modul luôn giữ dưới ngưỡng 0,35 W, đảm bảo độ an toàn và độ bền cao cho thiết bị phòng thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ban hành và chuẩn hóa bộ tài liệu hướng dẫn 15 bài thực hành VHDL gắn liền với kit thí nghiệm, nhằm nâng cao 40% kỹ năng thực hành vi mạch cho sinh viên trong thời gian 6 tháng tới, do Khoa Điện tử chủ trì triển khai.

Thứ hai, nâng cấp phần cứng modul bằng việc tích hợp thêm các cổng giao tiếp hiện đại như USB 2.0 hoặc RS-232 với tốc độ truyền tải trên 12 Mbps (thay thế cổng song song LPT cũ đạt 1,5 Mbps), dự kiến hoàn thành trước quý IV năm 2006 do nhóm nghiên cứu phần cứng thực hiện.

Thứ ba, mở rộng dung lượng chip lên các thế hệ FPGA Spartan-3 hoặc Spartan-3E với quy mô từ 500.000 đến 1.000.000 cổng logic trong lộ trình 18 tháng, nhằm phục vụ giảng dạy các học phần chuyên sâu về xử lý tín hiệu số (DSP) và hệ thống nhúng SoC, do Bộ môn Kỹ thuật Máy tính đảm nhiệm.

Thứ tư, chuyển giao thiết kế bo mạch và bộ thư viện mã nguồn mẫu cho 5 cơ sở giáo dục nghề nghiệp và đại học kỹ thuật liên kết, hướng tới mục tiêu giảm 50% kinh phí trang bị phòng thực hành trong thời hạn 24 tháng, dưới sự điều phối của Ban Giám hiệu nhà trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1: Giảng viên và cán bộ nghiên cứu ngành Điện tử, Viễn thông, Tự động hóa. Lợi ích: Tiếp cận quy trình hoàn chỉnh từ thiết kế nguyên lý đến chế tạo modul thí nghiệm; ứng dụng trực tiếp vào việc xây dựng 10-15 bài giảng thực hành vi mạch số chuẩn hóa.

Nhóm 2: Sinh viên đại học và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính và Thiết kế Vi mạch. Lợi ích: Nắm vững cú pháp lập trình VHDL chuẩn IEEE 1076; áp dụng giải quyết 100% các bài toán tổng hợp logic, máy trạng thái tuần tự và giao tiếp ngoại vi thực tế.

Nhóm 3: Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng tại các doanh nghiệp bán dẫn. Lợi ích: Tham khảo giải pháp quy hoạch chân cắm (Pinout Planning) cho chip 144 chân và tối ưu hóa thời gian định thời trễ dưới 10 ns trong quá trình tạo mẫu thử nghiệm (prototyping) cho vi mạch ASIC.

Nhóm 4: Cán bộ quản trị và đầu tư phòng thí nghiệm tại các trường kỹ thuật. Lợi ích: Sở hữu tài liệu chi tiết để tự chế tạo modul thực hành với chi phí dưới 150 USD, tiết kiệm 65% đến 70% ngân sách so với mua sắm thiết bị ngoại nhập.

Câu hỏi thường gặp

Chip FPGA Xilinx XC2S100 được lựa chọn trong đề tài có những ưu điểm kỹ thuật gì nổi bật? Chip sở hữu dung lượng 100.000 cổng logic tương đương với 1.200 khối CLB và 144 chân đóng gói chuẩn PQFP. Thiết bị tương thích điện áp đa mức 3.3V và 5V, hỗ trợ tần số xung nhịp trên 50 MHz, cung cấp cấu trúc bộ nhớ nội linh hoạt giúp hiện thực hóa cả mạch tổ hợp phức tạp lẫn hệ thống nhúng tuần tự với độ tin cậy vượt trội.

Vì sao ngôn ngữ VHDL được ưu tiên sử dụng thay cho phương pháp vẽ sơ đồ nguyên lý truyền thống? Ngôn ngữ VHDL được chuẩn hóa quốc tế theo IEEE 1076-1987, hoàn toàn độc lập với công nghệ phần cứng của từng nhà sản xuất. Ngôn ngữ cho phép mô tả mạch ở mức hành vi trừu tượng cao, hỗ trợ tái sử dụng hơn 80% mã nguồn khi chuyển đổi vi mạch và giảm 60% thời gian gỡ lỗi so với vẽ mạch thủ công.

Modul thực hành tự chế tạo trong luận văn có thể thay thế hoàn toàn thiết bị nhập ngoại hay không? Thiết bị hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu thực hành. Modul tích hợp đầy đủ khối cấp nguồn, mạch giao tiếp nạp bitstream qua máy tính, bộ giải mã bàn phím và màn hình hiển thị, giúp tiết kiệm tới 65% chi phí đầu tư (khoảng 100 đến 150 USD cho một bộ kit) trong khi vẫn đảm bảo 100% nội dung chương trình đào tạo.

Cổng giao tiếp LPT đóng vai trò như thế nào trong hoạt động của modul thực hành? Cổng LPT truyền nhận 8 đường dữ liệu song song giữa máy tính và FPGA để nạp file bit cấu hình và giám sát tín hiệu kiểm thử. Phần mềm điều khiển viết trên Visual Basic 6.0 giúp người dùng quan sát và cấp tín hiệu kích thích thời gian thực với chu kỳ trễ điều khiển nhỏ hơn 5 ms.

Bảng tra LUT 4 ngõ vào trong cấu trúc FPGA Spartan-II hoạt động theo nguyên lý nào? Mỗi bảng LUT 4 ngõ vào là một bộ nhớ tĩnh SRAM kích thước 16x1 bit. Khi nạp tổ hợp 4 bit nhị phân vào ngõ vào chọn địa chỉ, bảng sẽ xuất ra giá trị logic 0 hoặc 1 đã lập trình từ trước, cho phép thực thi bất kỳ hàm Boolean 4 biến nào với độ trễ truyền dẫn cố định dưới 8 ns.

Kết luận

• Tự chủ thiết kế và chế tạo thành công bo mạch thực hành FPGA Spartan-II XC2S100 với dung lượng 100.000 cổng logic, phục vụ hiệu quả cho 120 sinh viên kỹ thuật.
• Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống chương trình mẫu bằng ngôn ngữ VHDL chuẩn IEEE 1076 và phần mềm giao tiếp máy tính trên nền tảng Visual Basic 6.0.
• Giảm thiểu 65% chi phí đầu tư trang thiết bị đào tạo và cắt giảm 75% thời gian lắp ráp, khắc phục lỗi mạch số cho người học.
• Xác định lộ trình 12 đến 24 tháng tới nhằm nâng cấp giao tiếp lên chuẩn USB tốc độ 12 Mbps và mở rộng cấu hình chip lên 500.000 cổng logic.
• Khẳng định giá trị thực tiễn cao trong việc thúc đẩy đào tạo nguồn nhân lực thiết kế vi mạch bán dẫn và tự động hóa tại Việt Nam.

Bạn đọc, giảng viên và các kỹ sư phần cứng hãy tải ngay toàn văn công trình nghiên cứu để tham khảo chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch in bo mạch và trọn bộ mã nguồn VHDL mẫu!

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 17057205110781000000 -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.