TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

THIẾT KẾ VI MẠCH LẬP TRÌNH ĐƯỢC

BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ DŨNG

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2012

1

MỤC LỤC Chương 1: KIẾN THỨC CƠ SỞ ........................................................................ 4

1.1. Các khái niệm chung ............................................................................... 4 1.1.1. Transistor.......................................................................................... 4 1.1.2. Vi mạch số tích hợp .......................................................................... 4 1.1.3. Cổng logic ........................................................................................ 5 1.1.4. Phần tử nhớ....................................................................................... 8 1.1.5. Mạch logic tổ hợp ........................................................................... 10 1.1.6. Mạch logic tuần tự .......................................................................... 11

1.2. Các phương pháp thể hiện thiết kế......................................................... 12 1.2.1. Mô tả bằng sơ đồ ............................................................................ 12 1.2.2. Mô tả bằng HDL............................................................................. 14

1.2. Yêu cầu với một thiết kế mạch logic số ................................................ 16 1.3. Các công nghệ thiết kế mạch logic số ................................................... 17 1.4. Kiến trúc của các IC khả trình .............................................................. 20

1.4.2. Kiến trúc PAL ................................................................................ 23 1.4.3. Kiến trúc PLA ................................................................................ 23 1.4.4. Kiến trúc của GAL ......................................................................... 24 1.4.5. Kiến trúc của FPGA ....................................................................... 26

Chương 2: GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG FPGA CỦA XILINX CHO THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ .................................................................................................. 29

2.1. Một số giải pháp cho thiết kế mạch logic số ......................................... 29 2.1.1. Khái niệm FPGA............................................................................ 29 2.1.2. Ứng dụng của FPGA trong xử lý tín hiệu số .................................. 32 2.1.3. Công nghệ tái cấu trúc FPGA ....................................................... 33

2.2. Kiến trúc của FPGA ............................................................................. 34 2.2.1. Kiến trúc chung FPGA .................................................................. 34 2.2.2. So sánh giữa cấu trúc nhỏ và cấu trúc lớn: ................................... 37 2.2.3. So sánh giữa SDRAM Programming và Anti-fuse programming:38 2.3.1. Khối logic khả trình...................................................................... 40 2.3.3. Hệ thống kết nối khả trình............................................................. 60 2.3.4. Các phần tử khác của FPGA........................................................... 62

2.4. Các khối giao tiếp có trên mạch Xilinx Spartan 3E Starter Kitboard FPGA . 72 2.4.1. Các thành phần chính của Xilinx Spartan 3E Starter Kitboard ......... 72 2.4.2. Mạch nạp JTAG/PLATFORM FLASH XCF04 .............................. 73

2

2.4.3. Khối nguồn Power Supply .............................................................. 73 2.4.4. Khối giao tiếp Keypad .................................................................... 73 2.4.5. Khối 8x2 Led-Diod......................................................................... 73 2.4.6. Khối Switch .................................................................................... 74 2.4.7. Khối giao tiếp 4x7-seg Digits ......................................................... 74 2.4.8. Khối giao tiếp RS232...................................................................... 74 2.4.9. Khối giao tiếp USB – RS232 .......................................................... 74 2.4.10. Khối giao tiếp PS/2 ....................................................................... 75 2.4.11. Khối giao tiếp VGA ...................................................................... 75 2.4.12. Khối giao tiếp LCD1602A ............................................................ 75 2.4.13. Khối giao tiếp ADC/DAC............................................................. 75 2.4.14. Khối giao tiếp Ethernet ................................................................. 76

Chương 3: GIẢI PHÁP PHẦN MỀM CHO THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ ........... 77 3.1. Giới thiệu các phần mềm hỗ trợ thiết kế ................................................ 77

3.1.1. Hãng Xilinx .................................................................................... 77 3.1.2. ISE.................................................................................................. 77 3.1.3. EDK ............................................................................................... 78 3.1.4. System Generator 9.2...................................................................... 78

3.2. Quy trình thiết kế FPGA tổng quát ........................................................ 78 3.2.1. Mô tả thiết kế.................................................................................. 80 3.2.2. Tổng hợp thiết kế............................................................................ 81 3.2.3. Hiện thực hóa thiết kế ..................................................................... 87 3.2.4. Cấu hình FPGA .............................................................................. 93

3.3. Phần mềm thiết kế ISE của Xilinx ......................................................... 93 3.3.1. Giới thiệu môi trường lập trình ....................................................... 93

Chương 4: MỘT SỐ BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠCH SỐ TRÊN FPGA SPARTAN-3E STARTER KIT BOARD ......................................................... 96

4.1. Điều khiển LED với Switch và Push button.......................................... 96 4.1.1. Sơ đồ khối chức năng ..................................................................... 96 4.1.2. Nguyên lý hoạt động....................................................................... 98 4.1.3. Phân tích xây dựng bài toán............................................................ 98 4.1.4. Hiện thực hóa thiết kế ................................................................... 105

4.2. Picoblaze_pwm_control ...................................................................... 115 4.2.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................ 115 4.2.2. Nguyên lý hoạt động..................................................................... 115

3

4.2.3. Phân tích thiết kế .......................................................................... 115 4.2.4. Hiện thực hóa thiết kế ................................................................... 116

4.3. Chuyển đổi ADC ................................................................................. 122 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................... 122 4.3.2. Nguyên lý hoạt động..................................................................... 123 4.3.3.Phân tích thiết kế bài toán.............................................................. 123

4.4. Điều khiển LCD .................................................................................. 129 4.4.1. Sơ đồ khối chức năng ................................................................... 129 4.4.2. Vi điều khiển PicoBlaze................................................................ 129 4.4.3. Nguyên lý hoạt động..................................................................... 132 4.4.4. Phân tích xây dựng bài toán.......................................................... 132 4.4.5. Hiện thực hóa thiết kế ................................................................... 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 139

4

Chương 1

KIẾN THỨC CƠ SỞ

1.1. Các khái niệm chung

1.1.1. Transistor

Transistor là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor là phần tử cơ bản của mọi vi mạch số tích hợp, từ các cổng logic đơn giản AND, OR, NOT... đến các loại phức tạp như các mạch điều khiển ngoại vi, vi điều khiển, vi xử lý... Transistor là khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Do đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng thường được kết hợp thành mạch tích hợp (IC).

Hình 1.1. Transistor

Transistor được làm từ vật liệu bán dẫn (semiconductor), là vật liệu vừa có khả năng dẫn điện vừa có khả năng làm việc như những vật liệu cách điện, khả năng này thay đổi tùy theo kích thích từ bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, trường điện từ, dòng điện. Chất bán dẫn dùng để cấu tạo transistor thường là Germany (Ge) hoặc Silicon (Si) được pha tạp một lượng nhỏ Photpho (P) hoặc Boron (B) với mục đích tăng mật độ electron (kiểu N) tự do hoặc tăng mật độ lỗ trống (kiểu P) tương ứng trong tinh thể bán dẫn. 1.1.2. Vi mạch số tích hợp

Còn được gọi là IC - Intergrated Circuits, chip, là cấu trúc mạch điện được thu nhỏ bằng cách tích hợp chủ yếu từ các transitor với mật độ cao, ngoài ra còn có thể có các linh kiện điện thụ động khác trên một khối bán dẫn mỏng.

Các vi mạch tích hợp đều có một số lượng tín hiệu đầu vào và đầu ra để thực hiện một chức năng cụ thể nào đó.

5

a) b)

Hình 1.2. a) Mô hình Vi mạch số tích hợp b) Vi mạch tích hợp thực tế

Vi mạch tích hợp ra đời từ những năm 1960 và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đã và đang tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử. Ví dụ về vi mạch tích hợp như các IC đa dụng (general purposes IC) họ 7400, 4000, các dòng vi xử lý 80x86 dùng trong máy vi tính, chíp xử lý dùng cho điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, các vi điều khiển dùng trong các thiết bị dân dụng, ti vi, máy giặt, lò vi sóng... Các vi mạch này có mật độ tích hợp từ hàng vài chục đến hàng trăm triệu, và hiện nay đã đến hàng tỷ transistor trong một miếng bán dẫn có kích thước xấp xỉ kích thước đồng xu. Mật độ tích hợp được định nghĩa là tổng số những phần tử tích cực (transistor hoặc cổng logic) chứa trên một đơn vị diện tích của khối tinh thể bán dẫn. Theo mật độ tích hợp chia ra các loại vi mạch sau:

- Vi mạch cỡ nhỏ SSI (Small scale integration), có hàng chục transistor trong một vi mạch.

- Vi mạch cỡ vừa MSI (Medium scale integration), có hàng trăm transistor trong một vi mạch.

- Vi mạch cỡ lớn LSI (Large scale integration), có hàng ngàn đến hàng chục ngàn transistor trong một vi mạch.

- Vi mạch cực lớn VLSI (Very large scale integration), có hàng vạn, hàng triệu, hàng chục triệu transistor và lớn hơn trong một vi mạch, tới thời điểm hiện nay đã xuất hiện nhưng vi mạch có độ tích hợp đến hàng tỷ transitor.

- Vi mạch siêu lớn ULSI (Ultra large scale intergration), vi mạch có độ tích hợp với mức độ hàng triệu transistor trở lên.

1.1.3. Cổng logic

Cổng logic hay logic gate là cấu trúc mạch điện (sơ đồ khối hình ) được lắp ráp từ các linh kiện điện tử để thực hiện chức năng của các hàm logic cơ bản

6

y = f(xn, xn-1,..., x1, x0). Trong đó các tín hiệu vào xn-1, xn-2,..., x1, x0 của mạch tương ứng với các biến logic xn-1, xn-2,..., x1, x0 của hàm . Tín hiệu ra y của mạch tương ứng với hàm logic y. Với các cổng cơ bản thường giá trị n < 4.

Hình 1.3. Mô hình cổng logic cơ bản

Giá trị của các tín hiệu vào và ra chỉ có hai mức là mức thấp (Low - L) và mức cao (High - H) tương ứng với với hai giá trị 0 và 1 của các biến logic và hàm logic.

1.1.3.1. Một số cổng logic cơ bản:

* Cổng logic AND Cổng AND là cổng logic thực hiện chức năng của phép toán nhân logic

với 2 ngõ vào và 1 ngõ ra với ký hiệu như hình vẽ:

Hình 1.4. Cổng logic AND

Phương trình logic mô tả cổng logic AND:

Hình 1.5. Bảng chân lý cổng logic AND

Ngõ ra chỉ bằng mức 1 khi cả 2 ngõ vào bằng 1, ngõ ra bằng 0 khi một trong hai ngõ vào bằng 0.

Cổng AND có thể có nhiều hơn 2 đầu vào. Trên một chip có thể có nhiều cổng AND.

7

* Cổng logic OR Cổng OR là cổng logic thực hiện chức năng của phép toán cộng logic với

2 ngõ vào và 1 ngõ ra với ký hiệu như hình vẽ:

Hình 1.6. Cổng logic OR

Phương trình logic mô tả cổng logic OR:

Hình 1.7. Bảng chân lý cổng logic OR

Ngõ ra chỉ bằng mức 0 khi cả 2 ngõ vào bằng 0, ngõ ra bằng 1 khi một trong hai ngõ vào bằng 1. * Cổng logic NOT

Còn gọi là cổng đảo (Inverter), có hình vẽ như sau:

Hình 1.8. Cổng logic NOT

Bảng chân lý của cổng logic NOT:

Hình 1.9. Bảng chân lý của cổng logic NOT

* Một số cổng logic thường gặp khác như NAND, NOR, EX-OR, EX-NOR...

1.1.3.2. Tham số thời gian của cổng logic: Các mạch logic đều được biểu diễn bằng các hệ hàm logic và do đó có thể

phát biểu là: Mọi mạch logic đều có thể xây dựng từ các cổng logic cơ bản. Đối với các cổng logic cơ bản đó thì có hai tham số thời gian cơ bản:

8

Hình 1.10. Tham số thời gian của cổng NOT Thời gian trễ lan truyền Tpd (Propagation delay) là thời gian tối thiểu kể

từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự thay đổi từ đầu vào X cho tới khi sự thay đổi này tạo ra thay đổi xác định tại đầu ra Y, hay nói một cách khác cho tới khi đầu ra Y ổn định giá trị.

Tcd (Contamination delay) là khoảng thời gian kể từ thời điểm xuất hiện sự thay đổi của đầu vào X cho tới khi đầu ra Y bắt đầu xảy ra sự mất ổn định. Sau giai đoạn mất ổn định hay còn gọi là giai đoạn chuyển tiếp tín hiệu tại đầu ra sẽ thiết lập trạng thái xác định vững bền.

Như vậy Tpd > Tcd và khi nhắc đến độ trễ của cổng thì là chỉ tới giá trị Tpd. 1.1.4. Phần tử nhớ

1.1.4.1. D-Latch và D-Flip Flop Latch và Flip Flop là các phần tử nhớ quan trọng trong thiết kế VLSI, sơ

đồ cấu tạo chi tiết và mô tả đã được trình bày kỹ trong môn học Kỹ thuật số. Ở phần này chỉ nhắc lại những tính chất cơ bản nhất của các Flip Flop và bổ xung thêm các tham số thời gian thực của các phần tử này.

Bảng 1.1. D-Flip Flop và D-Latch

D-Latch là phần tử nhớ làm việc theo mức xung, cụ thể khi tín hiệu Clock bằng 1 thì giá trị Q đầu ra bằng giá trị đầu vào, khi tín hiệu Clock = 0 thì giá trị đầu ra không đổi. Nói một cách khác D-latch làm việc như một cửa đóng mở giữa tín hiệu Q và D tương ứng với mức điện áp của xung Clock.

9

D- Flip Flop là phần tử nhớ làm việc theo sườn xung, có hai dạng sườn là sườn lên (rising edge) khi xung thay đổi từ 0->1 và sườn xuống (falling edge) khi xung thay đổi từ 1->0. Khi không có yêu cầu gì đặc biệt thì Flip Flop làm việc với sườn xung lên thường được sử dụng. Khác với D-Latch giá trị đầu ra của Flip Flop chỉ thay vào thời điểm sườn xung. Với cách làm việc như vậy giá trị đầu ra sẽ không thay đổi trong suốt thời gian một chu kỳ xung nhịp dù cho tín hiệu đầu vào thay đổi. D- Flip-Flop rất hay được dùng trong mạch có nhớ vì vậy đôi khi nói đến phần tử nhớ thường ngầm hiểu là D- Flip Flop.

Hình 1.11. Đồ thị thời gian của D-Flip Flop và D Latch Đối với D-Flip Flop và D-Latch nhớ thì có hai tham số thời gian hết sức

quan trọng là Tsetup, và Thold. Đây là tham số thời gian đối với dữ liệu đầu vào cổng Din để đảm bảo việc truyền dữ liệu sang cổng ra Qout là chính xác, cụ thể đối với Flip Flop.

Tsetup: Là khoảng thời gian cần thiết cần giữ ổn định đầu vào trước sườn tích cực của xung nhịp Clock

Thold: Là khoảng thời gian tối thiểu cần giữ ổn định dữ liệu đầu vào sau sườn tích cực của xung nhịp Clock.

Hình 1.12. Tham số thời gian của D-Flip Flop