(Luận văn) nghiên cứu, thiết kế modul thực hành fpga

-1- Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thân dới hớng dẫn TS Đặng Văn Chuyết Nếu có sai phạm, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Ngời làm cam đoan lu an n va to p ie gh tn NguyÔn ViÕt TuyÕn d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -2- Mơc lơc Trang Lêi cam ®oan Môc lôc Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Lêi nãi ®Çu Chơng 1:Tổng quan mạch logic lập trình đợc lu an 1.1 LịCH Sử PHáT TRIểN CủA VI MạCH Số LậP TRìNH n va 1.2 CÊu tróc cđa thiết bị logic lập trình đợc tn to (Programmable Logic Architecture: PLA) 12 gh 1.3 Những u thiết kế đợc trợ giúp máy p ie tính logic lập tr×nh (Computer-Aided Design w and Programmable Logic) 15 oa nl 1.4 DÃy cổng logic lập trình đợc theo trờng d (FPGA: Field Programmable Gate Array) 18 1.4.1 Giíi thiƯu 18 1.4.2 CÊu tróc cđa FPGA 18 1.4.3 Các kênh kết nối 28 1.4.4 M¹ng kÕt nối tổng thể đệm 31 nf va an lu z at nh oi lm ul Chơng 2: Ngôn ngữ mô tả phÇn cøng VHDL (Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description z Language) 33 @ gm 2.1 Më ®Çu 33 co l 2.1.1 Giíi thiƯu 33 2.1.2 Các thuật ngữ VHDL 36 m 2.2 CÊu trúc chơng trình VHDL 37 an Lu 2.3 Các đơn vị thiết kế VHDL 38 n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -3- 2.3.1.Gãi (Package) 38 2.3.2 Thùc thÓ (Entity) 40 2.3.3.KiÕn tróc (Architecture) 40 2.3.4.CÊu h×nh (Configuration) .42 2.4 Các kiểu liệu VHDL 43 2.4.1 Các đối tợng liệu 43 2.4.2 Các kiểu liệu 45 lu 2.5 Toán tử biểu thức 45 2.5.1 C¸c to¸n tö 46 2.5.2 Các toán hạng 46 an n va p ie gh tn to 2.6 Các lệnh tuần tù VHDL 47 2.6.1.Câu lệnh gán biến 47 2.6.2.Câu lệnh gán tín hiÖu 47 2.6.3 C©u lƯnh if 48 2.6.4 C©u lÖnh Case 48 2.6.5 Các lệnh vòng lặp 49 2.6.6 C©u lÖnh Null 50 w d oa nl 2.7 C¸c lƯnh song song VHDL 51 2.7.1 Các trình Process 51 2.7.2 C¸c phÐp g¸n tÝn hiƯu song song 52 2.7.3 PhÐp g¸n tÝn hiƯu cã ®iỊu kiƯn 53 2.7.4 PhÐp g¸n theo lùa chän 55 2.7.5 Khèi 56 2.7.6 Gọi chơng trình song song 57 nf va an lu z at nh oi lm ul 2.7 Chơng trình 58 z Ch¬ng 3: ThiÕt kÕ modul Thùc hµnh FPGA sư dơng FPGA @ gm XC2S100-5PQ144C cña Xilinx 60 l 3.1 Tr×nh tù thiÕt kÕ víi FPGA 60 m co 3.2 ThiÕt kÕ modul thùc hµnh FPGA 61 3.2.1 Mơc ®Ých yêu cầu modul 61 3.2.2 Sơ đồ khối đặc điểm c¸c khèi 62 an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -4- 3.2.3 Những công cụ sử dụng thiÕt kÕ modul 64 3.2.4 ThiÕt kế khối chức modul 65 3.3.Thiết kế mẫu mạch giải mà bàn phím chạy thử modul 73 3.3.1 Thiết kế chơng trình VHDL 74 3.3.2.Tỉng hỵp thiÕt kÕ 89 3.3.3 Đặt ch©n cho FPGA 90 3.3.4.Tạo chuỗi bit 90 3.3.5 N¹p FPGA chạy thử 91 lu KÕt luËn 92 an Tài liệu tham khảo 93 n va p ie gh tn to Phụ lục 1: Chơng trình nguồn khối tạo tín hiệu đầu vào Phụ lục 2: Chơng trình VHDL mô tả đếm d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -5- Danh mục ký hiệu, chữ viết t¾t lu an n va TiÕng Anh Intergrated Fuse Logic Medium Scale Integrated Printed Circuit Board Advance Micro Devices Application Specific Integrated Circuit Automated Map and Zap Equations Complex Programmable Logic Devices Complex Programmable Logic Devices Computer Aided Design Configurable Logic Blocks Erasable Application Specific IC Field Programmable Gate Array Generic Array Logic Global Initialization Signal Hardware Description Languages Input/Output Blocks Logic Call Array Programmable Array Logic Programmable Logic Device Programmable Macro Logic Simple Programmable Logic Devices Small Scale Integrated Universal Compiler for Programmable B p ie gh tn to Ký hiƯu viÕt t¾t IFL MSI PCB AMD ASIC AMAZE CPLD CPLD CAD CLBs ERASIC FPGA GAL GSR HDL IOBs LCA PAL PLA PML SPLD SSI CUPL d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul VHDL Very High Speed Intergrated Circuit z i i m co l gm @ d an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -6- Danh mục hình vẽ lu an n va Tên hình Hình1.1 Hình1.2 Hình1.3 Hình1.4 Hình1.5 H×nh1.6 H×nh1.7 H×nh1.8 H×nh1.9 H×nh1.10 H×nh1.11 H×nh1.12 H×nh 2.1 H×nh 2.2 H×nh 3.1 H×nh 3.2 H×nh 3.3 H×nh 3.4 H×nh 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Mạch PLA Mạch PAL Mạch SPLD Bảng LUT đầu vào Qui trình thiết kế xây dựng mạch số Cấu trúc chung FPGA Một CLB điển hình FPGA dòng Spartan Bộ tạo hàm đầu vào Sơ đồ khối chức Flip-Flop CLB Ghép nối tín hịêu điều khiển Sơ đồ khối IOB Sơ đồ khối chức IOB Cấu trúc chung chơng trình VHDL Quan hệ đơn vị thiết kế Trình tự thiết kế với FPGA Sơ đồ khối modul Kit XSA- 100 Giao tiếp FPGA máy tính thông qua cổng LPT Giao diện chơng trình tạo tín hiệu đầu vào cho mạch tổ hợp Giao diện chơng trình tạo tín hiệu cho khối giải mà bàn phím Giao diện chơng trình tạo tín hiệu điều khiển đếm Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Sơ đồ nguyên lý nodul p ie gh tn to Hình d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z @ Hình ảnh thật modul Sơ đồ khối mạch giải mà bàn phím Tổng hợp logic Sơ đồ nguyên lý chọn tần số Đặt chân cho FPGA m co l an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 gm H×nh 3.10 H×nh 3.11 H×nh 3.12 H×nh 3.13 H×nh 3.14 ac th si -7- Lời nói đầu Trong năm gần công nghệ điện tử đà phát triển nhảy vọt Các loại IC LSI, VLSI với khả tích hợp tới hàng triệu Transistor đà đời với nhiều ứng dụng khác Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Tự động hoá không ngừng đáp ứng nhu cầu xà hội Một lu công nghệ đợc đời, có thĨ thay thÕ cho c¸c hƯ thèng sè tríc an n va đòi hỏi nhiều thời gian chi phí cho nghiên cứu chế tạo, vực sản phẩm FPGA (Field Programmable Gate Array) CPLD gh tn to công nghệ ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Dẫn đầu lĩnh p ie (Complex Programmable Logic Devices) Sư dơng FPGA hc CPLD cã thĨ tối thiểu hóa đợc nhiều công đoạn thiết kế, lắp ráp hầu hết đợc thực oa nl w máy tính Các ngôn ngữ mô phần cứng (HDL: Hardware Description Languages) nh ABEL, VHDL, Verilog, Schematic cho phép d an lu thiết kế mô hoạt động mạch chơng trình Các chơng nf va trình mô cho phép xác định lỗi thiết kế cách dễ dàng kết lm ul thực chơng trình file bit cấu hình (bitstream) để nạp (download) vào FPGA CPLD để hoạt động giống nh mạch logic z at nh oi Các FPGA CPLD với khả tích hợp cao tới hàng triệu gate cấu trúc mạch tối u hoá mật độ tích hợp, hiệu suất cao cho phÐp xư lý nhanh sè liƯu, z ®é tin cËy chất lợng cao, dễ sử dụng đợc ứng dụng đa dạng gm @ nhiều loại thiết bị điện tử co l Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp đợc hớng dẫn, giúp đỡ m Tiến sỹ Đặng Văn Chuyết, mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu công nghệ an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -8- FPGA vµ thiÕt kÕ modul thùc hành FPGA để phục vụ công tác giảng dạy trờng Cao đẳng Công nghiệp Hà nội Nội dung luận văn bao gồm chơng, đó: Chơng 1: Tổng quan mạch logic lập trình đợc công nghệ FPGA Chơng 2: Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL Chơng 3: Thiết kế modul thực hành FPGA sử dụng FPGA XC2S100 Xilinx Cuối luận văn phụ lục: lu an Phụ lục 1: Chơng trình nguồn tạo tín hiệu đầu vào đợc viết n va Visual Basic 6.0 Do thời gian khả có hạn nên luận văn thiếu sót, tác ie gh tn to Phụ lục 2: Chơng trình VHDL mô tả đếm p giả mong nhận đợc ý kiến đóng góp thầy giáo, cô giáo w oa nl Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005 d Ngời viết luận văn nf va an lu z at nh oi lm ul NguyÔn ViÕt TuyÕn z m co l gm @ an Lu n va NguyÔn ViÕt TuyÕn XLTT – TT 2003 ac th si -9- Chơng1 Tổng quan mạch logic lập trình đợc công nghệ FPGA 1.1 LịCH Sử PHáT TRIểN CủA VI MạCH Số LậP TRìNH lu Trớc thời kỳ vi mạch số lập trình PLD (Programmable Logic Device) an n va ®êi, thiÕt kÕ logic số truyền thống bao gồm nhiều vi mạch TTL(Transistor Integrated) kết hợp lại để tạo hàm logic mong muốn Những nhà thiết gh tn to Transistor Logic) loại MSI (Medium Scale Integrated) SSI (Small Scale p ie kế dựa vào sách tra cứu vi mạch số để tìm hiểu thông số kỹ thuật, sau định sử dụng vi mạch số cần thiết cho yêu cầu oa nl w thiết kế họ Điều bất lợi việc thiết kÕ nµy lµ mét board sư dơng nhiỊu vi mạch, sửa chữa gặp nhiều khó khăn d an lu Vào năm 1975, công ty SIGNETICS đà giới thiệu vi mạch số lập trình nf va nhớ 82S100 (hiện PLS100) gọi mảng logic lập lm ul trình trờng (Field-Programmable Logic Array) Napoleon Cavlan đợc coi z at nh oi cha đẻ mạch logic lập trình, lúc nhà quản lý ứng dụng PLA cđa Signetics ®· thùc sù hiĨu r»ng sư dơng PLA phơng pháp tốt để thiết kế thay ®ỉi hƯ thèng sè Trong ®ã, c«ng ty Harris đà sớm giới z thiệu PROM, họ trình bày triển vọng PROM đà ứng dụng vào l gm @ số mạch logic Công ty National Semiconductor đà chế tạo mặt nạ lập trình cho PLA co m (Programmable Logic Array), cÊu t¹o cđa nã gåm mảng AND lập trình an Lu kèm với mảng OR lập trình, cho phép thực tổ hợp tổng c¸c tÝch sè cđa n va Ngun ViÕt Tun XLTT TT 2003 ac th si -10- hàm logic tiêu chuẩn Bằng cách kết hợp công nghệ PROM sử dụng nguyên tắc cầu chì với khái niệm PLA, Cavian đà thuyết phục đợc nhà quản lý công ty Signetics để đa dự án PLAvào sản xuất Vi mạch PLA 82S100, thành viên họ vi mạch IFL (Intergrated Fuse Logic) có hình dạng 28 chân Cấu trúc PLA gồm mảng AND lập trình mảng OR lập trình, cho phép thực tổ hợp logic tổng tích số đơn giản Vào năm 1977 Signetics giới thiệu họ vi m¹ch FPGA (Field lu Programmable Gate Array) 82S103 Hä FPGA có cấu tạo mảng AND an mức đơn với ngõ vào lập trình đợc cực tính ngâ cịng vËy cho phÐp thùc va n hiƯn hàm logic (AND, OR, NAND, NOR, INVERT), cÊu tróc cđa tn to hä FPLS cã chøc c¸c FlipFlop để thực trạng thái hàm tuần tù ie gh §ång thêi Signetics cịng giíi thiƯu AMAZE (Automated Map and Zap p Equations) chơng trình biên dịch để hổ trợ cho vi mạch họ nl w Tơng tự, công ty chế tạo PLD khác đà lần lợc giới thiệu phần d oa mềm hỗ trợ họ an lu Tuy thế, kĩ thuật logic lập trình tiếp tục cải tiến vi mạch phát nf va triển giai đoạn thứ hai đợc giới thiệu vào năm 1983 Công ty AMD (Advance Micro Devices) đà giới thiệu PAL22V10 với đặc điểm đặc lm ul biệt linh động cổng PLD 10 ngõ vào Mỗi cổng PLD có khả z at nh oi tổ hợp hc víi ghi ë ngâ hc mét ngâ vào Cổng đệm ngõ ba trạng thái đợc điều khiển tích số riêng cho phép vận hành hai z chiều Tất ghi đợc reset tự động trình tắt hay mở @ l tra sau gm ghi có khả đặt trớc, đặc điểm đặc biệt cho việc kiểm m co Với vi mạch mới, đợc giới thiệu thờng xuyên thị trờng đà an Lu dẫn đến việc cần thiết phải có phần mềm hỗ trợ trình sử dụng PLD để đạt hiệu cao Vào tháng 9/1983, Công ty Assisted Technology ®· n va Ngun ViÕt Tun XLTT – TT 2003 ac th si -79- nst h