Thiết kế module xử lý trong thiết bị vô tuyến cấu hình mềm dựa trên công nghệ FPGA

Mục đích của đồ án nhằm tìm hiểu, nắm bắt công nghệ của thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm, tìm hiểu và nắm được cách thiết kế một lõi vi điều khiển trong FPGA, từ đó kết hợp với các công cụ thiết kế và các thư viện sẵn có để tạo ra một lõi vi điều khiển đa năng có thể phát triển ứng dụng vào trong thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm. Nội dung đồ án gồm 4 chương:Chương 1: Nghiên cứu về thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm, phân tích những ưu nhược điểm so với các thiết bị vô tuyến truyền thống. Đồng thời chương này còn đi vào tìm hiểu một số giải pháp cho module xử lý trong thiết bị vô tuyến cấu hình mềm hiện nay.Chương 2: Tìm hiểu về cấu trúc phần cứng của các bộ xử lý đa năng làm cơ sở cho việc thiết kế.Chương 3: Giới thiệu về công nghệ, cách thiết kế trên FPGA. Khái quát đặc điểm một số ngôn ngữ lập trình phần cứng.Chương 4: Mô tả kiến trúc, các thành phần của lõi thiết kế. Kết quả mô phỏng và kết quả thực hiện trên bo mạch.

LỜI NÓI ĐẦU

Vô tuyến cấu hình mềm là một lĩnh vực mới cho công nghiệp máy vô

tuyến Với lợi ích đem lại nó bắt đầu được áp dụng trong những sản phẩmthương mại và quân sự Những đề xuất khả năng công nghệ đã cách mạnghoá việc thiết kế, sản xuất, triển khai và sử dụng những đường vô tuyến

Vô tuyến có cấu hình mềm bảo đảm tăng tính linh hoạt, mở rộng giới hạnphần cứng, chi phí thấp hơn và rút ngắn thời gian đưa ra thị trường

Với những thành tựu vượt bậc trong công nghệ vi điện tử một số hãng

đã cho ra đời các bộ vi điều khiển có khả năng thực hiện những thuật toán

xử lý tín phức tạp, tốc độ cao Sự ra đời của các bộ xử lý tín hiệu đã đem lạimột bước phát triển có tính nhảy vọt trong nhiều lĩnh vực: ra đa, vô tuyến,máy tính điện tử… Hiện nay với nhu cầu chuyên dụng hoá, tối ưu (thờigian, không gian, giá thành), bảo mật… ngày càng đồi hỏi khắt khe nênviệc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứngnhững yêu cầu trên là cần thiết và mang tính thực tế cao Và trên cơ sở pháttriển từ các PLA công nghệ FPGA đã ra đời Hiện nay công nghệ FPGA đãđược ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm, và nó

đã thay thế được cho một số lượng rất lớn các mạch trong thiết bị vô tuyến

so với trước đây: mạch lọc số, mạch điều chế và giải điều chế… và đặcbiệt là các lõi vi xử lý Điều đó cho phép những lợi ích rất lớn đặc biệt làtrong lĩnh vực quân sự: kích thước trọng lượng của thiết bị nhỏ, năng lượngtiêu tốn ít, dễ dàng cho nâng cấp, thay thế …

Mặc dù công nghệ FPGA đã xuất hiện nhưng đối với nước ta nó vẫncòn mới, do vậy việc làm chủ công nghệ FPGA là cần thiết Nó không chỉ

có ý nghĩa đối với các lĩnh vực điện tử viễn thông, công nghệ thông tin màcon có ý nghĩa đối với an ninh quốc phòng Làm chủ công nghệ FPGA sẽcho ta thiết kế những vi mạch riêng, những bộ xử lý riêng với tính mềm

dẻo cao và giá thành thấp.

Với lý do trên, tôi thực hiện chọn đề tài của đồ án tôt ngiệp là: “Thiết

kế module xử lý trong thiết bị vô tuyến cấu hình mềm dựa trên công nghệ FPGA” Mục đích của đồ án nhằm tìm hiểu, nắm bắt công nghệ của

thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm, tìm hiểu và nắm được cách thiết kế mộtlõi vi điều khiển trong FPGA, từ đó kết hợp với các công cụ thiết kế và cácthư viện sẵn có để tạo ra một lõi vi điều khiển đa năng có thể phát triển ứngdụng vào trong thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm Nội dung đồ án gồm 4chương:

Chương 1: Nghiên cứu về thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm, phântích những ưu nhược điểm so với các thiết bị vô tuyến truyền thống Đồngthời chương này còn đi vào tìm hiểu một số giải pháp cho module xử lýtrong thiết bị vô tuyến cấu hình mềm hiện nay

Chương 2: Tìm hiểu về cấu trúc phần cứng của các bộ xử lý đa nănglàm cơ sở cho việc thiết kế

Chương 3: Giới thiệu về công nghệ, cách thiết kế trên FPGA Kháiquát đặc điểm một số ngôn ngữ lập trình phần cứng

Chương 4: Mô tả kiến trúc, các thành phần của lõi thiết kế Kết quả

mô phỏng và kết quả thực hiện trên bo mạch

Do kinh nhiệm thực tế còn hạn chế nên nội dung của đồ án khôngtránh khỏi những thiếu xót Tôi rất mong sự góp ý, chỉ bảo của các thầygiáo và các bạn để sản phẩm của đồ án ngày càng hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM

Hệ thống vô tuyến cấu hình mềm Software Defined Radio (SDR) là

một lĩnh vực mới cho công nghiệp máy vô tuyến Với nhiều lợi ích đem lạicho thiết bị vô tuyến nên nó bắt đầu được áp dụng trong những sản phẩmthương mại và quân sự Những đề xuất khả năng công nghệ đã cách mạnghoá việc thiết kế, sản xuất, triển khai và sử dụng những đường vô tuyến.SDR bảo đảm tăng tính linh hoạt, mở rộng giới hạn phần cứng, chi phí thấphơn và rút ngắn thời gian đưa ra thị trường

Khái niệm vô tuyến cấu hình mềm được Joe Mitola đưa ra những năm

90 của thế kỉ 20 Tên gọi ban đầu của nó là “Software Radio” và ngoài ra

còn có tên gọi khác như “Re-programmable radios” hay “Re-configurable

radios” tức là thiết bị vô tuyến có thể tái cấu hình hay tái lập trình.

1.1 Tìm hiểu vô tuyến cấu hình mềm

1.1.1 Mở đầu về SDR

Thế kỉ 20 đã chứng kiến sự bùng nổ của vô tuyến cấu hình cứng như

là một phương tiện liên lạc cho tất cả các dạng thông tin âm thanh, hình ảnhtruyền qua một khoảng cách dài Phần lớn các máy vô tuyến cấu hình cứng

có rất ít hoặc không có sự điều khiển bằng phần mềm; chúng được cố định

về chức năng cho phần lớn các dịch vụ người sử dụng Chúng có tuổi thọngắn và được thiết kế có thể được loại bỏ và thay thế Với thiết bị vô tuyếncấu hình xác định (cấu hình cứng) thì chúng được tạo ra cho các chức năngxác định, công tác ở một số chế độ, dạng cụ thể, trong các điểu kiện cụ thểnào đó Thời gian sử dụng của chúng theo đó cũng sẽ ngắn hơn do các linhkiện sử dụng sẽ hết tuổi thọ, do yêu cầu sử dụng thay đổi nhanh chóng màphần cứng chưa thể thay đổi kịp theo Chính vì lí do đó mà hiện nay các

thiết bị thông tin đang được nghiên cứu thay thế để khắc phục các nhượcđiểm này.

Phiên bản đầu tiên của hệ thống vô tuyến cấu hình mềm được dùng

cho các ứng dụng quân sự Đó là hệ thống JSTR (Joint Tactacial Radio

Systems): Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung của Bộ Quốc phòng Mỹ.

Các nhà chỉ huy quân đội cần có một hệ thống thông tin thông minh hơn,hoạt động đa dạng không chỉ ở một tần số, chế độ công tác khác nhau màcòn phải có mức độ an toàn cao hơn Thiết bị vô tuyến đó cần phải đượcthiết kế để có thể sử dụng linh hoạt trong các điều kiện khác nhau, ở cácquốc gia khác nhau với các tiêu chuẩn không đồng nhất Chúng có thể kếtnối với các mạng thông tin cơ bản tại quốc gia mà đội quân đó đang triểnkhai để tối ưu hoá việc kết nối Chương trình đó đã có kết quả đầu tiên đó

là sự ra đời của một hệ thống thiết bị vô tuyến chung Hệ thống JSTR đầutiên được thiết kế tương thích với 33 tiêu chuẩn và ngay sau đó là hơn 40tiêu chuẩn truyền thông khác nhau Sau thành công của ứng dụng trongquân sự thì các nhà sản xuất thiết bị, các công ty thương mại thấy đó là mộtlĩnh vực mới có thể mang lại lợi nhuận cao hơn nên đầu tư nghiên cứu pháttriển các ứng dụng dân sự của SDR

Vô tuyến điều khiển bằng phần mềm Các máy vô tuyến loại nàyđược xây dựng sử dụng kỹ thuật bán dẫn số hiện đại Mạch tích hợp bêntrong các máy vô tuyến điều khiển bằng phần mềm cho phép kiểm soát giớihạn các chức năng được thể hiện bằng phần mềm Ví dụ các chức năngkiểm soát bao gồm lập trình lại tần số, thay đổi các khoá mật, các phím vàchuyển mạch có thể lập trình được Tuy nhiên, các vô tuyến loại này khôngthể thay đổi các dạng điều chế hoặc băng tần hoạt động Hầu hết các máy

vô tuyến hiện đại ngày nay có thể được phân loại như là các máy vô tuyếnđược điều khiển bằng phần mềm

SDR là một giao diện vô tuyến trong đó nhiều chuẩn mực thông tin vôtuyến được tích hợp lên một hệ thống thiết bị thu phát đơn lẻ Trong mộtSDR, phần lớn các khối chức năng bao gồm các khối xử lí tín hiệu tần số

vô tuyến được thực hiện bằng một module phần mềm và một khối xử lí tốc

độ cao Bằng cách này, một cấu trúc phần cứng có thể hỗ trợ đa chuẩn mựcliên lạc vô tuyến mà không phải thay thế phần cứng Trong SDR, xử lítrung tần số là cần thiết vì rất khó cho các mạch tương tự xử lí trung tần hỗtrợ tất cả các chuẩn mực cho các thiết bị vô tuyến khác nhau Trước cácyêu cầu về đa mục đích sử dụng của các thiết bị hiện nay và nhu cầu nângcấp thiết bị đơn giản thì SDR là một sự đáp ứng tốt nhất

Vô tuyến cấu hình mềm nhìn chung liên quan tới một máy vô tuyến

mà sự linh hoạt của nó nhận được thông qua phần mềm trong khi sử dụngnền tảng phần cứng tĩnh Mặt khác, một vô tuyến mềm bao hàm một vôtuyến cấu hình hoàn toàn mà có thể được lập trình bằng phần mềm để táicấu hình phần cứng vật lí Nói cách khác, cùng một loại phần cứng có thểđược thay đổi để biểu diễn các chức năng khác nhau tại các thời điểm khácnhau, cho phép phần cứng phù hợp với những ứng dụng SDR khác với vôtuyến được điều khiển bằng phần mềm là các chip DSP được sử dụng đểtạo ra rất nhiều các kiểu điều chế, các bộ lọc, và các giao diện không gian.SDR sử dụng thiết bị số có khả năng lập trình được, thực hiện xử lý tín hiệucần thiết để truyền và nhận thông tin băng gốc tại tần số vô tuyến Những

thiết bị như là bộ xử lý tín hiệu số DSP, các FPGA sử dụng phần mềm cung

cấp cho chúng chức năng xử lý tín hiệu được yêu cầu Những đề xuất côngnghệ mềm dẻo hơn và sản phẩm được sử dụng dài hơn, hệ thống vô tuyến

có thể được nâng cấp rất có hiệu quả về chi phí với phần mềm Như vậy ta

có thể chỉ ra một số lợi ích của vô tuyến cấu hình mềm như sau:

+ Đa chức năng

+ Tính gọn nhẹ và hiệu quả năng lượng

+ Đơn giản trong sản xuất

+ Nâng cấp đơn giản

Một thách thức cho SDR là sự tương thích giữa tính hiệu quả củanhững giải pháp phần cứng và sự linh hoạt của phần mềm có thể đưa ra.Tính hiệu quả có thể được đo bởi hiệu quả của bit tin, năng lượng tiêu thụcho 1 bit, lượng vật lý tiêu thụ trên một bit thông tin Tuy người sử dụng sẽkhông cần biết công nghệ nằm bên trong hệ thống vô tuyến nhưng lại mongmuốn hiệu quả cao hơn, linh hoạt hơn, và trí tuệ hơn Trong khi đó, việcchế tạo phát triển những ứng dụng của vô tuyến cấu hình mềm được bảođảm bởi máy tính, phần cứng xử lý tín hiệu và hoàn tất việc phát triển trongmột môi trường thống nhất sử dụng một ngôn ngữ bậc cao

Một máy vô tuyến mà có một bộ vi xử lý hoặc bộ xử lí tín hiệu sốkhông nhất thiết là một máy vô tuyến phần mềm Tuy nhiên, một máy vôtuyến cấu hình mềm có bộ điều chế, bộ sửa lỗi, bộ mã hoá được kiểm soát

và có thể được lập trình lại Định nghĩa tốt nhất về vô tuyến cấu hình mềm

đó là một máy vô tuyến mà được định nghĩa một cách đầy đủ bằng phầnmềm và hành vi lớp vật lí của nó có thể biến đổi một cách sâu sắc thôngqua thay đổi phần mềm của nó Mức độ tái cấu hình được xác định bởi một

sự tương tác phức tạp giữa số lượng các thành phần chung trong kiến trúc

vô tuyến, bao gồm sự xây dựng các hệ thống, các hệ số kiểu anten, chế độđiện RF, xử lí băng gốc, tốc độ, mức độ tái cấu hình của phần cứng

Thiết bị SDR cho phép người sử dụng thay đổi các đặc tính thu phátnhư là kiểu điều chế, sự hoạt động băng rộng và băng hẹp, công suất phát

xạ, và các giao diện không khí bằng thay đổi phần mềm mà không cần thaythế bất cứ phần cứng nào Các thiết bị truyền thống được dựa trên phần

cứng chuyên môn hoá như là Transistor và các mạch tích hợp Trong cácthiết bị vô tuyến hiện đại hơn, các chip xử lí tín hiệu số được sử dụng đểbiến đổi tương tự thành số và số thành tương tự của máy phát vô tuyến.Một bộ xử lí tín hiệu số thời gian thực có thể thay đổi chức năng của nóbằng cách thực thi các thuật toán phần mềm khác nhau.

Những tiến bộ gần đây trong thiết kế và sản xuất chip sẽ cho phép cácchip xử lý tín hiệu tiến bộ hơn có khả năng hỗ trợ đa chức năng Điều này

là do sự phát triển liên tục trong các kĩ thuật chế tạo để tạo thành các thànhphần chip có kích thước cực nhỏ, do đó tạo ra các chip tích hợp nhiều chứcnăng hơn Các thiết bị SDR sẽ tận dụng những tiến bộ của các chip tiên tiếnnày để có thể thực hiện đa chức năng

Sự phát tiển bùng nổ gần đây nhất của thông tin vô tuyến được gây rabởi điện thoại di động tế bào và một nhân tố chủ yếu là sự đầu tư vào SDR.Thế kỷ 21 nhận thấy chắc chắn sự phát triển của thông tin vô tuyến và vaitrò của vô tuyến cấu hình mềm tăng lên đáng kể

1.1.2 Kiến trúc hệ thống vô tuyến cấu hình cứng truyền thống

Để đánh giá về vô tuyến cấu hình mềm đầu tiên ta xem xét kiến trúc

vô tuyến phần cứng truyền thống

Các máy vô tuyến loại này rất nặng nề nhưng bền Tất cả các thànhphần của máy đều là phần cứng Các phím, số, và chuyển mạch là phươngtiện duy nhất cho người sử dụng thao tác với máy Bất kì một sự thay đổinào trong tần số hoạt động đòi hỏi sự thay thế vật lí, các thạch anh xác địnhtần số hoạt động của máy vô tuyến Thiết kế này có từ khoảng năm 1930

và phần lớn mỗi gia đình đều có một máy thu siêu ngoại sai nào đó (radiophát thanh, truyền hình…) Hình 1.1 minh hoạ một máy thu phát chuyểnđổi tần số

Hình 1.1: Kiến trúc hệ thống vô tuyến truyền thống

Tại một máy thu tần số thu từ anten được chuyển xuống tần số trunggian bởi bộ trộn hoặc nhân tín hiệu đầu vào với một bộ dao động nội đầutiên, LO1 Tín hiệu tần số trung gian được lọc và sau đó được trộn xuốngbăng tần cơ bản bởi bộ dao động thứ 2, LO2 Tín hiệu điều chế băng gốcđược giải điều chế để thu được thông tin và quá trình biến đổi ngược vớimáy phát Số giai đoạn chuyển đổi phụ thuộc vào tần số làm việc RF vàtheo lý thuyết có thể thêm giai đoạn đẩy tần số lên cao nằm ngoài dải tầnlàm việc Máy thu vô tuyến đổi tần tương tự đã trải qua một giai đoạn rấtthành công Nó được sử dụng nhiều trong thiết bị vô tuyến và sẽ được kéodài cho đến những năm tới đây

1.1.3 Những kiến trúc SDR

SDR là một dạng của bộ phận thu phát trong đó những thao tác của nóđược xác định sử dụng linh hoạt Cấu hình phần cứng đa dạng được điềukhiển bởi phần mềm Điều này thường được đề cập dưới dạng những bộ xử

lý tín hiệu băng gốc, tuy nhiên các FPGA, ASIC (chứa phần tử lập trìnhđược ví dụ như một bộ xử lý nhúng), những mảng xử lý song song đồ sộ vànhững kỹ thuật khác luôn được thêm vào Dù không cần thật chính xác đểđược gọi là cấu hình phần mềm thì loại vô tuyến này thường được giả thiếtchung là dải rộng

Khái niệm thiết bị đầu cuối nhiều băng hay toàn bộ, nói một cách

chính xác một mở rộng của khái niệm SDR cơ bản vào trong một thiết bị

vô tuyến có kiến trúc linh động dải rộng Cách hoạt động không phụ thuộcvào phạm vi nhiều băng, khả năng thích nghi và cơ bản lập trình lại được.Với một thiết bị thông tin làm việc với nhiều sóng mang và vì lý do đó việc

mở rộng nguyên lý này tới SDR là một tất yếu

1 Kiến trúc vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng

SDR lí tưởng khác SDR là tất cả các thành phần trong máy vô tuyếnđều được thể hiện bằng phần mềm Nó được mong chờ sẽ có được sự cảithiện sâu sắc về chất lượng của toàn bộ hệ thống liên quan tới các thế hệSDR đầu tiên Kiến trúc vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng được chỉ ra ởhình 1.2 bao gồm một hệ thống số và một hệ thống tương tự đơn giản

Hinh1.2: Vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng

Những chức năng tương tự không thể thực hiện được bằng số như làAnten, bộ lọc RF, bộ phối hợp RF, khuếch đại tuyến thu, khuếch đại côngsuất tuyến phát và tạo tần số chuẩn mà thường dẫn tới làm cho thiết kếcồng kềnh, nhiều anten, và phức tạp trong kiến trúc

Việc tách sóng mang và chuyển đổi tần số thành băng gốc được thựchiện bởi phần xử lý số Tương tự, chức năng mã kênh và điều chế được

thực hiện số hoá tại băng tần cơ sở bởi những nguồn xử lý chung.

Phần mềm cho kiến trúc lý tưởng được phân lớp vì thế phần cứngđược tách ra hoàn toàn khỏi phần mềm ứng dụng Một tầng trung gian đạtđược chức năng bao phủ các đối tượng phần cứng và cung cấp các dịch vụcho phép những đối tượng liên lạc được với nhau thông qua một giao diệnchuẩn Phần trung gian bao gồm hệ thống vận hành, những driver phầncứng, sự quản lý tài nguyên và ngoài ra còn phần mềm ứng dụng khôngchuyên biệt Sự kết hợp của phần cứng và phần trung gian thường được gọi

là một khung Những thiết kế SDR tương lai và những khung áp dụng mộtAPI (Application Programming Interface) mở vào phần trung gian sẽ làmcho việc phát triển những ứng dụng nhẹ nhàng hơn, nhanh hơn và rẻ hơn.Những nhà phát triển ứng dụng sẽ được giải phóng khỏi những cách thiết

kế để lập trình cho phần cứng bậc thấp cho phép tập trung xây dựng đượcmột số những ứng dụng phức tạp và mạnh hơn

Kiến trúc lý tưởng áp dụng tốt cho dịch vụ có tốc độ dữ liệu thấp: vôtuyến HF và VHF Kiến trúc lý tưởng có tác dụng như một điểm so sánhđịnh hướng hoạt động cho sự phát triển phần cứng và phần trung trongtương lai

Phần này có tác dụng đưa ra mối liên hệ giữa hệ thống vô tuyến cấuhình cứng và SDR lý tưởng và tìm ra những cách mà cấu trúc chức năng cóthể thi công được vẽ trên sơ đồ phần cứng thực tế sẵn có

2 Kiến trúc SDR cơ bản

Với một kiến trúc của DSP lý tưởng tất cả thao tác vô tuyến từ antentới giao diện thông tin được thực hiện và được chương trình hoá bởi mộtngôn ngữ phần mềm bậc cao hơn Sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số,các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự

phát triển của các hệ thống SDR thực tế Khả năng xử lí, tốc độ của hệthống được nâng lên trong khi giảm nhỏ rất nhiều kích thước và khối lượngcủa thiết bị do các linh kiện có độ tích hợp cao Phần mềm hệ thống nằmriêng ra thành một phân hệ con có chức năng xử lí tín hiệu chung từ phầnbăng gốc Sau đó qua chuyển đổi từ dạng số sang dạng tương tự - DACsang phần chức năng của phần cứng.

Sơ đồ khối chức năng được thiên về phía hệ thống đa sóng mang tuynhiên những nguyên lý và chức năng chính giống như một thiết bị đầu cuốimột sóng mang

Kiến trúc trong hình 1.3 được đưa vào trong một hệ thống con có cấuhình cứng và một hệ thống con có cấu hình mềm

Hình1.3: Cấu trúc đơn giản của máy thu phát SDR

Những chi tiết hệ thống con cấu hình cứng có một vài thành phần vật

lý mức thấp (khuếch đại công suất, biến đổi tương tự-số…) trong khi hệthống con mềm có chức năng thuần tuý và không chứa dấu hiệu của nhữngthiết bị vật lý hoặc những phân chia mức thấp

Phần cứng có kiến trúc cơ bản với đầu vào tần số vô tuyến băng rộng

là một hệ thống con đầy đủ Sự khác nhau chính của nó là đầu vào hệ thống

vô tuyến là khả năng băng rộng của nó, thiết kế để thay thế những máy thutương tự băng hẹp hay những chuỗi chuyển đổi tần số truyền

Thay vì việc chuyển đổi những sóng mang riêng lẻ tới băng gốc trướckhi kết thúc băng rộng ở đây thực hiện chuyển đổi hay dịch một đoạn củaphổ tần tới tần số trung gian thích hợp

Hệ thống số có cấu hình mềm bao gồm bộ chuyển đổi tần số số và bộ

xử lý băng gốc Để nhận được tín hiệu đa sóng mang băng rộng thì mỗi tần

số được chuyển xuống cho bộ xử lý Những bộ biến đổi xuống cô lập sóngmang và chuyển đổi nó thành băng gốc trực giao Sự tạo thành những tínhiệu cùng pha I và vuông pha Q, giả thiết rằng thực hiện một sơ đồ điềuchế số vuông pha được sử dụng để tạo ra những tín hiệu có biên độ khôngđổi Để giảm công suất đỉnh trên công suất trung bình hoặc tăng độ rộngbăng thông hiệu dụng nhờ truyền nhiều bit hơn trên 1 Hz

Chức năng chuyển đổi tần số đạt được bởi số bộ dao động được điềukhiển, những bộ nhân, khả năng lọc và loại bỏ những thành phần tự thêmvào Hệ thống con có cấu hình mềm có dữ liệu được điều khiển, vì tần số

và thời gian nhận được được suy ra từ những mẫu sinh ra bởi những bộbiến đổi tương tự tành số và từ số thành tương tự

Một đặc tính quan trọng trong thông tin số là tốc độ lấy mẫu cần thiết

là một số nguyên của tốc độ Symbol điều chế vì vậy máy thu và máy phát

có thể đảm bao sự đồng bộ Nếu SDR hỗ trợ đa sóng mang và nhiều tốc độSymbol với những bộ dao động nội cố định hiển nhiên rằng chu kỳ lấy mẫu

sẽ không trùng với số nguyên chu kỳ tín hiệu

Những chức năng sai động là những biến đổi thuận nghịch nhữngchức năng có được ở nơi thông tin là băng gốc như mã hoá tiến nói, mã

kênh, điều chế, chuyển đổi số thành tương tự, khuếch đại công suất trướckhi phát đi Chức năng DSUM như hình 1.3 là tổng thể sóng mang số đểtạo ra tín hiệu băng rộng đa sóng mang điều đó được xử lý bởi một chuỗichuyển đổi tương tự và một bộ khuếch đại công suất đa sóng mang độc lập.

Sự khác nhau chính của kiểu cấu trúc hệ thống này so với các kiểu cấu trúc

đa sóng mang trước đó đó là: thiết kế để thay thế những máy thu tương tựbăng hẹp hay những chuỗi chuyển đổi tần số truyền, trong các máy đa sóngmang trước đó để làm việc trên các dải tần khác nhau thì phải chế tạo đầy

đủ các thành phần từ đầu đến cuối Như thế hệ thống sẽ rất cồng kềnh vàphức tạp, trong khi với kiểu cấu trúc băng rộng này mang lại kích thước vàtrọng lượng nhỏ hơn nhiểu, hoạt động hiệu quả hơn, tiêu thụ nguồn ít hơn.Trong việc sử dụng các bộ xử lí tín hiệu số thì SDR có thể thực hiện theocách vẫn sử dụng tần số trung tần hoặc không sử dụng tần số trung tần:điều chế trực tiếp từ tín hiệu băng gốc lên dải tần công tác cỡ hàng GHz.Trong cấu trúc của một SDR cơ bản thì các phần chuyển đổi ADC,DAC là có vai trò quan trọng Yêu cầu với chúng không chỉ là tốc độchuyền đổi mà phải có độ chính xác, sai số do lượng tử hoá hay xấp xỉ hoáphải ở mức chấp nhận được tức là phải có hiệu suất chuyển đổi cao Ngoài

sử dụng các bộ xử lí tín hiệu số DSP thì cấu trúc cơ bản của một thiết bị vôtuyến cấu hình mềm SDR còn có các phần chức năng quan trọng khác như:các mạch cao tần phải đảm bảo độ tuyến tính trên một dải tần rộng, chuyểnchế độ nhanh và khuyếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau,cho các dạng tín hiệu khác nhau, các bộ trộn tần lên/xuống số hoá: DUCs,DDCs, các bộ lọc số, các mạch cân bằng… cũng cần phải được thiết kế đểđảm bảo yêu cầu hoạt động trên dải tần rộng với sự đa dạng của chế độcông tác Phần điều khiển chung và phần lưu trữ cấu hình hệ thống được tổchức để thuận tiện cho thay đổi, tác động, nạp phần mềm vào thiết bị nên

cần có các giao tiếp chuẩn kết nối được với máy tính để thuận tiện chongười lập trình Ví dụ một cấu trúc gồm các thành phần cơ bản:

- Modul chọn kênh

- Modul điều chế/giải điều chế

- Modul điều khiển và đặt cấu hình hệ thống

- Modul tín hiệu băng gốc

Đa số các phần xử lý tín hiệu có thể được xây dựng trên một FPGA

Sự tích hợp cao giúp mang lại hiệu quả thiết kế cao hơn, nhanh hơn Làmcho thiết bị tuy thêm các chức năng mới nhưng lại có kích thước nhỏ gọn,linh hoạt Tăng khả năng thay thế và lắp lẫn nhau Điều đó mang lại cả hiệuquả kinh tế và hiệu quả sử dụng cho thiết bị vô tuyến cấu hình mềm

1.1.4 Ứng dụng của SDR trong thông tin quân sự

Ứng dụng SDR không chỉ đem lại sự hiệu quả khi thiết bị vô tuyếnhoạt động trong các điều kiện đặc biệt, khắc nghiệt, trong môi trường cónhiễu, tạp âm tác động lớn, điều kiện môi trường truyền sóng phức tạpđồng thời nó còn mang lại những ứng dụng quan trọng khác trong việc bảomật thông tin, dễ dàng thay đổi dạng tín hiệu công tác, dạng điều chế, dảitần, tốc độ dữ liệu, dạng mã hoá tiếng nói… mà không cần phải lắp đặt,thay đổi nhiều về phần cứng Khi cần thay đổi dạng, loại chế độ công tácchỉ cần thay đổi trong phần mềm Như thế sẽ đem lại sự hiệu quả cho mộtkhung phần cứng có sẵn Nếu bị thất lạc thì ngay cả khi đối phương cốgắng thử xâm nhập, lợi dụng cũng rất khó vì cấu hình máy không nằm trênphần cứng mà lại do các phần mềm xác định Các ưu điểm nổi bật của thiết

bị vô tuyến có cấu hình mềm trong quân sự đó là: Tính an toàn của thôngtin, mã hoá bảo mật, sử dụng linh hoạt, tích hợp nhiều chức năng và chế độcông tác, khả năng kết nối với máy tính và các mạng thông tin liên lạc khác

cao theo các tiêu chuẩn quốc tế SDR còn cho phép tổ chức mạng thông tinlớn cho cả hệ thống, trong đó bao gồm nhiều loại phương tiện thông tin chocác binh chủng khác nhau, cho các dạng thông tin khác nhau.

1.2 Chức năng xử lý trong SDR

SDR là một máy thu phát lý tưởng hoá nhiều mặt, được sử dụng đachức năng, cấu hình đa dụng của nó được điều khiển bằng phần mềm Nóđược nghiên cứu trong những băng tần cơ sở, những công nghệ FPGA,ASIC (chứa cả những phần tử lập trình được như vi xử lý nhúng), nhữngmảng xử lý song song lớn và những kỹ thuật khác có thể áp dụng

Hiện có một loạt những giải pháp về vấn đề xử lý số cho vô tuyến cấuhình mềm, mỗi cái có đặc trưng và ứng dụng riêng Sử dụng tái cấu hìnhnhư một phương pháp nâng cấp, cải tiến

1.2.1 Giải pháp xử lý số cho những ứng dụng

- Những công nghệ FPGA mở rộng Kiểu xử lý số này được biết đến như là một máy tính cấu hình được (CMM_configurable computing

machine), thực chất là thêm những khối chức năng đặc biệt hay xây dựng

kiến trúc với một FPGA tiêu chuẩn, như là một phương pháp cung cấp sựđiều chỉnh hay tối ưu hoá cho một thiết bị vô tuyến, phần lớn dùng chonhững ứng dụng máy vô tuyến kích thước nhỏ

Loại này của bộ xử lý bao gồm một lõi đa năng được thêm vào mộtloạt những chức năng tối ưu hoá bộ đồng xử lý hay những nhân Nhữngphần tử mới này được tối ưu cho những chức năng xử lý tín hiệu đặc biệt

và cho phép sử dụng những chức năng xử lý tín hiệu vô tuyến, đây làphương pháp tối ưu hơn so với trường hợp chỉ sử dụng thuần tuý một DSP

đa dụng

- Những mảng xử lý song song: là một mạng bộ xử lý của một số

lượng lớn những vi xử lý được nối bởi liên kết on_chip tốc độ rất cao, mỗi

bộ xử lý có một khả năng xử lý tương đối hạn chế và được gán một phầnbài toán xử lý tín hiệu, ý tưởng của cách tiếp cận này là sử dụng khả năng

xử lý sẵn có một cách hiệu quả

- Cơ cấu máy tính thay đổi cấu hình (Reconfigurable Computer

Fabric_RCF): Thiết bị RCF là sự cố gắng để cung cấp những lợi ích của

một giải pháp lập trình xử lý tín hiệu Một thiết bị đơn kết hợp một số lõiRFC vào trong một nút tính toán Mỗi RFC chứa những chức năng sau đây:+ Bộ xử lý RISC với bộ đệm lệnh và dữ liệu

+ Mảng tính toán thay đổi cấu hình được với 16 cell, mỗi cái chứa:

một khối nhân tích luỹ (multipl accumulate_MAC), những khối toán học,

logic và những khối xử lý và một khối liên kết phức tạp mục đích đặc biệt.+ Những bộ đệm vào/ra lớn

+ Bộ điều khiển chuyển đổi DMA nhóm và đơn

toán thời gian tái cấu hình lớn và dải thông dữ liệu thấp.

Nó truy nhập trực tiếp tới bộ nhớ từ chính lõi thay đổi cấu hình, với

bộ vi xử lý tiêu chuẩn nó có khả năng làm việc 1 triệu lệnh mỗi giây (1MIP) (mặc dù thiết bị tổng chỉ làm việc với tốc độ đồng hồ là 100MHz).Thay đổi cấu hình bên trong Grap bao gồm tổ hợp những khối logic

và sự nối dây lập trình được (giống những FPGA) Với những lệnh dịchchuyển rõ ràng từ bộ xử lý đang được yêu cầu làm chuyển dữ liệu giữa bộ

xử lý và mảng phần cứng

Mặc dù Grap không được thiết kế rõ ràng cho những ứng dụng SDR,nhưng nó có nhiều đặc tính mong muốn trong SDR (truy nhập trực tiếp bộnhớ, chuyển giao phần cứng tới bộ xử lý thông qua bộ nhớ, giữ những dảithông vào ra thấp)

2 Mảng chức năng lập trình được theo hàng (Field Programmable Function Array_FPFA)

Mô hình FPFA hình thành bộ phận của nền tảng phần cứng tái cấuhình, gồm có những phần tử FPGA và bộ xử lý đa năng Những phần tửFPGA được dùng cho những chức năng từng bit (ví dụ tạo mã P-N), bộ xử

lý đa dụng dùng cho những chức năng điều khiển (những vòng lặp if/then,while/do)

FPGA được sử dụng tính toán bên trong những vòng lặp và nhữngthao tác DSP cường độ tính toán cao, nó bao gồm một số bộ xử lý

3 Máy tính thích nghi

Nó có thể được xem xét như một FPGA được tăng cường, trong đó

nó có khả năng dùng mạch logic lập trình để tối ưu hoá những cổng cầnthiết để thực hiện một chức năng xử lý tín hiệu đặc biệt, tuy nhiên khônggiống một FPGA nó có thể tái cấu hình một cách nhanh chóng Nó cũng có

khả năng tạo ra một đường dữ liệu tuỳ ý sẽ phù hợp với chuỗi lệnh tối ưuđòi hỏi để thực hiện một giải thuật đã cho Thiết kế đường dữ liệu này cóthể được cất giữ trong phần mềm và đợc tải xuống nhanh chóng, do đó sẽgiảm số chu kỳ thực hiện được yêu cầu đối với nhiệm vụ đã cho.

*Kết luận:

Khi một kĩ sư hoặc một nhà khoa học muốn thiết kế một máy vôtuyến mới thì họ sẽ nghĩ về SDR hay HDR? Tất nhiên câu trả lời cho câuhỏi này phụ thuộc vào sự ứng dụng vô tuyến của người thiết kế, yêu cầu vềtính linh hoạt, yêu cầu về sự tiêu thụ công suất, kích thước, cấu trúc, chứcnăng và không tốn nhiều tiền để thiết kế một sản phẩn mới Tuy nhiên vớinhững ưu việt vượt trội của mình, thì sự lựa chọn SDR là tất yếu

Với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số DSP, các công cụ thiết

kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các

hệ thống SDR thực tế Khả năng xử lí, tốc độ của hệ thống được nâng lêntrong khi giảm nhỏ rất nhiều kích thước và khối lượng của thiết bị do cáclinh kiện có độ tích hợp cao Đa số các phần xử lí tín hiệu có thể được xâydựng trên một kit FPGA Sự tích hợp cao giúp mang lại hiệu quả thiết kếcao hơn, nhanh hơn Làm cho thiết bị tuy thêm các chức năng mới nhưnglại có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt Tăng khả năng thay thế và lắp lẫnnhau Điều đó mang lại cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng cho thiết bị

vô tuyến cấu hình mềm

Với mục đích của đồ án là thiết kế modul xử lý của thiết bị vô tuyếncấu hình mềm trên FPGA cụ thể là vi điều khiển nhúng trong thiết bị vôtuyến cấu hình mềm vì vậy chương 2 sẽ tìm hiểu về các thành phần và cấutrúc của vi điều khiển làm cơ sở cho thiết kế

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

SDR là khuynh hướng của thiết bị vô tuyến trong tương lai

Một thiết bị SDR băng rộng phải có khả năng xử lý dữ liệu tốc độ cao

và tiêu thụ năng lượng ít Những bộ vi xử lý thay đổi cấu hình được vớinhững đặc tính của nó cho thấy hứa hẹn với những thiết bị thông tin SDRbăng rộng Ta có thể phát triển một mạch xử lý tín hiệu sử dụng bộ vi xử lýthay đổi cấu hình cho những thiết bị SDR và đánh giá được năng lượng tiêuthụ và những đặc trưng truyền thông của mạch xử lý tín hiệu, xác địnhđược tiềm năng của những thiết bị SDR đang sử dụng vi xử lý thay đổiđược cấu hình Chương này nêu ra những nét chính về các thành phần vàcấu trúc của vi xử lý, cụ thể là về kiến trúc các bộ phận được tích hợp trênchip làm cơ sở để thiết kế bộ xử lý cấu hình được trong FPGA

2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8 bit

Trong nhiều tài liệu thuật ngữ vi xử lý và vi điều khiển thường đượcdùng lẫn lộn với nhau Nhưng về mặt nguồn gốc thì 2 thuật ngữ là phân

biệt với nhau Bộ vi xử lý là một đơn vị xử lý trung tâm (Central

Processing Unit - CPU) trên một chip riêng lẻ Trước đây CPU được thiết

kế bằng cách sử dụng nhiều chip với mức độ tích hợp trung bình đến cỡlớn Khi bộ vi xử lý và các mạch hỗ trợ đi kèm, các thành phần I/O ngoại vi

và bộ nhớ (chương trình và dữ liệu) được kết nối với nhau trên một bảnmạch để tạo ra một máy tính nhỏ chuyên dùng để thu thập dữ liệu và cácứng dụng điều khiển Khi các bộ phận tạo nên máy tính được xắp xếp trênmôt chip silic thì đó là vi điều khiển Ngày nay với công nghệ tích hợp caothì sự phân định giữa vi xử lý và vi điều khiển là không rõ ràng

2.1.1 Các thành phần cấu tạo của vi điều khiển

Hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau, mỗi loại có tập lệnh

và thanh ghi duy nhất nhưng một vi điều khiển thường có các bộ phận khácnhau

Hình 2.1: Các thành phần của một vi điều khiển 8 bit

1 CPU

Khối xử lý trung tâm CPU là bộ phận quan trọng nhất của bộ vi xử lý

Nó thực hiện chức năng tìm nạp các lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ chươngtrình, giải mã các lệnh này và thực hiện chúng CPU là sự kết hợp của các

thanh ghi, đơn vị số học và logic (Arithmetic Logic Unit - ALU), bộ giải mã

lệnh và hệ thống mạch điều khiển

2 Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình chứa tập lệnh để tạo nên chương trình Để phùhợp với chương trình lớn trong một số vi xử lý bộ nhớ chương trình đượcchia ra thành bộ nhớ bên trong và bộ nhớ bên ngoài Bộ nhớ chương trìnhthường là các loại ổn định như EEPROM, EPROM hoặc flash ROM

3 RAM

Ram là bộ nhớ dữ liệu của bộ vi điều khiển, vi điều khiển dùng nó để

lưu trữ dữ liệu CPU dùng Ram để lưu các biến cũng như ngăn xếp CPU

sử dụng ngăn xếp để lưu trữ địa chỉ trở về sau khi hoàn thành một chươngtrình con hoặc lời gọi ngắt, nhờ đó CPU có thể tiếp tục thực hiện chươngtrình

4 Cổng nối tiếp

Cổng nối tiếp có tác dụng rất lớn đối với hoạt động của vi xử lý vìđược dùng để truyền thông với các thiết bị ngoài thông qua việc truyền nốitiếp Cổng nối tiếp cáo thể làm việc ở bất kỳ tốc độ truyền dữ liệu nào Nónhận byte dữ liệu từ vi xử lý và truyền từng bit ra ngoài và nhận từng bit dữliệu bên ngoài gộp 8 bit thành 1 byte đưa vào vi điều khiển Có 2 kiêutruyền dữ liệu nối tiếp là truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ Trongtruyền đồng bộ, mỗi bit dữ liệu cần một tín hiệu xung nhịp đi kèm để thựchiện đồng bộ, trong khi truyền không đồng bộ thì không cần tín hiệu xungnhịp Truyền không đồng bộ thông tin được gói gọn trong chính bit dữ liệu

và được bổ sung các bit start, stop

5 Cổng vào/ra số

Bộ vi điều khiển sử dụng cổng vào/ra số để trao đổi dữ liệu sô với bênngoài Khác với cổng nối tiếp truyền từng bit, cổng vào/ra số trao đổi dữliệu theo từng byte

6 Cổng vào/ra tương tự

Tín hiệu đầu vào tương tự được xử lý qua một bộ biến đổi tương tự-số(ADC) Vi xử lý có thể có một ADC hoặc một bộ so sánh tương tự đượcđiều khiển bằng phần mềm Bộ biến đổi ADC nhận dữ liệu từ những thiết

bị như bộ cảm biến nhiệt độ, bộ cảm biến áp suất… Các bộ cảm biến nàycung cầp tín hiệu điện dưới dạng tương tự Tín hiệu đến đầu ra tương tự saukhi được bộ xử lý bởi bộ biến đổi số/tương tự Hầu hết các bộ vi xử lý đều

có bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulator - PWM), có thể dùng

bộ điều chế này nhận tín hiệu điện áp tương tự nhờ một mạch lọc RC thíchhợp bên ngoài Tín hiệu DAC thường dùng để điều khiển môtơ, phát âmthanh…

7 Bộ định thời

Vi xử lý dùng bộ định thời để quy định thời gian các sự kiện, chẳnghạn xuất dữ liệu ra màn hình với một tần số nào đó Bộ định thời cũngđược dùng để đếm các sự kiện xảy ra ở bên ngoài cũng như bên trong(trường hợp này bộ định thời được gọi là bộ đếm)

8 Bộ tạo dao động

Vi xử lý thực hiện chương trình ở một tốc độ nhất định, tốc độ nàyđược thông qua tần số của bộ tạo dao động Bộ tạo dao động có thể là mộtmạch dao động RC hoặc bộ dao động với bộ phận đồng bộ bên ngoài(thạch anh, mạch cộng hưởng LC, mạch RC) Bộ tạo dao động bắt đầungay sau khi vi xử lý được cấp nguồn

9 Bộ định thời Watchdog (WDT_Watchdog Timer)

Là bộ định thời đặc biệt dùng để ngăn ngừa những sự cố phần mềm

Nó làm tăng giá trị bộ đếm bên trong với một tốc độ đếm nào đó, nếuchương trình không đặt lại bộ đếm thì bộ đếm sẽ bị tràn và làm cho vi xử lý

sẽ khởi động lại Chương trình phải được lập trình một cách hợp lý sao choWDT được đặt lại một cách đều đặn Nếu chương trình bị lỗi, nó sẽ khôngđặt lại WDT thì hệ thống sẽ khởi động lại

10 RTC (Real Time Clock)

Đồng hồ định thời gian thực là một bộ định thời đặc biệt có nhiệm vụlưu trữ các thông tin về ngày tháng

11 Mạch reset và phát hiện sụt áp nguồn nuôi thấp

Mạch reset đảm bảo tất cả các linh kiện và mạch vi điều khiển bêntrong được khởi tạo về trạng thái thiết lập ban đầu, đồng thời các thanh ghicần thiết cũng được khởi tạo khi vi xử lý bắt đầu đi vào hoạt động Bộ pháthiện sụt áp nguồn nuôi là mạch giám sát điện áp nguồn nuôi, nếu có sự sụt

áp bất thường nó sẽ reset bộ vi xử lý vì thế không làm sai lệch nội dung của

2 Bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ dữ liệu được phân chia thành những loại khác nhau:

- Tệp thanh ghi với 32 thanh ghi độ rộng 8 bit

- Các thanh ghi vào/ra Các thanh ghi này thực chất là một phận của bộnhớ SRAM trên chip có thể truy nhập nhơ bộ nhớ SRAM hoặc như cácthanh ghi vào/ra

- Bộ nhớ SRAM trong Được sử dụng cho ngăn xếp cũng như để lưutrữ các biến Trong thời gian có ngắt và gọi chương trình con giá trị hiện tại

của bộ đến chương trình đực lưu trong ngăn xếp Vị trí của ngăn xếp đượctrỏ bởi con trỏ ngăn xếp.

2.1.3 Các thanh ghi của vi điều khiển

Tuỳ theo từng loại vi điều khiển mà có số lượng và các loại thanh ghikhác nhau, nhưng trong mọi trường hợp một số thanh ghi bắt buộc phải có:

- Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP

- Thanh ghi cho các cổng

- Các thanh ghi điều khiển và cho phép ngắt

- Thanh ghi Timer/Counter

- Thanh ghi điều khiển nối tiếp

Ngoài ra trong vi điều khiển còn có thể có một số thanh ghi:

- Thanh ghi điều khiển bộ định thời Watchdog

- Thanh ghi trạng thái và điều khiển bộ so sánh Analog

2.1.4 Khái quát về vi điều khiển AVR

Đồ án chọn vi điều khiển AVR làm mẫu thiết kế vì vậy phần này ta sẽtìm hiểu những đặc điểm cơ bản của nó

Các bộ xử lý AVR có kiến trúc Harvard (bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớchương trình tách biệt nhau)

* Bus dữ liệu dùng cho bộ nhớ dữ liệu là một bus 8 bit cho phép nốihầu hết các bộ phận ngoại vi với tệp thanh ghi Bus dữ liệu dùng cho bộnhớ chương trình có độ rộng 16 bit và chỉ nối với thanh ghi lệnh

* Bộ nhớ chương trình được truy nhập theo từng chu kỳ đồng hồ, vàmột lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh Thanh ghi lệnh nối vơi tệp thanh ghibằng cách chọn xem thanh ghi nào sẽ được ALU dùng để thực hiện lệnh

Lối ra của thanh ghi lệnh được giải mã bằng bộ giải mã lệnh để quyết địnhchọn tín hiệu điều khiển nào sẽ được kích hoạt để hoàn thành lệnh hiện tại.

Bộ nhớ chương trình bên cạnh các lệnh lưu trữ, cũng chứa các vectơngắt bắt đầu ở địa chỉ $0000 Chương trình hiện tại sẽ bắt đầu ở vị trí bộnhớ phía bên kia vùng dùng cho các vector Số lượng vector, dung lượng

bộ nhớ chương trình khác nhau giữa các bộ xử lý

Hình 2.2: Kiến trúc bên trong của vi điều khiển AVR

* Bộ nhớ dữ liệu được phân chia thành những loại khác nhau:

- Tệp thanh ghi với 32 thanh ghi đa năng độ rộng 8 bit

- Tệp thanh ghi vào ra (I/O) mỗi thanh 8 bit Các thanh ghi này thựcchất là một phần của bộ nhớ SRAM trên chip và có thể được truy nhập như

bộ nhớ SRAM hoặc như các thanh ghi I/O, hầu hết các thanh ghi này đượctrao đổi như các thanh ghi I/O chứ không phải như SRAM

- RAM trong: Bộ nhớ này có trên hầu hết các vi điều khiển AVR, dunglượng thay đổi từ 128 byte đến 4 Kbyte

- RAM ngoài: Đặc tính này chỉ có ở các bộ vi xử lý cỡ lớn trong họ viđiầu khiển AVR Các bộ xử lý này có các cổng để truy nhập bộ nhớ và dữliệu bên ngoài.

- EEPROM: có sẵn trên vi điều khiển và được truy nhập theo một bản

đồ nhớ tách biệt EEPROM được truy nhập qua các thanh ghi truy nhập:

thanh ghi địa chỉ EEPROM (EEAR), thanh ghi dữ liệu EEPROM (EEDR), thanh ghi điều khiển EEPROM (EECR).

Hình 2.3: Bản đồ bộ nhớ của vi điều khiển AVR

* Tệp 32 thanh ghi đa năng được tách làm 2 phần mỗi phần 16 thanhghi Tất cả các lệnh thao tác trên thanh ghi đều có thể truy nhập trực tiếp vàtruy nhập trong chu kỳ đơn đến tất cả các thanh ghi

* Các cổng vào ra (I/O) đều có 3 địa chỉ vào ra đi kèm 3 địa chỉ vào/ra

để đặt cấu hình cho các bit riêng biệt thành lối vào hoặc lối ra, địa chỉ thứ 2

để xuất ra dữ liệu tới các bit được đặt cấu hình lối ra, địa chỉ thứ 3 dùng đểđọc dữ liệu từ các chân được đặt thành cổng lối vào

Trong AVR còn có các khối chức năng giao tiếp UART, I2C, SPI, bộđịnh thời Wachdog bên trong, bộ biến đổi AD bên trong

2.2 Các thành phần cấu trúc của bộ vi xử lý

2.2.1 Các thành phần cơ bản trong vi xử lý

Để tìm hiểu cấu trúc vi xử lý, thay vì bắt đầu bằng việc tìm hiểu cáccổng logic cơ bản ta bắt đầu bằng các khối lớn hơn Trước tiên ta tìm hiểumột số thành phần cơ bản thường được sử dụng làm các khối xây dựng sẵn

để thiết kế các mạch số lớn hơn trong vi xử lý

1 Các thành phần tổ hợp

Là các mạch tổ hợp, thường được sử dụng để xây dựng lên đường dữliệu Dù các mạch logic trạng thái kế tiếp và mạch logic đầu ra trong khốiđiều khiển là các mạch tổ hợp nhưng chúng không được xem là các thànhphần tổ hợp chuẩn do chúng được thiết kế chỉ cho một khối điều khiển cụthể Các mạch được coi là những thành phần tổ hợp chuẩn: mach cộng/trừ,ALU, mạch ghép kênh, mạch đệm 3 trạng thái, mạch giải mã, mạch mãhoá, mạch so sánh, mạch dịch bit/quay, mạch nhân…

a Mạch cộng và mạch trừ

Hình2.4: Bảng giá trị và mạch cộng/trừ 8 bit

Thay vì các mạch cộng và mạch trừ riêng biệt, mạch cộng và trừ kếthợp có thể được thực hiện bằng cách từ mạch cộng sẽ thực hiện cộng vớigiá trị bù của toán hạng thứ hai Bảng giá trị và sơ đồ mạch cộng/trừ 8 bitđược trình bày như sau:

b Khối số học logic ALU

ALU là một trong các thành phần chính bên trong bộ vi xử lý, thựchiện các phép toán số học và logic như cộng, trừ, and, or… Thường dùngmạch cộng truyền bit nhớ RCA làm khối xây dựng sẵn rồi chèn một sốmạch logic tổ hợp ở trước hai toán hạng đầu vào của mỗi FA Bằng cáchnày dữ liệu đầu vào ban đầu sẽ được sửa đổi phù hợp tuỳ thuộc phép toán

sẽ được thực hiện Sơ đồ tổng thể của một ALU 4 bit như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ ALU 4 bit

Hai mạch tổ hợp ở trước FA là AE và LE Mạch mở rộng logic LE

(logic extender) dùng để thực hiện phép toán logic, mạch mở rộng số học

AE (arithmetic extender) dùng thực hiện các phép tính số học.

Từ mạch cộng/trừ để thực hiện phép toán cộng và trừ, cần sửa đổi toánhạng yi thứ 2 đến FA sao cho mọi phép toán có thể thực hiện bằng phépcộng Vậy AE chỉ lấy toán hạng thứ hai bi làm dữ liệu đầu vào và sử đổi

tuỳ thuộc vào phép toán sẽ được thực hiên Đầu ra của AE là yi được nốivới đầu vào toán hạng thứ hai của FA, phép cộng được thực hiện ở FA Khicác phép toán số học được thực hiện, LE truyền toán hạng thứ nhất ai đến x

i của FA

Hình 2.6: Bảng giá trị và sơ đồ mạch của LE, AE và CE

LE thực hiện các phép toán logic thực sự Dữ liệu đầu ra của LE đượctruyền đến toán hạng thứ nhất xi của FA, vì đây là kết quả phép toán logicnên FA không sửa đổi mà truyền đến đầu ra ban đầu fi Điều này đượcthực hiện bằng cách thiết lập cả hai toán hạng yi của FA và c0 bằng 0 vìviệc cộng với 0 sẽ không thay đổi kết quả Mạch tổ hợp CE là mạch mở

rộng bit nhớ (carry extender) dùng để sửa tín hiệu đầu vào c0 sao cho phéptoán số học được thực hiện đúng Các phép toán logic không dùng c0 nên c

0 được thiết lập bằng 0

c Mạch giải mã

Một mạch giải mã (decoder) còn được gọi là mạch phân kênh, mạch

này xác lập một trong n đầu ra tuỳ thuộc vào giá trị của dữ liệu nhị phân mbit đầu vào Trường hợp tổng quát mạch có m đầu vào (Am− 1, , A0) và nđầu ra (Yn− 1, , Y0) trong đó n=2m Ngoài ra còn đường cho phép mạch giải

mã E Khi mạch giải mã không được cho phép (E=0) tất cả các đường đầu

ra đều không được xác lập (ở mức lo gic không tích cực) Khi mạch gải mãđược cho phép đầu ra có chỉ số bằng giá trị của dữ lỉệu nhị phân đầu vàođược xác lập

Hình 2.7: Bảng giá trị và sơ đồ mạch giải mã 3→8

d Mạch mã hoá

Mạch mã hoá (encoder) giống như mạch đảo ngược của mạch giải mã.

Mạch này mã hoá dữ liệu 2n bit thành mã n bit Mạch có 2n đầu vào và nđấu ra

Mạch hoạt động đúng khi chỉ có một đầu vào ở mức logic 1, các đầu

vào còn lại sẽ bằng 0 Đầu ra sẽ là giá trị nhị phân của chỉ số đầu vào cómức logic.

Hình 2.9: Bảng giá trị và sơ đồ của mạch mã hoá 8→3

Mạch mã hoá dùng làm giảm số bit biểu diễn một số dữ liệu cho trướctrong bộ lưu trữ hoặc trong truyền dữ liệu Mạch mã hoá dùng trong hệthống có 2n thiết bị nhập, mỗi thiết bị được nối với một đầu vào Thiết bịnhập yêu cầu phục vụ sẽ xác lập đầu vào được kết nối với mình, giá trị đầu

ra n bit tương ứng sẽ chỉ cho hệ thống biết thiết bị nào trong 2n thiết bịđang yêu cầu phục vụ

e Mạch ghép kênh

Các MUX lớn hơn có thể được xây dựng từ các MUX nhỏ hơn Ví dụMUX 8:1 được thực hiện bằng cách dùng mạch giải mã 8→3 và 7 MUX2:1

Hình 2.10: sơ đồ MUX 8:1

f Mạch đệm 3 trạng thái

Mạch có 3 trạng thái 0, 1 và Z; Z biểu diễn trạng thái tổng trở cao (hởmạch) Mạch được dùng để kết nối vài thiết bị với cùng một bus

Hình 2.11: Mạch đệm 3 trạng thái: bảng giá trị, ký hiệu logic,

mạch và bảng sự thật cho phần điều khiển

Đường cho phép E tích cực cao sẽ điều khiển mạch đệm on hoặc off,khi không được cho phép đầu ra y ở trạng thái tổng trở cao Z, khi E=1 thìđầu ra y sẽ lấy giá trị của d

Chỉ các cổng logic không thể tạo ra trạng thái tổng trở cao do các cổnglogic chỉ có thể xuất ra 0 và 1 Để tạo ra trạng thái tổng trở cao phải dùng 2transistor CMOS cùng với cổng logic, mạch điều khiển 2 transistor sao chochúng cùng thực hiện chức năng mạch đệm 3 trạng thái

g Mạch so sánh

Hình 2.12: Các mạch so sánh: X=3, X≠Y, X<5

Mạch so sánh sẽ so sánh hai từ nhị phân và chỉ ra quan hệ là đúng haysai Để so sánh một giá trị bằng hay không bằng đối với một hằng số, cổngAND đơn giản có thể được sử dụng (mạch so sánh một biến X 4 bit vớí 3)Cổng XOR và XNOR cũng được dùng để so sánh 2 số hạng bằng nhauhay không.Có thể dùng một cổng XOR để so sánh từng cặp bit của 2 toánhạng (mạch so sánh không bằng nhau 4 bit)

h Mạch dịch/mạch quay

Mạch dịch và mạch quay dùng để dịch các bit trong một từ nhị phânsang trái hoặc sang phải một vị trí Sự khác nhau giữa mạch dịch và mạchquay là bit sau cùng được dịch trở vào hoặc dịch ra khỏi 6 thao tác khácnhau của mạch dịch và mạch quay:

Hình 2.13: Bảng giá trị và sơ đồ mạch dịch/quay 4 bit

Với mỗi vị trí bit MUX dùng để di chuyển một bit bên trái hoặc bên

phải đến vị trí hiện hành Kích thước của MUX sẽ xác định số thao tác cóthể thực hiện Có thể sử dụng MUX 4:1 để thực hiện 4 thao tác như hìnhtrên

s0, s1 để chọn một trong 4 thao tác Với một toán hạng 4 bit cần dùng

4 mạch MUX 4:1

i Mạch nhân

Hình 2.14: Sơ đồ mạch nhân

Hình trên trình bày mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit không dấu M=m3m

2m1m0 với Q=q3q2q1q0 để tạo ra kết quả P = p7p6p5p4p3p2p1p0 Mạchtrình bày kết nối của các FA để bit của các tích trung gian tạo ra tích saucùng 4 FA trong mỗi hàng được kết nối thành mạch cộng truyền bit nhớvới mỗi tín hiệu nhớ đầu ra được nối với đầu vào bit nhớ của FA kế tiếp.Đầu ra bit nhớ của FA sau cùng là giá trị của p7

3 Các thành phần của hệ tuần tự

a Thanh ghi

Để lưu một byte dữ liệu, cân kết hợp 8 flipflop với nhau và hoạt độngnhư là một khối Một thanh ghi chỉ là một mạch có 2 hay nhiều flipflop nốivới nhau sao cho mọi flipflop đều hoạt độnh như nhau một cách chính xác

và được đồng bộ bởi cùng tín hiệu clock Khác nhau duy nhất là mỗiflipflop trong nhóm được dùng để lưu một bit khác nhau của dữ liệu

Hình 2.15: Thanh ghi 4 bit có đầu vào xoá không đồng bộ

4 flipflop D với đầu vào E tích cực thấp va đầu vào xoá không đồng

bộ Clk, E và Clear được nối chung với nhau sao cho khi một đầu vào đượcxác lập thì tất cả các flipflop đều hoạt động chính xác Dữ liệu đầu vào 4 bitđược kết nối từ D0 đến D3, Q0 đến Q3 dùng làm đầu ra 4 bit cho thanh ghi.Khi tín hiêu cho phép ghi tích cực mức thấp Load được xác lập, dữ liệutrên đường D được lưu vào thanh ghỉơ sườn lên kế tiếp của clock KhiLoad =1 nôi dung thanh ghi được duy trì không đổi Thanh ghi có thể đượcxoá không đồng bộ bằng các xác lập đường Clear Nội dung thanh ghi luôn

có trên đường Q do vậy không cần đường điều khiển đọc dữ liệu từ thanhghi

b Dải thanh ghi

Dải thanh ghi thường được dùng cho các toán hạng nguồn của ALU

Vì ALU lấy 2 toán hạng đầu vào do vậy cần thanh ghi có khả năng xuất 2

giá trị từ 2 vị trí khác nhau của dải thanh ghi, như vậy một dải thanh ghiđiển hình sẽ có một cổng ghi và 2 cổng đọc cả 3 cổng này đều có cácđường cho phép và địa chỉ riêng Cổng đọc ở trạng thái tổng trở cao khi khiđường cho phép đọc không được xác lập Dữ liệu trên các cổng đọc sẵnsàng ngay sau khi đường cho phép đọc xác lập, việc ghi diễn ra ở cạnh tíchcực kế tiếp của xung clock.

Để điều khiển dữ liệu đầu ra cần thêm các mạch đệm 3 trạng thái, tất

cả các đường cho phép các mạch đệm 3 trạng thái được nối với nhau vì tất

cả các đầu ra của chúng được điều khiển đồng thời Do cần có 2 cổng đọcnghĩa là 2 đường điều khiển đầu ra cho mỗi thanh ghi vì vậy 2 mạch đệm 3trạng thái nối với mỗi đầu ra Port A và port B là 2 cổng đọc 8 bit Dùngmạch giải mã giải mã các địa chỉ để chọn thanh ghi làm việc Mạch đầy đủcho dải thanh ghi 4x8 như sau:

Hình 2.16: Dải thanh ghi 4X8

c Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

Phần tử nhớ chính trong là mạch chốt D có đầu vào cho phép Mộtmạch đệm 3 trạng thái nối với đầu ra của mạch chốt D Tín hiệu Cellenable dùng để cho phép cell nhớ đối với cả thao tác đọc và ghi Đối vớithao tác đọc, tín hiệu Cell enable dùng để cho phép mạch đệm 3 trạng thái,đối với thao tác ghi Cell enable cùng với tín hiệu Write enable dùng để chophép mạch chốt sao cho dữ liệu trên đường Input được chốt vào trong cell

Hình 2.17: cell nhớ và RAM 4 X 4 cell

Mỗi hàng tạo thành một vị trí nhớ và số cell nớ trong trong hàng quyếtđịnh độ rộng bit của mỗi vị trí nhớ như vậy mọi cell nhớ trong một hàngđều được phép có cùng địa chỉ Mạch giải mã được dùng để giải mã địa chỉ

d Bộ nhớ kích thước lớn

-Tăng dung lượng bộ nhớ: Cách thực hiện bộ nhớ 1 Kbyte từ các chipnhớ 256 byte được thực hiện như trong hình 2.18a

Trường hợp này cần 4 chip nhớ vì 1K byte = 4 x 256 byte Chip nhớ

256 byte có 8 đường địa chỉ Để giải mã 4 chip cần 2 đường địa chỉ để chophép một trong 4 chip muốn định địa chỉ Như vậy cần 10 đờng địa chỉ, 8

đường đầu tiên nối trực tiếp đến cả 4 chip còn 2 đường sau cùng nôi đếnđầu vào địa chỉ của mạch giải mã 2→4 4 đầu ra từ mạch giải mã đợc dùng

để xác lập đường cho phép chip CE Các đường dữ liệu và các đường chophép ghi cũng nối chung với nhau

Hình 2.18: Các bộ nhớ kích thước lớn

-Tăng độ rộng bit nhớ: Có thể có bộ nhứ rộng hơn từ các bộ nhớ nhỏ

Để có bộ nhớ 512 vị trí x 16 bit từ các chip nhớ 512 x 8 bit cần 4 chip 256byte kết nối như hình 2.18b

e Thanh ghi dịch

-Thanh ghi dịch nối tiếp sang song song

Hình 2.19: Thanh ghi dịch nối tiếp sang song song

Hình trên môt tả mạch biến đổi nối tiếp sang song song 4 bit Khi Shift

được thiết lập, các bit dữ liệu được dịch vào bên trong Ở chu kỳ clock đầutiên bit đầu tiên được nạp vào Q3, ở chu kỳ clock thứ 2 bit ở Q3 được nạpvào Q2 và Q3 được nạp bởi bit kế tiếp trong chuỗi dữ liệu Liên tục với 4chu kỳ xung clock đến khi cả 4 bit được dịch vào trong flipflop

-Thanh ghi dịch nối tiếp sang song song và song song sang nối tiếp

Để có cả thao tác dịch nối tiếp sang song song và song song sang nốitiếp thì việc dịch từ trái sang phải các bit thông qua thanh ghi Khác nhauduy nhất của thao tác này là thực hiện đọc song song sau khi dịch hay ghisong song trước khi dịch Với thao tác dịch nối tiếp sang song song sẽ thựchiện đọc song song sau khi các bit đã được dịch vào trong thanh ghi Đốivới các thao tác dich song song sang nối tiếp sẽ thực hiện ghi song songtrước rồi dịch các bit ra ngoài dưới dạng một chuỗi bit nối tiếp Có thể thựchiện 2 chức năng này từ mạch chuyển từ nối tiếp sang song song bằng cáchthêm chức năng nạp dữ liệu song song cho mạch này:

Hình 2.20:Thanh ghi dịch nối tiếp sang song song

và song song sang nối tiếp

4 MUX cùng hoạt động để chọn hoặc duy trì các giá trị hiện tại, nạpgiá trị mới hoặc dịch các bit về bên phải một vị trí

2.2.2 Đường dữ liệu và khối điều khiển

1 Đường dữ liệu

Đường dữ liệu là một trong 2 thành phần chính của bộ vi xử lý, nó baogồm: các khối chức năng như mạch cộng, mạch nhân, ALU, mạch dịch bit,mạch so sánh, các thanh ghi và các phần tử nhớ khác để lưu tạm thời các

dữ liệu, các bus và các mạch ghép kênh (MUX) để truyền dữ liệu giữa các

thành phần khác nhau trong đường dữ liệu Dữ liệu có thể đưa vào trongđường dữ liệu thông qua các đầu vào, kết quả tính toán được đưa tới đầu ra

dữ liệu Để đường dữ liệu thực hiện chức năng một cách chính xác, các tínhiệu điều khiển tương ứng được xác lập đúng thời điểm Các tín hiệu điềukhiển cần cho tất cả các đường lựa chọn và điều khiển tất cả các thành phầnđược sử dụng trong đường dữ liệu, bao gồm các đường lựa chọn các MUX,ALU và các khối chức năng khác Hoạt động của các đường dữ liệu đượcxác định bởi thời điểm tín hiệu điều khiển được xác lập

Đường dữ liệu cần cung cấp các tín hiệu trạng thái cho khối điều khiển

để khối này làm việc đúng Các tín hiệu trạng thái thường được lấy từ đầu

ra của các bộ so sánh Bộ so sánh kiểm tra điều kiện logic cho trước giữa 2giá trị, các giá trị này có thể nhận được từ các phần tử nhớ, trực tiếp từ đầu

ra của các khối chức năng hoặc là các hằng số Các tín hiệu trạng thái cungcấp thông tin đầu vào cho khối điều khiển để xác định thao tác nào đượcthực hiện tiếp theo Trong trường hợp vòng lặp có điều kiện, tín hiệu trạngthái cho khối điều khiển biết sẽ thoát khỏi hay tiếp tục vòng lặp Vì đường

dữ liệu thực hiện tất cả các lệnh của vi xử lý, do vậy nó phải có khả năngthực hiện được tất cả các lệnh được yêu cầu

Ví dụ một đường dữ liệu đơn giản Đường này chứa một khối ALU vàmột thanh ghi để lưu dữ liệu Dữ liệu đầu vào được đưa đến cổng A củaALU, có thể là dữ liệu bên ngoài hoặc hằng số ‘1’ khi được lựa chọn bởi