Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO MÔN HỌC
ĐỀ BÀI: Trình bày quy trình thiết kế một hệ thống
Trang 3TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 4CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 ASIC là gì?
Khái niệm của ASIC:
ASIC là viết tắt của "Ứng dụng Đặc biệt Trên Mạch Tíchhợp" (Application-Specific Integrated Circuit) Đây làmột loại vi mạch tích hợp được thiết kế để thực hiệnmột hoặc nhiều chức năng cụ thể, thường là trong mộtứng dụng hoặc lĩnh vực cụ thể Cụ thể, ASIC được tạo rađể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể hoặc một tập hợpcác nhiệm vụ chuyên biệt trong một hệ thống điện tử.Đặc điểm của ASIC:
Thực hiện chức năng cụ thể: ASIC được thiết kế để thựchiện một hoặc nhiều chức năng cụ thể, thường là trongmột ứng dụng hoặc lĩnh vực cụ thể Điều này làm choASIC trở nên hiệu quả hơn so với việc sử dụng các vimạch tổng quát.
Tối ưu hóa hiệu suất: ASIC thường được tối ưu hóa chohiệu suất cao, tính linh hoạt và tiết kiệm năng lượng.Thiết kế tùy chỉnh của ASIC cho phép tối ưu hóa kíchthước, tốc độ hoạt động và tiêu thụ năng lượng chomục đích cụ thể.
Trang 5Tùy chỉnh: ASIC có thể được thiết kế từ đầu đến cuối đểđáp ứng nhu cầu cụ thể của một ứng dụng hoặc hệthống Việc này cho phép tùy chỉnh hoàn toàn các khốichức năng và kết nối để đảm bảo rằng ASIC hoạt độnghiệu quả nhất cho mục đích cụ thể.
Hiệu suất cao và độ tin cậy: Do được tối ưu hóa cho mộtnhiệm vụ cụ thể, ASIC thường có hiệu suất cao và độ tincậy cao Điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứngdụng yêu cầu sự ổn định và đáng tin cậy như trong cáchệ thống điện tử phức tạp.
Chi phí cao ban đầu: Việc thiết kế và sản xuất ASICthường đòi hỏi đầu tư lớn ban đầu, bao gồm cả tiềncông nghệ và thời gian Tuy nhiên, trong các ứng dụnglớn hoặc nhu cầu lâu dài, chi phí này có thể được bùđắp bởi hiệu suất và tính linh hoạt của ASIC.
Khả năng tích hợp: ASIC có thể tích hợp nhiều chứcnăng và các khối chức năng vào một vi mạch duy nhất.Điều này giúp giảm kích thước của hệ thống và tối ưu
Trang 6hóa việc tích hợp các phần khác nhau của một hệ thốngđiện tử.
1.2 Ứng dụng của ASIC:
Viễn thông và Mạng lưới: ASIC được sử dụng rộng rãitrong viễn thông và mạng lưới để thực hiện các chứcnăng như định tuyến mạng, xử lý dữ liệu, mã hóa/giảimã, và kiểm soát giao diện.
Điện tử tiêu dùng: Trong điện tử tiêu dùng, ASIC đượcsử dụng trong các ứng dụng như điện thoại di động,máy tính cá nhân, máy chơi game, camera số, và cácthiết bị điều khiển.
Ô tô: Trong ngành công nghiệp ô tô, ASIC được sử dụngtrong các hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống lái tựđộng, hệ thống an toàn, và các thiết bị giải trí trong xe.
Trang 7Công nghệ y tế: Trong lĩnh vực y tế, ASIC được sử dụngtrong các thiết bị y tế như máy chụp cắt lớp (CT), máysiêu âm, máy hồi sức cấp cứu, và các thiết bị giám sátsức khỏe.
Mạng máy tính và Cloud Computing: ASIC được sử dụngtrong các trung tâm dữ liệu và các thiết bị mạng như bộđịnh tuyến, máy chủ, bộ chuyển mạch và bộ nhớ đệmđể tối ưu hóa hiệu suất và xử lý dữ liệu lớn.
Công nghệ Blockchain và Tiền điện tử: Trong lĩnh vựccông nghệ Blockchain và tiền điện tử, ASIC được sửdụng cho việc đào Bitcoin và các loại tiền điện tử khác.
Công nghệ IoT (Internet of Things): Trong các ứng dụngIoT, ASIC được sử dụng để xử lý dữ liệu từ các thiết bịcảm biến, kiểm soát các thiết bị thông minh và tối ưuhóa việc kết nối mạng.
Công nghệ Quân sự và Hàng không vũ trụ: Trong ngànhcông nghiệp quân sự và hàng không vũ trụ, ASIC được
Trang 8sử dụng trong các thiết bị như radar, điều khiển tàukhông gian, và hệ thống dò tìm.
1.3 Lợi ích của việc thiết kế hệ thống ASIC
Việc thiết kế hệ thống ASIC mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho các ứng dụng và hệ thống điện tử Gồm có :
Hiệu suất cao: ASIC được tối ưu hóa để thực
hiện một số chức năng cụ thể hoặc một tập hợp các chức năng cụ thể Do đó, chúng thường có hiệu suất cao hơn so với các giải pháp khác như vi mạch tổng quát.
Tính Tùy chỉnh: ASIC có thể được thiết kế và tùy
chỉnh hoàn toàn để đáp ứng nhu cầu cụ thể của một ứng dụng hoặc hệ thống Điều này cho phép tối ưu hóa hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống.
Trang 9Tiết kiệm diện tích và năng lượng: Bằng cách
tối ưu hóa việc tích hợp các chức năng và các khối chức năng, ASIC có thể giảm diện tích mạch và tiêu thụ năng lượng so với các giải pháp khác.
Độ tin cậy cao: Do được tối ưu hóa cho một
nhiệm vụ cụ thể, ASIC thường có độ tin cậy cao hơn và ít có khả năng gặp sự cố hơn so với các giải pháp phần mềm hoặc vi mạch tổng quát.
Tăng tốc độ xử lý: Với thiết kế tùy chỉnh và tối
ưu hóa, ASIC có thể cung cấp tốc độ xử lý cao hơn và thời gian đáp ứng nhanh hơn cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao.
Bảo mật cao: Bằng cách tùy chỉnh và mã hóa
các chức năng, ASIC có thể cung cấp mức độ bảo mật cao hơn cho các ứng dụng yêu cầu sự bảo mật.
Trang 10Chi phí sản xuất thấp hơn trong số lượnglớn: Mặc dù chi phí thiết kế ban đầu có thể cao,
nhưng trong trường hợp sản xuất hàng loạt, chi phí sản xuất mỗi sản phẩm ASIC có thể giảm xuống, đặc biệt là khi so sánh với việc sử dụng
Hệ thống ASIC thường được thiết kế để thực hiện một hoặc nhiều chức năng cụ thể cho một ứng dụng hoặc một hệ thống cụ thể.
Chức năng của ASIC có thể bao gồm xử lý dữ liệu, điều khiển các tín hiệu, truyền thông, mã hóa/giải mã, và nhiều chức năng khác tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng.
Trang 11Hiệu suất:
Hiệu suất của một hệ thống ASIC được xác định bởi tốc độ xử lý, khả năng xử lý dữ liệu, thời gian đáp ứng, và các yếu tố khác liên quan đến việc thực hiện chức năng.
Hiệu suất của ASIC thường được đo bằng các chỉ số như tần số hoạt động (MHz hoặc GHz), số lượng tác vụ được thực hiện trong một khoảng thời gian cụ thể, hoặc thời gian phản hồi của hệ thống.
Công suất:
Công suất của một hệ thống ASIC thường đo lường lượng điện năng tiêu thụ trong quá trình hoạt động.
Công suất của ASIC có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tần số hoạt động, điện áp hoạt động, loại chức năng được thực hiện, và mức độ tối ưu hóa của thiết kế.
Công suất thường được đo bằng đơn vị Watt (W) hoặc một đơn vị tương đương khác.
Chi phí và các ràng buộc khác của hệ thống ASIClà những yếu tố quan trọng cần xem xét khi thiếtkế và triển khai một hệ thống ASIC Dưới đây là
Trang 12một số điểm cần lưu ý về chi phí và các ràngbuộc khác:
Chi phí thiết kế: Chi phí thiết kế là chi phí ban
đầu để phát triển và thiết kế hệ thống ASIC Bao gồm các chi phí như chi phí nghiên cứu và phát triển, chi phí thiết kế mạch điện tử, và chi phí mô phỏng và kiểm tra Chi phí này có thể rất lớn, đặc biệt là đối với các dự án ASIC phức tạp.
Chi phí sản xuất: Chi phí sản xuất là chi phí để
sản xuất hàng loạt các vi mạch ASIC sau khi thiết kế hoàn thành Bao gồm các chi phí như chi phí chế tạo wafer, chi phí chế tạo mẫu, và chi phí sản xuất hàng loạt Chi phí này cũng có thể lớn tùy thuộc vào kích thước của sản xuất và công nghệ sản xuất sử dụng.
Ràng buộc kỹ thuật: Ràng buộc kỹ thuật là các
giới hạn và yêu cầu kỹ thuật mà hệ thống ASIC phải tuân thủ Bao gồm các yêu cầu về hiệu suất, tính linh hoạt, tiêu thụ năng lượng, kích thước mạch, và các yêu cầu giao tiếp với các phần khác của hệ thống.
Ràng buộc về thời gian: Ràng buộc về thời
gian là các hạn chế về thời gian mà hệ thống
Trang 13gồm các yêu cầu về thời gian lên kế hoạch, thời gian thiết kế, thời gian sản xuất, và các yêu cầu về thời gian ra thị trường.
Ràng buộc về tiêu chuẩn và quy định: Ràng
buộc về tiêu chuẩn và quy định là các yêu cầu pháp lý và quy định mà hệ thống ASIC phải tuân thủ Bao gồm các tiêu chuẩn và quy định về an toàn, bảo mật, tuân thủ quy định của ngành, và các yêu cầu tuân thủ quốc tế.
Ràng buộc về chi phí sản phẩm cuối cùng:
Ràng buộc về chi phí sản phẩm cuối cùng là các hạn chế về giá thành cuối cùng của sản phẩm ASIC khi được triển khai trên thị trường Bao gồm các yêu cầu về giá thành cạnh tranh, lợi nhuận dự kiến, và chi phí sản xuất và phân phối.
2.2 Lựa chọn kiến trúc hệ thống
Bộ xử lý (CPU) hoặc Vi xử lý hình (GPU):
CPU thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý tổng quát và kiểm soát chính xác, như trong các hệ thống nhúng, điều khiển và giao diện người dùng.
GPU thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý
Trang 14các ứng dụng đồ họa, tính toán khoa học và máy học.
Bộ nhớ:
Lựa chọn bộ nhớ phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về dung lượng, tốc độ truy cập và tiêu thụ năng lượng của hệ thống.
Bộ nhớ cache nhanh và hiệu quả cho việc truy cập dữ liệu thường xuyên, trong khi bộ nhớ RAM lớn có thể phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu lưu trữ dữ liệu lớn.
Giao diện:
Lựa chọn giao diện phụ thuộc vào loại dữ liệu và tốc độ truyền tải của hệ thống.
PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) thích hợp cho việc truyền tải dữ liệu nhanh và song song giữa các thiết bị.
SPI (Serial Peripheral Interface) hoặc I2C (Inter-Integrated Circuit) thích hợp cho việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và cảm biến.
Thành phần khác:
Trang 15Các thành phần khác như bộ chuyển đổi nguồn, bộ điều khiển giao diện, và các module mã hóa/giải mã cũng cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống.
Đối với các hệ thống có yêu cầu về tiêu thụ năng lượng thấp, việc sử dụng các thành phần tiết kiệm năng lượng như bộ chuyển đổi nguồn có thể là một lựa chọn tốt.
Kiến trúc tổng thể của hệ thống ASIC baogồm các thành phần sau:
Bộ xử lý (CPU) hoặc Vi xử lý hình (GPU):
Trung tâm điều khiển và xử lý chính của hệ thống.
Bộ nhớ: Lưu trữ dữ liệu và chương trình thực thi.Giao diện: Kết nối với các thiết bị ngoại vi và các
thành phần khác của hệ thống.
Bộ chuyển đổi nguồn và quản lý năng lượng:
Cung cấp nguồn điện ổn định và quản lý tiêu thụ năng lượng.
Các khối chức năng cụ thể: Thực hiện các
nhiệm vụ cụ thể của hệ thống như xử lý dữ liệu, mã hóa/giải mã, và giao tiếp.
Bộ điều khiển và logic điều khiển: Quản lý
hoạt động của các thành phần khác trong hệ thống.
Trang 16Giao diện người dùng: Đối với các ứng dụng có
giao diện người dùng, cung cấp phần mềm hoặc phần cứng để tương tác với người dùng.
Các module mã hóa/giải mã và xử lý tínhiệu: Thực hiện mã hóa, giải mã và xử lý tín hiệu
cho các loại dữ liệu nhất định.
2.3 Viết HDL (Hardware DescriptionLanguage)
module Counter(
input clk, // Tín hiệu clock input reset, // Tín hiệu reset
output reg [3:0] count // Đầu ra đếm
count <= count + 1; // Tăng giá trị đếm lên 1 mỗi chu kỳ clock
end
endmodule
Trang 17module Counter: Định nghĩa một module có tên
output reg [3:0] count: Xuất ra một đường truyền dữ liệu 4 bit là đầu ra của bộ đếm, được khai báo với kiểu dữ liệu reg.
always @(posedge clk or posedge reset): Khối always này được kích hoạt mỗi khi có sự xuất hiện của cạnh lên của tín hiệu clk hoặc cạnh lên của tín hiệu reset.
Trong khối always, nếu tín hiệu reset được kích hoạt, giá trị của count sẽ được đặt về 0 Ngược lại, giá trị của count sẽ được tăng lên 1 mỗi khi có cạnh lên của tín hiệu clk.
count <= count + 1: Đây là phép gán tăng giá trị của count lên 1 mỗi khi đạt đến cạnh lên của clk.
Trang 18Mã này mô tả một bộ đếm đơn giản, mỗi khi nhận tín hiệu clock, giá trị đếm sẽ tăng lên 1 Nếu nhận tín hiệu reset, giá trị đếm sẽ được đặt về 0.
2.4 Tổng hợp logic:
Sử dụng công cụ tổng hợp logic để tạo netlist từ mã HDL.
Tối ưu hóa netlist để đáp ứng các ràng buộc về hiệu suất và công suất.
2.5 Lên kế hoạch đặt chỗ và định tuyến:
Xác định vị trí các thành phần trên chip.
Định tuyến các kết nối giữa các thành phần.
2.6 Kiểm tra tính đúng đắn:
Sử dụng mô phỏng để xác minh chức năng và hiệu suất của thiết kế.
Sửa lỗi thiết kế nếu có.
2.7 Gửi sản xuất:
Gửi thiết kế đã hoàn thiện cho nhà máy sản xuất
Trang 20Mạch đầu ra: 4 chân
Viết HDL: Sử dụng Verilog để mô tả chức năng
của hệ thống.
Các bước tiếp theo: Tổng hợp logic, lên kế
hoạch đặt chỗ và định tuyến, kiểm tra tính đúng đắn, gửi sản xuất, lập trình và kiểm tra.
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN Các bước thiết kế ASIC bao gồm:
Xác định yêu cầu: Đặc điểm, chức năng và hiệu
suất mong muốn của hệ thống ASIC.
Thiết kế kiến trúc: Xác định kiến trúc tổng thể
của hệ thống, bao gồm các khối chức năng cơ bản và cách chúng tương tác.
Thiết kế logic và kiểm tra chức năng: Thiết
kế và kiểm tra các mạch logic và khối chức năng chi tiết.
Trang 21Tích hợp và kiểm tra hệ thống: Tích hợp các
khối chức năng vào một hệ thống hoàn chỉnh và kiểm tra toàn bộ hệ thống.
Tổng hợp và đặt hàng: Tạo netlist từ mã HDL
và đặt hàng netlist trên chip.
Kiểm tra và xác nhận: Kiểm tra cuối cùng trước
sản xuất để đảm bảo hoạt động chính xác.
Sản xuất và đóng gói: Sản xuất chip ASIC và
đóng gói vào gói chip hoặc mô-đun tùy thuộc vào
ứng dụng.
thiết kế ASIC đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp các giải pháp tích hợp tùy chỉnh, hiệu suất cao và bảo mật cho một loạt các ứng dụng trong thực tế, từ thiết bị di động, mạng, máy tính đến công nghệ y tế và xe tự lái.
Trang 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 https://www.alldatasheet.com/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Application-specific_integrated_circuit