Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA

“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” MỤC LỤC PHẦN I MỞ ĐẦU PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ DSP VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Công nghệ DSP 1.1.1 Sự đời 1.1.2 Khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP 1.1.3 Kiến trúc DSP tổng quát 1.1.4 Ý nghĩa vai trò DSP 1.2 Ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP 11 1.2.1 Ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP nhạc số, video số, ảnh số 11 1.2.2 Chuột quang Agilent technologies sử dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP 13 CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN 16 2.1 Công nghệ FPGA 16 2.1.1 Lịch sử đời 16 2.1.2 Khái niệm đặc điểm công nghệ FPGA 17 2.1.4 Một số kiến trúc FPGA 20 2.1.5 Phân loại FPGA 32 2.1.6 Ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog VHDL 33 2.1.7 Quy trình thiết kế FPGA 34 2.1.8 Ý nghĩa vai trò FPGA 37 2.2 Ứng dụng FPGA 38 Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 2.2.1 Ứng dụng FPGA bảo mật 40 2.2.2 Ứng dụng nhúng FPGA 41 2.3 Giới thiệu số KIT FPGA 44 2.3.1 Kit Stratix EP 1S25 (Altera) hãng Parallax 44 2.3.2 Kit UP2 Altera 44 2.3.3 Kit Digilab 2E Digilent 46 2.3.4 Virtex-4 ML401 Development Board 46 PHẦN III KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” PHẦN I MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Lịch sử nhân loại trải qua nhiều cách mạng khoa học kĩ thuật Tinh thần tìm tòi sáng tạo giúp người ngày có nhiều phát minh, sáng kiến tìm công cụ mới, đường để chinh phục tự nhiên, mang lại hạnh phúc cho nhân loại Trong năm ngần đây, công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ Sự đời vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm cực nhanh, khả lập trình ngày cao mang lại thay đổi sâu sắc ngành kĩ thuật điện tử Nền công nghiệp giới đạt thành tựu to lớn nhờ ứng dụng tiến khoa học - kĩ thuật công nghệ Máy móc thay người nhiều công việc khó khăn dần thay hoạt động lao động sản xuất Lập trình vi điều khiển phần việc thiếu chế tạo máy móc tự động Trong cỗ máy, phần khí tạo nên hình dáng cấu hoạt động linh hoạt phần lập trình mạch điện tử não điều khiển hoạt động Trong ngành công nghiệp điện tử nay, công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ bùng nổ nhanh chóng phát triển Cao công nghệ FPGA ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Là sinh viên ngành kĩ thuật việc tìm hiểu công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA nói riêng, kĩ thuật điện tử nói chung có nhiều hữu ích chọn đề tài: “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu công nghệ xử lí tín hiệu số DSP FPGA Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan công nghệ xử lí tín hiệu số DSP - Một số ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP - Tìm hiểu tổng quan công nghệ FPGA - Một số ứng dụng thực tế Đối tượng nghiên cứu Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP FPGA Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan lí thuyết số ứng dụng thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Hiểu đời, kiến trúc ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA thực tiễn Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết Cấu trúc luận văn Chương I: Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP Chương tìm hiểu đời, kiến trúc, ứng dụng ý nghĩa vai trò công nghệ xử lí tín hiệu số DSP Chương II: Công nghệ FPGA Chương tìm hiểu đời, kiến trúc, quy trình thiết kế ứng dụng công nghệ FPGA thưc tiễn Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ DSP VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Công nghệ DSP 1.1.1 Sự đời Vào năm đầu thập kỷ 80, công nghệ xử lí tín hiệu máy tính cá nhân đóng vai trò quan trọng sống hàng ngày (lí phần công nghệ gắn liền với máy tính) Trong ngành công nghệ điện tử nay, công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ bùng nổ nhanh chóng phát triển DSP hữu hiệu cấu hình ứng dụng đa dạng như: Trong lĩnh vực điện tử y học, sinh học, điều chỉnh động diesel, xử lí thoại, gọi điện thoại khoảng cách xa, xử lí, ghi nhạc tăng cường chất lượng hình ảnh, truyền hình Ví dụ: Công nghệ xử lí tín hiệu số - DSP truyền hình Công nghệ xử lí tín hiệu số-DSP truyền hình Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 1.1.2 Khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP Trước tìm hiểu khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP, xem xét thuật ngữ “xử lí tín hiệu số” gì? Xử lí tín hiệu số lĩnh vực mà sử dụng máy tính (theo nghĩa rộng) để xử lí tín hiệu, tức nâng cao chất lượng tín hiệu nhằm đạt mục đích định Xử lí tín hiệu số ngày đóng vai trò quan trọng nhiều ngành khoa học kĩ thuật, động lực thúc đẩy tiến nhiều ngành kĩ thuật cao viễn thông, đa phương tiện, chụp ảnh y khoa Ví dụ: Về trình phát triển máy ảnh số để minh họa cách mạng kĩ thuật số tác động xử lí tín hiệu số Trước đây, máy ảnh truyền thống dùng phim âm dựa tính chất vật lí thấu kính quang học để thu nhận hình ảnh, nên chất lượng hình ảnh cao, đòi hỏi hệ thống cồng kềnh Khi đời (lúc xử lí tín hiệu số chưa phát triển), máy ảnh số cho chất lượng hình ảnh thấp máy ảnh dùng phim âm Nhưng sau, phát triển vi xử lí, giải thuật xử lí tín hiệu số tinh vi, khắc phục giới hạn khoa học cải thiện chất lượng hình ảnh cuối cho máy ảnh số Nhờ vậy, chất lượng máy ảnh số thương mại ngày vượt qua máy ảnh dùng phim âm loại Máy ảnh số gắn liền điện thoại di động đòi hỏi kĩ thuật tinh vi hơn, máy ảnh dùng ống kính nhỏ nên muốn có hình ảnh chất lượng tốt cần phải dựa vào vi mạch chip xử lí tín hiệu số mà đa phần sử dụng chip xử lí tín hiệu số DSP Về bản, công nghệ máy ảnh kĩ thuật số sử dụng lực tính toán để khắc phục giới hạn vật lí Tóm lại, xử lí tín hiệu số có sở ngành toán học, vật lí khoa học máy tính, công nghệ then chốt nhiều ứng dụng thực tế Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Vậy: Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP (DSP viết tắt từ Digatal Sigmal Processing) chip xử lí tín hiệu số Thực tế, chip xử lí DSP Processor có tích hợp sẵn cung cấp cho ứng dụng cụ thể Chip xử lí tín hiệu số DSP lập trình tối ưu sẵn cho ứng dụng cụ thể: Xử lí âm thanh, hình ảnh, … thường dùng cho ứng dụng thời gian thực Nó tạo từ vi điều khiển VDK hay chip logic PLD, hay FPGA, … 1.1.3 Kiến trúc DSP tổng quát DSP (Digital Sigmal Processing) dùng lọc FIR, lọc FIR phức tạp, lọc IIR, FFT, biến đổi cosin rời rạc, tương quan Kiến trúc tổng thể DSP gồm phần sau:  Khối nhân  Khối cộng / ngõ Ví dụ: Kiến trúc tổng quát DSP hãng Altera Kiến trúc MAC – DSP họ Stratix (hãng Altera) Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 1.1.4 Ý nghĩa vai trò DSP Cuộc cách mạng DSP ngày đóng vai trò quan trọng sống Truyền tín hiệu mới, mã Morse chữ theo hệ nhị phân đời cách khoảng 150 năm Công nghệ mà người sử dụng Fax Thực tế, việc Fax số liệu qua thiết bị thu phát ứng dụng thành công cách gần 70 năm Vào năm thập kỷ 30 40, số trạm thu phát sóng gắn phát báo riêng thông qua máy Fax thiết bị thu phát Nếu bạn sống miền đông nước Mỹ vào khoảng thời gian sau chiến tranh năm 40 có máy in Fax bạn nhận thông tin tạp chí New York Times thông qua trạm Fax riêng báo Do công nghệ tốn nhiều chi phí nên việc sử dụng máy Fax không khả thi Điều dẫn đến đời máy Fax dựa đường Line điện thoại Giống mã nhị phân máy Fax, công nghệ xử lí tín hiệu số mặt lí thuyết xuất năm đầu kỷ 20 Thực tế công nghệ DSP công nghệ riêng Các DSP thao tác xử lí tín hiệu số Mặc dù DSP giống điều bí ẩn kỳ diệu thuật ngữ thực chất lại rộng phổ biến – giống “một vòng quay” chuyển biến từ xe máy lên tàu điện tiếp máy bay Hai lí giải thích tất công nghệ gắn kết với nhau: Đây công nghệ sử dụng chip DSP giống ứng dụng vào mục đích khác + DSP (công nghệ xử lí tín hiệu số) công nghệ sử dụng để thiết lập vị lọc khác nhằm tránh can nhiễu Các lọc âm Adio tiêu chuẩn đưa dải Adio định gọi dải thông Để tránh can nhiễu kênh gần kề, máy thu tín hiệu Analog truyền thống Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” kết hợp với lọc dải hẹp cho phép nghe tín hiệu dải thông hẹp Với dải thông hẹp, Adio dải hẹp từ tín hiệu khác ảnh hưởng đến tín hiệu mà bạn nghe Chỉ có vấn đề vị trí lọc hẹp nên Adio dải hẹp qua tín hiệu phát tiếng bị tắc Một số lọc CW dải cực hẹp qua Adio nhỏ gần tác dụng truyền dẫn thoại Nền tảng công nghệ DSP hoàn toàn khác hoạt động Radio Analog Công nghệ DSP tạo âm kĩ thuật số thay điện tử cho dải hẹp Adio Để thực điều này, toàn âm từ máy thu chuyển hóa thành số bit + Công nghệ DSP xử lí bit Các thuật toán máy tính khác xác định tín hiệu tiếng ồn, nhiễu tín hiệu mà bạn muốn nghe Tiếng ồn chuyển thành số xử lí DSP nhận số tín hiệu mà bạn muốn nghe, kết số bị loại bỏ không xử lí Adio Tùy thuộc vào loại DSP mà bạn sử dụng, bạn điều khiển để xóa bỏ hoàn toàn bit tiếng ồn nhiễu, không giống lọc tương tự mà có đặc tính phụ thuộc chất lượng vật liệu kiến trúc, tính công nghệ DSP dựa chủ yếu vào chất lượng thuật toán lập trình vào chip Eprom Sau vài số loại bỏ số lại phải quay trở lại thông qua trình đảo Tại đây, số chuyển thành âm Đó trình phức tạp Toàn số biểu diễn tần số, thời gian âm lượng cao đầu Adio thực tế Tại điểm số qua chuyển đổi số thành tương tự (ở chuyển đổi âm qua khuyếch đại Adio) Bộ khuyếch đại tín hiệu mạnh lên đủ để tăng công suất loa Lúc loa chuyển đổi thành xung điện vào Adio Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Dải lọc quan trọng nhiên trước lọc có giá thành cao cần thiết tính thu Nếu sử dụng vật liệu giá thành thấp lọc ngưỡng nghe rõ rệt tín hiệu gần ảnh hưởng đến trạm mà bạn nghe Tuy nhiên thiết bị ứng dụng công nghệ DSP có vị trí lọc khác ngưỡng nghe rõ rệt Thậm chí số DSP có dải tần biến đổi để bạn điều chỉnh lọc tới dải tần xác mà bạn cần, có hiệu 10 lọc Analog gộp lại Hiện hầu hết ứng dụng công nghệ DSP Radio có dạng hộp phụ kiện độc lập Một số công ty Barrett Communications tích hợp công nghệ DSP thiết bị thu phát Chip đơn DSP cho phép điều biến dải điều biến chuyển đổi tín hiệu Ale, xử lí gọi thoại tùy chọn chặn âm tiết không mong muốn đồng thời làm giảm tạp âm thu tín hiệu Vũ Thị Hồng Xiêm 10 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Ưu điểm:  Sử dụng thư viện sẵn có  Trực quan dễ sử dụng  Rút ngắn thời gian thiết kế  Đơn giản hóa quy trình thiết kế Sơ đồ thiết kế FPGA, sử dụng phần mềm Labview hãng National Instrumetns Create FPGA VI Emulate on PC to test Compile to FPGA Create Host VI Thiết kế mạch FPGA, kết hợp phần mềm hãng sản xuất với phần mềm Matlab Vũ Thị Hồng Xiêm 35 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Sơ đồ thiết kế FPGA kết hợp phần mềm Quartus II hãng Altera Sơ đồ thiết kế FPGA phần mềm Quartus II hãng Mathworks Vũ Thị Hồng Xiêm 36 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 2.1.8 Ý nghĩa vai trò FPGA Như ta biết, FPGA họ Asic lập trình Trước FPGA đời họ thuộc Asic lập trình xuất từ lâu, có vai trò không nhiều số lượng cổng chip ít, dẫn tới chức họ thuộc Asic nghèo nàn thường sử dụng với nhiệm vụ hạn chế toàn hệ thống Đến năm 1980, FPGA đời nhanh chóng cho hệ FPGA với số lượng cổng tốc độ ngày cao Các FPGA có số lượng cổng đủ lớn để thay hệ thống bao gồm lõi CPU, điều khiển, nhớ (Memory Controllen) ngoại vi SPI, Timer, 12C, GPIO, PWM, Video/ Audio Controllen, … (nghĩa tương đương với Soc đại) Tuy nhiên, FPGA so sánh với họ trước: Asic Soc kinh tế, số lần tốc độ hoạt động Nhưng bù lại, với khả tái cấu hình mạnh FPGA đóng vai trò vô to lớn việc giảm giá thành thời gian chế tạo Asic cách sử dụng FPGA trình thiết kế luận lý trước đưa sản xuất Asic mẫu Quy trình sản xuất chip Asic cách gọi Fabless phổ biến giới, Giúp Công ty nhỏ vừa, đặc biệt nước yếu công nghệ Việt Nam tham gia vào giới IC Đối với sản phẩm điện tử, yêu cầu xử lí khác nên việc dùng chip đa dạng không đem lại tốc độ xử lí mong muốn lĩnh vực xử lí hình ảnh, âm Cũng giống bạn dùng Core Duo, mạnh cần có card hình muốn chơi Game Vì vậy, người ta có nhu cầu thiết kế chung, thiết kế logic, Test logic đem sản xuất mẫu công ty bán dẫn, Test mẫu, …, đến cảm thấy ổn Nhưng công ty bán dẫn lại bận rộn, có tháng nhận mẫu mong muốn Như vậy, thiết kế chạy thử FPGA xong, đem sản xuất hàng loạt Vũ Thị Hồng Xiêm 37 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” tiết kiệm nhiều thời gian, công sức Hoặc dùng FPGA (thường giá đắt so với chíp sản xuất hàng loạt) Để giải thích cho bạn hiểu rõ quan trọng lớn FPGA, xem ví dụ sau: Trước đây, muốn chế tạo chip xử lí, người ta phải thiết kế chip mức logic sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng, để kiểm tra công đoạn người ta sử dụng phần mềm mô Sau đó, thiết kế phải tổng hợp dựa thư viện cấp thấp hãng mà bạn sản xuất chip bạn, hoạt động tần số yêu cầu Tất công đoạn kiểm tra phần mềm mô (điều dẫn tới nguy xảy sai sót lớn, chuyển sang môi trường thiết kế thực) Sau đó, bạn gửi thiết kế tới công ty sản xuất chip phó mặc số phận, chip mẫu giá vài triệu đô la chuyển cho bạn sau bạn bắt đầu trình test chip môi trường thực Nếu bạn thất bại, khả lớn bạn phải thực lại quy trình thiết kế nêu Và lần vậy, bạn phải bỏ sọt rác nhiều triệu đô la khoảng thời gian nghiên cứu lớn Quy trình làm cho đất nước nghèo Việt Nam tham gia vào chơi đất nước giàu có giới Asic Nhưng với FPGA, bạn rút ngắn thời gian thực trình thiết kế trước sản xuất Asic mà giảm chi phí nghiên cứu tối đa, trình kiểm tra thiết kế kiểm tra phần mềm mô phỏng, mà chạy thử chip thực môi trường, nói gần với môi trường Asic thực Khả tái cấu hình cho phép sửa sửa lại thiết kế đạt yêu cầu mà không tốn xu tiền điện phải trả 2.2 Ứng dụng FPGA Thực tế FPGA hay sử dụng hệ thống SDR (Software Defined Radio) khả tái cấu hình giúp chức Vũ Thị Hồng Xiêm 38 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” thiết bị thay đổi nhanh chóng Bạn hỏi hệ thống CPU/MCU/DSP làm việc này, thực có nhiều ứng dụng tốc độ cao mà MCU, chí CPU/DSP trung bình phải bất lực Tại phải dùng FPGA bạn nắm tay MCU/CPU chí DSP cực mạnh? Dưới lí giải thích cho câu hỏi trên: + MCU/CPU/DSP cần phần cứng (Hardware) khác bên ứng dụng chuyên dụng + Để điều khiển hình ảnh (VGA) sử dụng CPU làm điều khiển (Controller) cần CPU với tốc độ 27Mhz hoạt động 100% CPU + Các ứng dụng xử lí hình ảnh/video, ứng dụng mạng thông minh (Neuron), IA cần tốc độ xử lí lớn Mặc dù DSP đủ mạnh Soc mạnh thực được, lựa chọn phụ thuộc vào vấn đề kinh tế + Có bạn nghĩ thiết kế CPU mình? Với FPGA bạn hoàn toàn thực điều + Đến với FPGA, bạn có hội để tiếp cận gần giới IC + Bạn thực hệ thống đầy đủ CPU/Peripheral/IO … kết nối chúng theo ý muốn, chí hệ thống đầy đủ không cần CPU Chip giải mã/ nén Video/ Audio, Chip xử lí hình ảnh/ giọng nói, Chip PID Motor Controller, Net Working Chip, … Sử dụng FPGA ứng dụng thiết kế mạch điện tử phương pháp lập trình sở ngôn ngữ đặc tả phần cứng VHDL, AHDL, Verilog, … ứng dụng nhiều có nhiều triển vọng Người thiết kế cần mô hoạt động thiết bị cần thiết kế ngôn ngữ HDL, sau dịch nạp xuống FPGA, có mạch thực Vũ Thị Hồng Xiêm 39 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” chức mà ta mô Để hiểu rõ ứng dụng FPGA xem số ứng dụng cụ thể 2.2.1 Ứng dụng FPGA bảo mật Với việc thực AES FPGA hay thực mật mã đường elip FPGA cho thấy công nghệ FPGA thích hợp để cứng hóa mật mã nên lựa chọn công nghệ FPGA có nhiều ưu điểm là:  Tốc độ cao hoàn toàn dựa phần cứng (Hardware)  An toàn mật mã cao  Mềm dẻo  Dễ phát triển 2.2.1.2 Thực AES FPGA Tiêu chuẩn mã hóa ASE (Advsncend Encryption Standard) thuật toán nhiều nước ứng dụng, việc thực mã hóa ASE FPGA có nhiều hiệu Tài nguyên chip FPGA vấn đề cần xem xét thiết kế cho AES Có thể sử dụng nhiều chip FPGA cho thiết kế thuật toán, nhiên giá thành tăng Vì người ta thường cố thực toàn thuật toán AES chip FPGA Khi phải lưu tâm đến vấn đề tài nguyên chip Trước tiên, để đạt tốc độ cao cần số lượng lớn chân vào I/O nhằm hỗ trợ hoàn toàn luồng Data 128-bit Cũng không nên dùng giải pháp dồn kênh mà phải tách riêng 128-bit liệu đầu vào đầu phép cấu trúc ống (Pipeline) Tiếp theo, phải có bus riêng để nhập khóa trước bắt đầu mã hóa thay đổi khóa vòng mã Thêm nữa, để thực kiến trúc Pipeline cách hoàn toàn cần tầng Pipeline rộng 128 bit, lại cần nhiều ghi Và nữa, cần nhiều bit ghi khối cấu hình chip FPGA để xếp phần tử thiết kế giảm thiểu số đường dẫn khối Cuối cùng, cần chuỗi số nhớ Vũ Thị Hồng Xiêm 40 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” (carry) nhanh khối cấu hình FPGA cho thao tác số học để cực đại hiệu suất thực hiệu thuật toán AES 2.2.1.3 Thực mật mã đường Elliptic FPGA Mật mã đường cong Elliptic (ECC) thích hợp với ứng dụng nhúng việc cứng hóa cần tài nguyên phần cứng So với hệ mật khóa công khai khác RSA Logarthm rời rạc ECC có độ dài khóa ngắn hơn, độ an toàn cao Ví dụ: Dùng VLSL để thực ECC 155 bit cần 11,0000 transistor, để có độ an toàn tương đương RSA phải 512 bit thực 50,000 Transistor ECC an toàn RSA Để phá ECC 97 bit cần công suất tính toán gấp đôi để phá RSA 512 bit Đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết lẫn thực hành để cứng hóa ECC FPGA: Nghiên cứu ECC trường Galois hỗn hợp nghiên cứu nhân Super – serial… Khả tiêu thụ tài nguyên phần cứng ECC thuận lợi dáng kể cho việc cứng hóa ECC FPGA so với AES 2.2.2 Ứng dụng nhúng FPGA Vi điều khiển họ 8051 đến PIC, AVR cao họ ARM, AVR32 hay PSOC Ngày nay, vi điều khiển phát triển vượt bậc chứng đời công nghệ FPGA Với công nghệ phát huy sức mạnh tốt ghép nối với vi điều khiển hay nói cách khác công nghệ FPGA làm vi điều khiển phát huy hết khả Đó mục đích tư tưởng thiết kế Co – Desing Vũ Thị Hồng Xiêm 41 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Co – Desing kết hợp lực phần cứng FPGA với ưu xử lí phần mềm vi điều khiển để tạo nên hệ thống đầy sức mạnh Ví dụ: Ta muốn thiết kế ứng dụng đo nhiệt độ phòng với cảm biến nhiệt có giao tiếp 12C Nếu dùng MUC thông thường giao tiếp 12C gặp nhiều khó khăn (phải lập trình ngắt, bắt sườn, mức xung, …) Nếu sử dụng FPGA ứng dụng không ổn lúc gặp khó khăn định tính toán số học Vì cảm biến đo nhiệt độ đơn vị độ F, ta muốn hiển thị độ C, mà muốn thực phép toán cộng, trừ, nhân, chia để chuyển đổi độ F với độ C FPGA không đơn giản Trong trường hợp ta thiết kế theo phương thức Co – Desing FPGA phụ trách giao tiếp với cảm biến 12C trả số liệu thô để MCU thực tính toán số học Vậy, không lấy MCU có sẵn giao tiếp 12C nối controlller 12C với MCU? Vũ Thị Hồng Xiêm 42 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Câu trả lời là: Nếu sau ta tìm thấy cảm biến khác tốt hơn, xác lại giao tiếp SPI CAN, lúc ta phải bỏ nhiều công sức để thay đổi nhiều thiết kế (thay MCU khác có SPI, CAN thay controller khác) sử dụng khả tùy biến phần cứng FPGA, ta cấu hình lại giao thức 12C thành SPI hay CAN,… Tuyệt vời ta lưu cấu hình FPGA thẻ nhớ (MMC, Compact Flash) MCU cấu hình lại FPGA trình hoạt động mà cần nạp lại trương trình Thậm chí nhiều FPGA có đặc tính cấu hình lại phần FPGA phần khác hoạt động mà không cần phải reset lại FPGA Trong thực tế, ghép nối FPGA với MCU chân giao tiếp thông thường Một cách khác sử dụng MCU nhúng có sẵn FPGA nhiều MCU cứng mềm Với Altera Nios, Nios ll (MCU mềm) hay Excanlibur (MCU cứng với lõi ARM922T) Còn FPGA Xilinx Picoblaze, Microblaze (MCU mềm) hay PowerPC (cứng) MCU cứng thiết kế sẵn FPGA, MCU mềm thực chất IP thường VHDL công cụ thiết kế triển khai IP xuống FPGA Chính MCU mềm tốn phần tài nguyên FPGA, bù lại cập nhật, thay đổi tùy biến theo phiên khác Vũ Thị Hồng Xiêm 43 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 2.3 Giới thiệu số KIT FPGA 2.3.1 Kit Stratix EP 1S25 (Altera) hãng Parallax Kit Stratix EP 1S25 (Altera) hãng Parallax: + 144 chân I/O + Bộ dao động xung Clock 50MHz + Nguồn 3.3V cho I/O 1.5V cho lõi FPGA + Cổng nối tiếp chuẩn chân + Các chân nối JTAG 2.3.2 Kit UP2 Altera Vũ Thị Hồng Xiêm 44 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Kit UP2 Altera: + Chip EPM 7128S họ Max7000 + Chip EPF 10K70 họ FLEX10K + Hỗ trợ led đoạn + 16 led + JTAG Chain, cáp tải Byte Blaster II + Cổng giao tiếp P/S2, VGA + Bộ tạo dao động 25.17 MHz Vũ Thị Hồng Xiêm 45 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” 2.3.3 Kit Digilab 2E Digilent Kit Digilab 2E Digilent: + Spartan 2E XC2S200E Xilinx + 143 chân I/O người dùng + Nguồn điều chỉnh 1,5A (2,5 3,3V) + Bộ dao động 50MHz + Cổng JTAG + Cổng RS-232 + Một Led nút bấm 2.3.4 Virtex-4 ML401 Development Board Vũ Thị Hồng Xiêm 46 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” Virtex-4 ML401 Development Board: + Linh kiện: XC4VLX25-FF668-10C + Tần số: 100 MHz Oscillator + Bộ nhớ: 64 MB DDR SDRAM, 8Mb ZBT SRAM, 64 Mb Flash, kb I2C EEPROM + Hiển thị: 16x2 Character LCD + Các giao tiếp: 4SMA (Differential Clocks), 2PS/2 (Keyboard /Mouse), Audio Jacks (Line In/Out), Microphone, Head Phone), RS-232 Serial Port, 3USB Ports, JTAG, VGA Vũ Thị Hồng Xiêm 47 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” PHẦN III KẾT LUẬN Ngày nay, công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA phát triển Nó ứng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống, xã hội Khóa luận vào tìm hiểu tổng quan số ứng dụng thực tiễn Sau trình nghiên cứu hoàn thành khóa luận thu số kết sau: - Nắm cách thức làm nghiên cứu khoa học - Nắm tổng quan công nghệ xử lí tín hiệu số DSP cụ thể đời, cấu tạo, ý nghĩa vai trò đời sống xã hội - nắm cấu tạo công nghệ FPGA số ứng dụng thực tiễn Luận văn thực hữu ích bổ xung thêm phần thực nghiệm Cuối cùng, mong giúp đỡ đóng góp ý kiến để đề tài thực có ý nghĩa ứng dụng sống Vũ Thị Hồng Xiêm 48 Lớp K32D - SPKT - Vật lý “Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA” TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quốc Trung “Xử lí tín hiệu lọc số” – Tập 1, Tập 2, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, Hà Nội 2001 Nguyễn Xuân Quỳnh “Cơ sở toán rời rạc ứng dụng”, Nhà xuất Giáo dục, Hà nội 1995 Jonh G.Proakis and Dimitris G.Mamolakis “Digital Signal Processing: Princingles Algaorithms, and Application” Macimillan Publishing Company, Printed The Republic Ò Singapore, 1992 Phạm Ngọc Nam “Thiết kế hệ thống số dùng vi mạch logic khả trình”, Đại học Bách khoa, 2007 http://www.dientu.net http://www.toitim.net http://ptithcm.org Vũ Thị Hồng Xiêm 49 Lớp K32D - SPKT - Vật lý [...]... Ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP trong nhạc số, video số, ảnh số 1.2.1.1 Ứng dụng bộ xử lí DSP của Motorola 56367 trong loa DSP 3100 Tháng 11 - 2005, Meridian đã đưa ra sản phẩm loa DSP 3100 Đây là sản phẩm được ứng dụng công nghệ DSP với những ưu điểm vượt trội: Vũ Thị Hồng Xiêm 11 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA DSP3 100 khá nhỏ, không bị lộ và thích... trúc FPGA chung của hãng Xinlinx Vũ Thị Hồng Xiêm 20 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Kiến trúc FPGA Spartan II hãng Xilinx Kiến trúc FPGA Spartan IIE hãng Xilinx Vũ Thị Hồng Xiêm 21 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Kiến trúc FPGA Spartan IIE của hãng Xilinx Là một họ linh kiện FPGA của hãng Xilinx Một số Kit FPGA và. .. Kit Board  Có mạch điện: Kit Xilinx Startan-3 FPGA Starter Kit Board Vũ Thị Hồng Xiêm 25 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA  Sơ đồ khối: Vũ Thị Hồng Xiêm 26 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA 2.1.4.2 Kiến trúc FPGA hãng Altera Một số Kit FPGA của hãng Altera và tham số kĩ thuật: Bảng 1: Table 1 MAX 7000 Device Features... lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA không bị ảnh hưởng, nghĩa là bề mặt phải phẳng, hấp thụ ánh sáng đều (và tất nhiên là không được trong suốt) Nói tóm lại, chuột quang vẫn mang lại khả năng điều khiển chính xác, nhẹ nhàng và đang thay thế gần như hoàn toàn thế hệ chuột cơ, quang - cơ Vũ Thị Hồng Xiêm 15 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA ... cho các ngõ vào/ra thanh ghi và điều khiển  Các khối DSP  Khối PLLs * Dưới đây là kiến trúc FPGA của họ Stratix: Kiến trúc FPGA họ Stratix (hãng Altera) Vũ Thị Hồng Xiêm 31 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA 2.1.5 Phân loại FPGA FPGA có rất nhiều cách phân loại ta có thể phân loại theo các cách sau: Phân loại theo cấu tạo xử lí gồm có 2 loại là: Xử lí mịn (Fine... 1.2.1.2 Ứng dụng trong nhạc số, ảnh số, video số Với các ứng dụng DSP (Dagital Signal Processing), máy tính có thể xử lí tất cả những gì con người nghe và nhìn Nói cách khác, bất cứ thông tin Vũ Thị Hồng Xiêm 12 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Digital nào cũng có sự hiện diện DSP trong đó, khiến người ta quên rằng về cơ bản họ đang sống trong thế giới Analog... Dedcated Routing  Global Routing  IOB: Tín hiệu vào qua một bộ đệm, tín hiệu ra qua bộ đệm ba trạng thái, theo các chuẩn, bộ nhớ/giao tiếp bus Mỗi IOB gồm 3 Flip-Flop chia chung 1 tín hiệu Clock và các tín hiệu CE (Clock Enable), điều khiển độc lập cho từng Flip-Flop Vũ Thị Hồng Xiêm 23 Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Bảng 2: Spartan-lle Device # of Blocks... thế giới Công nghệ này sẽ không ngừng phát triển và tiến xa hơn nữa trong tương lai 1.2 Ứng dụng của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP Ứng dụng công nghệ xử lí số DSP rất phong phú trong mọi lĩnh vực như: Trong lĩnh vực điện tử, y học, sinh học, trong điều chỉnh động cơ Diesel, ghi nhạc và tăng chất lượng hình ảnh, truyền hình, xử lí thoại, các cuộc gọi thoại khoảng cách xa… Dưới đây là một số ứng dụng... Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Máy thu phát HF-SSB 2050 (Barrett Communications) Những năm trước, một chiếc Radio không ứng dụng công nghệ DSP cũng không khác gì một máy thu phát mà không có hiển thị số như ngày nay Hiện tại, phần lớn các nhà sản xuất các thiết bị điện tử tập trung chủ yếu vào công nghệ DSP, các chip DSP tích hợp trong các thiết bị... RAM RAM Bits I/O Pairs Bits Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA Gồm các khối:  CLB: Một CLB gồm logiccell,logic-cell gồm 2Lut giống nhau, mỗi Lut gồm 4 ngõ vào, tín hiệu điều khiển và FF-D Mỗi CLD gồm hai bộ điều khiển ngõ ra 3 trạng thái (Buft) Mỗi Buft có chân điều khiển và ngõ vào độc lập  Đi dây: Công nghệ Sram, General Routing Matrix (GRM)  Loacal Routing ... Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA 1.1.2 Khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP Trước tìm hiểu khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP, xem xét thuật ngữ xử lí tín hiệu số ... hiểu công nghệ xử lí tín hiệu số DSP FPGA Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan công nghệ xử lí tín hiệu. .. công nghệ FPGA thưc tiễn Vũ Thị Hồng Xiêm Lớp K32D - SPKT - Vật lý Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP công nghệ FPGA PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ DSP VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Công