SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN

SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN GVHD : ThS.TRẦN HOÀNG QUÂN SVTH : NGUYỄN VƯƠNG NAM NGUYỄN ĐÌNH THI LỚP : ĐHĐT2B KHÓA : 2006 - 2010 TP. Hồ Chí Minh, Ngày 07 Tháng 07 Năm 2010 LỜI MỞ ĐẦU Xu hướng hiện nay của thế giới là phát triển mạnh công nghệ bán dẫn.Một Chip có thể tích hợp trên nó nhiều cổng logic có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ngày nay ngành công nghệ chế tạo phần cứng luôn có những đột phá không ngừng. Từ các mạch điện đơn giản đến các mạch số, mạch tích hợp, kiến trúc mạch trở nên ngày một phức tạp hơn. Nhờ những ưu điểm hơn hẳn so với các phương pháp phân tích, mô hình hoá, thiết kế mạch số kiểu truyền thống mà phương pháp sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL-Hard ware Description Languages) đang trở thành một phương pháp thiết kế các hệ thống điện tử số phổ biến trên toàn thế giới. Đối với em là sinh viên ngành điện tử viễn thông với luận văn tốt nghiệp của mình. Việc xác định cho mình một đề tài thiết thực và gắn liền với chuyên ngành của mình là một điều cần thiết. Nên em đã chọn đề tài “Sử dụng ngôn ngữ VHDL xây dựng chuyển mạch không gian đơn giản”, đề tài này sẽ xây dựng ứng dụng chuyển mạch tổng đài đơn giản. Bước đầu tìm hiểu ngôn ngữ VHDL, kiểm tra bằng Test bench của phần mềm chuyên dụng XiLinx và cuối cùng là nạp vào KIT để kiểm tra. Bài luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1: Tìm hiểu về chuyển mạch trong tổng đài Chương 2: Tìm hiểu về ngôn ngữ VHDL Chương 3: Giới thiệu Kit Spartan 3E và công cụ ISE 9.2i Chương 4: Thiết kế mạch và nạp Kit Trong quá trình thực hiện đề tài này, do còn hạn chế về kiến thức và thời gian nên không tránh được những thiếu sót. Chúng em kính mong quý thầy cô thông cảm và bỏ qua đồng thời chúng em cũng mong nhận được những góp ý và chỉ bảo thêm của quý thầy cô. LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện tử trường ĐH Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt quá trình học. Đặc biệt là thầy Trần Hoàng Quân đã tận tình chỉ dẫn cho chúng em trong quá trình làm và hoàn thành đồ án này. Đồng cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em học tập và trau dồi kiến thức. Xin cảm ơn các bạn cùng lớp đã có ý kiến đóng góp cho nhóm trong quá trình tìm hiểu và làm đồ án. Do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong nhận được ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn, và tạo lập cho chúng em có một cơ sở nhìn nhận về khả năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn đấu tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Vương Nam Nguyễn Đình Thi NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Khóa: 2006 - 2010 Lớp: ĐHĐT2B GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân Ngày… tháng… năm 2010 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Khóa: 2006 - 2010 Lớp: ĐHĐT2B Ngày… tháng… năm 2010 Giáo viên phản biện MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUYỂN MẠCH TRONG TỔNG ĐÀI 1.1. Thực trạng tình hình mạng viễn thông . 1 1.2. Mô hình mạng viễn thông . 1 1.3. Lịch sử và xu hướng phát triển của hệ thống tổng đài 2 1.3.1. Sơ lược về lịch sử kỹ thuật tổng đài . 2 1.3.2. Xu hướng phát triển . 4 1.4. Phân loại tổng đài điện tử 4 1.4.1. Phân loại theo phương thức điều khiển . 5 1.4.2. Phân loại theo vị trí 5 1.4.3. Phân loại theo tín hiệu . 6 1.5. Các loại chuyển mạch kênh . 6 1.5.1. Chuyển mạch tín hiệu tương tự 6 1.5.2. Chuyển mạch tín hiệu số 7 1.5.3. Chuyển mạch tín hiệu quang 7 1.6. Chuyển mạch tương tự 7 1.7. Chuyển mạch số . 8 1.7.1. Nguyên tắc chung 8 1.7.2. Trường chuyển mạch không gian 8 1.7.2.1. Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian . 8 1.7.2.2. Nguyên lý hoạt động 10 1.7.2.3. Chuyển mạch song song 11 1.7.3. Trường chuyển mạch thời gian 13 1.7.3.1. Khái niệm chung 13 1.7.3.2. Trường chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu ra 14 1.7.3.2.1. Cấu tạo .14 1.7.3.2.2. Nguyên lý làm việc .14 1.7.3.3. Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào 16 1.7.3.3.1. Cấu tạo .16 1.7.3.3.2. Nguyên lý hoạt động .16 1.7.3.4. Trễ trong chuyển mạch thời gian 17 1.7.3.5. Đặc tính không tổn thất .17 1.7.4. Trường chuyển mạch ghép .17 1.7.4.1. Khái niệm về trường chuyển mạch ghép 17 1.7.4.2. Trường chuyển mạch TST 17 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ VHDL 2.1. Giới thiệu về VHDL 20 2.2. Giới thiệu công nghệ và ứng dụng thiết kế mạch bằng VHDL 21 2.2.1 Ứng dụng của công nghệ thiết kế mạch bằng VHDL 21 2.2.2 Quy trình thiết kế mạch bằng VHDL 22 2.2.3. Công cụ EDA 23 2.2.4. Chuyển mã VHDL vào mạch 23 2.3. Cấu trúc mã 26 2.3.1. Các đơn vị VHDL cơ bản .26 2.3.2. Khai báo Library 26 2.3.3. Entity ( Thực thể) 28 2.3.4. Architecture ( Cấu trúc) .29 2.4. Kiểu dữ liệu 33 2.4.1. Các kiểu dữ liệu tiền định nghĩa 33 2.4.2. Các kiểu dữ liệu người dùng định nghĩa .36 2.4.3. Các kiểu con (Subtypes) .37 2.4.4. Mảng (Arrays) .37 2.4.5. Mảng cổng ( Port Array) 38 2.4.6. Kiểu bản ghi (Records) .38 2.4.7. Kiểu dữ liệu có dấu và không dấu ( Signed and Unsigned) .39 2.4.8. Chuyển đổi dữ liệu 39 2.4.9. Tóm tắt . 40 2.5. Toán tử và thuộc tính . 40 2.4.1. Toán tử . 40 2.4.1.1 Toán tử gán 41 2.4.1.2 Toán tử Logic 41 2.4.1.3 Toán tử toán học . 41 2.4.1.4 Toán tử so sánh . 41 2.4.1.5 Toán tử dịch 42 2.4.2. Thuộc tính 42 2.4.2.1.Thuộc tính dữ liệu . 42 2.4.2.2. Thuộc tính tín hiệu . 43 2.4.3. Thuộc tính được định nghĩa bởi người dùng 43 2.4.4. Chồng toán tử 44 2.4.5. Generic 44 2.5. Mã song song . 45 2.5.1. Song song và tuần tự 45 2.5.1.1.Mạch tổ hợp và mạch dãy 45 2.5.1.2. Mã song song và mã tuần tự . 46 2.5.2. Sử dụng các toán tử 46 2.5.3. Mệnh đề WHEN 47 2.5.4. GENERATE .47 2.5.5. BLOCK 48 2.5.5.1.Simple BLOCK .48 2.5.5.2. Guarded BLOCK .48 2.6. Mã tuần tự 49 2.6.1. PROCESS 49 2.6.2. Signals và Variables .49 2.6.3. IF 50 2.6.4. WAIT 50 2.6.5. CASE 51 2.6.6. LOOP . 51 2.6.7. Bad Clocking . 52 2.6.8. Sử dụng mã tuần tự để thiết kế các mạch tổ hợp 52 2.7. Signal và Variable 52 2.7.1. CONSTANT . 53 2.7.2. SIGNAL . 53 2.7.3. VARIABLE . 54 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU KIT SPARTAN 3E VÀ CÔNG CỤ ISE 9.2i 3.1. Các thành phần của KIT 55 3.2. Sơ đồ chân của XC3S500E .56 3.3. Bộ tạo dao động trên KIT 56 3.4. Các nút chuyển, nút nhấn, Led 57 3.5. Cấp nguồn 59 3.6. Cấu hình FPGA 59 3.6.1. Nạp trực tiếp vào FPGA thông qua cổng JTAG hay cổng USB 61 3.6.2. Nạp vào Platform Flash PROM XCF04S (4Mbit), rồi cấu hình cho FPGA ở chế độ Master Serial Mode 62 3.6.2.1. Tạo file bitstream (.bit) cho FPGA . 62 3.6.2.2. Tạo file cấu hình cho PROM 64 3.6.2.3. Nạp chương trình vào PROM .67 3.7. Tổng quan cấu trúc SPARTAN - 3E 70 3.7.1. Input/Output Blocks (IOBs) : các khối vào ra 70 3.7.2. Configurable Logic Blocks (CLBs) : Khối chức năng logic 71 3.7.3. Block RAM : Khối nhớ . 72 3.7.4. Dedicated Multipliers : Bộ nhân chuyên dụng . 72 3.7.5. Digital Clock Managers (DCMs) : Bộ quản lí xung Clock 73 3.7.6. Interconnect : Các kết nối 74 3.8. Sơ lược về ISE 9.2 i . 74 3.8.1. Tạo một Project . 74 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH VÀ NẠP KIT 4.1. Ý tưởng thiết kế mạch . 94 4.2. Thiết kế mạch . 94 4.3. Cấu trúc mạch và code chương trình 96 4.3.1. Cấu trúc mạch .96 4.3.2. Code chương trình 98 4.3.3. Kết quả mô phỏng bằng Test Bench . 103 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO [...]... thức chuyển mạch - Chuyển mạch phân kênh theo không gian: Các tiếp điểm chuyển mạch là các linh kiện điện tử 2 trạng thái: đèn điện tử, transistor, IC Loại này vẫn còn đang sử dụng - Chuyển mạch phân kênh theo thời gian: Đang sử dụng - Chuyển mạch phân kênh theo tần số: Hiện thời không được sử dụng trong viễn thông - Chuyển mạch phân kênh theo bước sóng (Chuyển mạch quang): Đang nghiên cứu để sử dụng. .. Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch số Hình 1.3 Cấu tạo của trường chuyển mạch không gian Hình 1.4 Chuyển mạch song song Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mạch không gian thực tế Hình 1.6a Tổng thể Hình 1.6b Mô hình chuyển mạch thời gian Hình 1.7 Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra Hình 1.8 Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào Hình 1.9 Trường chuyển mạch TST Hình 1.10 Mô hình chuyển mạch có 4 PCM vào... trường chuyển mạch này đều ở dạng số (tín hiệu của các cuộc gọi đã được mã hóa thành tín hiệu PCM) Để chuyển mạch giữa chúng thì cần phải thực hiện chuyển đổi khe thời gian giữa các kênh thoại từ đầu vào đến đầu ra của các trường chuyển mạch Có 2 dạng chuyển mạch số: Chuyển mạch thời gian và chuyển mạch không gian Hệ thống chuyển mạch thường có cấu trúc ghép hợp của chuyển mạch không gian và thời gian. .. tầng chuyển mạch trong các tuyến PCM thường có cấu trúc “gập”- đầu ra nối với đầu vào Ở tổng đài chuyển tiếp, trường chuyển mạch không “gập” Còn các tổng đài điện tử ngày nay có cấu trúc cho cả nội hạt và chuyển tiếp nên trường chuyển mạch có “gập” và không “gập” Hình 1.9 Trường chuyển mạch TST Khối chuyển mạch không gian sử dụng ma trận 4 x 4; phần chuyển mạch thời gian đầu vào có 4 chuyển mạch thời gian. .. hợp như vậy vần phải chuyển đổi cả PCM đầu vào tới đầu ra, nhiệm vụ này do trường chuyển mạch không gian thực hiện; việc tiếp theo là chuyển đổi khe thời gian, nhiệm vụ đó được thực hiện bởi trường chuyển mạch thời gian 1.7.2 Trường chuyển mạch không gian 1.7.2.1 Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian Trường chuyển mạch (TCM) không gian số có cấu trúc kiểu ma trận đơntiếp thông hoàn toàn... Nam Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 19 Giả sử thuê bao chủ gọi được phân phối khe thời gian TS4 của PCMi0, và thuê bao bị gọi được phân phối cho khe thời gian TS6 của PCMi3 Trong quá trình chuyển mạch qua các bộ chuyển mạch thời gian để chuyển tiếp tới bộ chuyển mạch không gian và ngược lại thường dùng các khe thời gian trung gian Giả sử: - TS10: khe thời gian trung gian cho hướng từ chủ... ThS Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 14 Hình 1.6b Mô hình chuyển mạch thời gian Có 2 loại trường chuyển mạch thời gian được sử dụng rộng rãi:  Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu vào  Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra 1.7.3.2 Trường chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu ra 1.7.3.2.1 Cấu tạo Thành phần chủ yếu gồm có:... trường chuyển mạch không gian và thời gian thuần tuý gây ra Thông thường ở các tổng đài điện tử số để giảm tổn thất chung, nhất là ở các tầng ra thì thường dùng bộ chuyển mạch thời gian kết nối bộ chuyển mạch không gian tạo thành trường chuyển mạch ghép: TST Có những tổng đài dùng TSST, còn những tổng đài bình thường chỉ dùng ST… 1.7.4.2 Trường chuyển mạch TST Trường chuyển mạch TST bao gồm một khối chuyển. .. lý chuyển mạch đầu ra OT làm việc theo nguyên lý chuyển mạch đầu vào Nếu hướng A-B chọn khe thời gian trung gian là i, thì hướng B-A chọn khe thời gian trung là đối xứng (n/2) + i Thí dụ: Hệ 32 khe thời gian sẽ có: n= 32 GVHD: ThS Trần Hoàng Quân , i = 0  15 SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam 20 Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ VHDL 2.1 Giới thiệu về VHDL VHDL là ngôn. .. mạch TST Trường chuyển mạch TST bao gồm một khối chuyển mạch không gian có kích thước (n x n) và 2 khối chuyển mạch thời gian ở đầu vào và đầu ra GVHD: ThS Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 18 Mỗi khối chuyển mạch thời gian có n bộ chuyển mạch Mỗi bộ chuyển mạch có m khe thời gian, mỗi khe đều có 1 ô nhớ trong bộ nhớ tiếng nói và 1