Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, tháng 08 năm 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã Số : 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Vũ Duy Linh Thái Nguyên, tháng 08 năm 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ I LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Thái nguyên, ngày 30 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Quang Huy Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ II LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên muốn gửi lời cảm ơn đến thầy giáo TS Vũ Duy Linh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn thực luận văn Tôi mong muốn bày tỏ lòng biết ơn đến thầy, cô giáo Viện Công Nghệ Thông Tin Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Thái Nguyên tận tình dạy dỗ tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt khóa học qua Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt bố mẹ, anh, chị vợ ngƣời yêu thƣơng, dùi dắt ủng hộ sống Cuối xin cảm ơn ban lãnh đạo Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghệ ITS Việt Nam, anh chị em đồng nghiệp tạo điều kiện cho tham gia hoàn thành khóa học Tôi xin cảm ơn bạn tôi, ngƣời bên cạnh động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến thiết thực trình học tập thực luận văn./ Thái Nguyên, ngày 30 tháng năm 2015 Sinh Viên Thực Nguyễn Quang Huy Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH V BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU VI LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Lịch sử đời FPGA 1.2 Quy trình thiết kế FPGA tổng quát 11 1.3 Ứng dụng FPGA 15 1.4 Một số ngôn ngữ lập trình cho PFGA 15 1.4.1 Ngôn ngữ VHDL 16 1.4.2 Cấu trúc mô hình hệ thống mô tả VHDL 18 1.4.3 Ngôn ngữ Verilog 22 1.4.4 Phƣơng pháp kiểm tra Verilog 23 1.5 Môi trƣờng lập trình cho FPGA 23 1.5.1 Phần mềm ISE hãng Xilinx 24 1.5.2 Phần mềm Quartus II hãng Altear 27 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ FPGA VÀ BÀI TOÁN XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU 30 2.1 Các mạnh ngôn ngữ đặc tả phần cứng 30 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ IV 2.2 Các kỹ thuật xử lý nhanh liệu 31 2.3 Kỹ thuật Pipeline công nghệ FPGA 33 2.4 Tổ chức Pipeline lập trình cho FPGA 35 2.5 Pipeline cho toán nhân số FPGA 36 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG FPGA XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU 42 3.1 Lựa chọn công cụ thử nghiệm 42 3.2 Bài toán nhân số nguyên đơn giản 45 3.3 Bài toán nhân số nguyên sử dụng kỹ thuật Pipeline 48 3.4 Đánh giá kết 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc tổng thể FPGA Hình 1.2: Khối logic FPGA Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ V Hình 1.3: Bộ dồn kênh F5 F6 Hình 1.4: Sơ đồ khối khối lặp xóa độ giữ chậm Hình 1.5: Sơ đồ khối “Mô đun logic thích nghi” ALM Hình 1.6: Quy trình thiết kế FPGA Hình 1.7: Cấu trúc process Hình 1.8: Sơ đồ khối testbench Hình 1.9: Giao diện phần mềm ISE Hình 1.10: Các lựa chọn tạo Project với Virtex4 Hình 1.11: Thiết lập thời gian đếm tiến, lùi cho counter Hình 1.12: Giao diện phần mềm Quartus II Hình 2.1: Kỹ thuật Pipeline Hình 2.2: Mô hình tổ chức Pipeline Hình 2.3: Phép nhân số A x B = Y Hình 2.4: Thực thi phép nhân số A x B = Y Hình 2.5: Pipeline cho phép nhân số A x B = Y Hình 2.6: Mô hình Pipeline cho phép nhân số A x B = Y Hình 2.7: Pipeline cho phép nhân số A x B = Y Hình 3.1: Tạo Project Hình 3.2: Lựa chọn ngôn ngữ VHDL Hình 3.3 Thiết kế nhân số Hình 3.4 Kết thực 250 x 15 = 3750 Hình 3.5: Các tham số input, output LPM_MULT Hình 3.6: Kết thực phép nhân 250 x 15 = 3750 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh FPGA : Field-Programmable Gate Array Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ VI DSP : Digital Signal Processing RAM : Ramdom Access Memory ROM : Read – only Memory DLL : Delay Locked Loop ADC : Analog-to-Digital Converter ASIC : Application-Specific Integrated Circuit CPLD : Complex Programmable Logic Device DAC : Digital - to - Analog Converter DRAM : Dynamic Ramdom Access Memory EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read – Only Memory FIFO : First In First Out HDL : Hardware Description Language I/O : Input/Output LAB : Logic Array Block LUT : Look Up Table PLA : Programmable Logic Array SPLD : Simple Programmable Devices SRAM : Static Ramdom Access Memory VHDL : VHSIC hardware description language VHSIC : Very High Speed Itergrated Circuit Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thông tin kĩ thuật số với phát triển ứng dụng rộng rãi vi xử lý Bằng việc đƣa sức mạnh kỹ thuật số vào thực tiễn, vi xử lý ngày thay đổi cách sống loài ngƣời Các vật dụng nhƣ máy tính, máy tính bảng, điện thoại, ngày thông minh hơn, mạnh mẽ nhanh nhờ vi xử lý Trong công nghệ FPGA xuất nhƣ giải pháp cho vấn đề tranh thủ thời gian để đƣa thị trƣờng tránh rủi ro tài trình nghiên cứu sản phẩm công nghệ điện tử FPGA loại thiết bị khả trình (PLD) tiên tiến nghành công nghệ chế tạo IC chuyên biệt mà đƣợc gọi ASIC Với phát triển công nghệ thông tin nhƣ việc nghiên cứu công nghệ FPGA ứng dụng xử lý liệu nhanh ngày đƣợc qua tâm FPGA đƣợc biết đến với nhiều tính cao cấp mạnh mẽ Với việc tích hợp thêm số lƣợng lớn thiết bị logic lập trình đƣợc nhƣ nhớ với dung lƣợng lên tới Megabits, FPGA hỗ trợ nhân xử lý, DSP, nhiều thu phát nhúng với tốc độ tới hàng gigabit/s [11] Sự đời nhiều thu phát tốc độ cao FPGA có ý nghĩa lớn “các I/O tốc độ cao đời đánh dấu cột mốc lớn chúng ta” Các thu phát tốc độ Gigabit, đƣợc ghép nối với tài nguyên xử lý dồi Giờ giải ứng dụng với tốc độ truyền cao nhiều Các nhà sản xuất thiết bị nhận thấy FPGA hấp dẫn nhiều nguyên nhân Nó đem lại cho thiết bị linh hoạt khả tùy biến cao thuộc tính quan trọng mà hãng tìm kiếm nhằm mang đến khác biệt cho sảm phẩm giúp đƣa sản phẩm tới thị trƣờng nhanh FPGA tùy biến linh động, FPGA với thu phát quang cho phép hỗ trợ nhiều giao thức Ví dụ: Ethernet SONET/SDH Tùy thuộc vào firmware đƣợc tải xuống FPGA Tính 44 Lúc file soạn thảo đƣợc lƣu thƣ mục Introtutorial, hình soạn thảo để thực soạn thảo Sử dụng lệnh mẫu: Cú pháp VHDL gây nên khó hiểu cho ngƣời thiết kế Để giải vấn đề này, trình soạn thảo văn VHDL cung cấp cho ta siêu tập mẫu VHDL Những mẫu cung cấp ví dụ kiểu cú pháp VHDL Sử dụng công cụ cách chọn Edit -> Insert Template > VHDL c) Biên dịch mạch điện thiết kế Đoạn mã VHDL đƣợc công cụ Quartus II sử lý với nhiều công đoạn: Phân tích mã, tổng hợp mạch,… công cụ đƣợc điều khiển chƣơng trình ứng dụng có tên Comiler Chạy chƣơng trình cách chọn: Processing -> Start compilation Các giai đoạn khác trình biên dịch đƣợc thể cửa sổ bên trái hình Quartus II Phần mềm Quartus II thẻ thông báo lỗi suốt trình thực biên dịch Nếu đoạn mã thực xác, thông báo thể trình biên dịch thành công Nếu có lỗi xảy ra, thông báo rõ lỗi Double click vào thông báo lỗi, câu lệnh bị lỗi hình soạn thảo đƣợc tô đậm Trong suốt trình biên dịch trên, trình biên dịch Quartus II thực việc gán chân ngõ vào cách tự động Chíp FPGA Tuy nhiên việc gán chân tự động gây khó khăn cho việc kết nối bo mạch DE2, chip FPGA thiết bị board 45 d) Mô mạch điện thiết kế Trƣớc nạp vào chip FPGA bo mạch DE2, cần kiểm tra lại hoạt động mạch để đảm bảo mạch hoạt động xác Trƣớc mô hoạt động mạch điện, cần đƣợc khởi tạo dạng song ngõ vào ngõ Việc chạy mô dựa khai báo Thực việc khởi tạo dạng song chƣơng trình Waveform Editor 3.2 Bài toán nhân số nguyên đơn giản Đối với toán nhân số nguyên N bit, theo lý thuyết phép nhân đƣợc thực qua hàng loạt phép cộng dịch chuyển bit, kết nhận đƣợc sau N xung nhịp đồng hồ Hình 3.3 Thiết kế nhân số Sử dụng ngôn ngữ VHDL/AHDL gói phần mềm Quartus công ty Altera thiết kế nhân số với N bit, sử dụng bus D nhƣ bus liệu đầu vào, kết hiển thị bus Output (Hình 3.1) Dƣới file code chƣơng trình khối control 46 ……………………………………………………………… // Control.tdf parameters ( N = 16 ); CONSTANT N1 = N + 1; SUBDESIGN control ( RESET, CLK : INPUT; READY, L/S, ENA1, ENA2, CLR, OUT_counter[N-1 0]: OUTPUT; ) variable counter[N-1 0] : DFF; begin DEFAULTS READY = GND; L/S = VCC; ENA1 = VCC; ENA2 = VCC; CLR = GND; END DEFAULTS; 47 counter[].CLK = CLK; counter[].CLRn = !RESET; Table counter[].Q => READY, L/S, ENA1, ENA2, CLR; => GND, GND, GND, VCC, VCC; N1 => VCC, GND, GND, GND, GND; end table; if ( counter[].Q < N1 ) then counter[].D = counter[].Q + 1; else counter[].D = N1; end if; Out_counter[] = counter[].Q; end; ……………………………………………………………… Kết thực thi mô đƣợc trình bày Hình 3.2 Hình 3.4 Kết thực 250 x 15 = 3750 48 Device for compilation | EPF10K30EFC256-1 Total logic elements | 90 / 1,728 ( % ) Total pins | 51 / 176 ( 28 % ) Total memory bits | / 24,576 ( % ) Total PLLs |0/1(0%) Device for timing analysis | EPF10K30EFC256-1 Thực mô chip họ EPF10K30EFC256-1 hãng ALTERA Trên Hình 3.2 thị kết mô thực chƣơng trình nhân số 250 x 15, kết 3750 nhận đƣợc sau 15 nhịp xung đồng hồ (tín hiệu CLK) Kết thực nhƣ thừa số phép nhân số nguyên 16 bit, nên với cách thiết kế chuẩn chƣơng trình, kết phép nhân nhận đƣợc sau đồng hồ xung CLK đếm đƣợc 15 xung 3.3 Bài toán nhân số nguyên sử dụng kỹ thuật Pipeline Sử dụng kỹ thuật Pipeline , sử dụng thƣ viện Mega_LPM Quartus 7.2, cài đặt tham số LPM_MULT để xem xét khả xử lý phép nhân số có sử dụng kỹ thuật Pipeline (tham số LPM_PIPELINE) 49 Hình 3.5: Các tham số input, output LPM_MULT Ở Db[], Da[] đầu vào, CLK tín hiệu xung, Res[] kết đầu phép nhân Dƣới file code chƣơng trình khối control LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; LIBRARY lpm; USE lpm.all; 50 ENTITY lpm_mult0 IS PORT ( clock : IN STD_LOGIC ; dataa : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); datab : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); result : OUT STD_LOGIC_VECTOR (15 DOWNTO 0) ); END lpm_mult0; ARCHITECTURE SYN OF lpm_mult0 IS SIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (15 DOWNTO 0); COMPONENT lpm_mult GENERIC ( lpm_hint : STRING; lpm_pipeline : NATURAL; lpm_representation lpm_type : STRING; : STRING; 51 lpm_widtha : NATURAL; lpm_widthb : NATURAL; lpm_widthp : NATURAL ); PORT ( dataa : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); datab : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0); clock : IN STD_LOGIC ; result : OUT STD_LOGIC_VECTOR (15 DOWNTO 0) ); END COMPONENT; BEGIN result "MAXIMIZE_SPEED=5", lpm_pipeline => 1, lpm_representation => "UNSIGNED", 52 lpm_type => "LPM_MULT", lpm_widtha => 8, lpm_widthb => 8, lpm_widthp => 16 ) PORT MAP ( dataa => dataa, datab => datab, clock => clock, result => sub_wire0 ); END SYN; Thay đổi tham số LPM_PIPELINE chip FPGA, nhận thấy đƣợc kết khác thiết bị EPF10K30EFC256-1 nhƣ sau: Với LPM_PIPELINE =1 Device for compilation | EPF10K30EFC256-1 Total logic elements | 136 / 1,728 ( % ) 53 Total pins | 33 / 176 ( 18 % ) tco (Clock to Output Delays) Thời gian bị trễ (delay) tối đa khối nhân đƣa OUTPUT - 12.8 ns Hình 3.6: Kết thực phép nhân 250 x 15 = 3750 Với LPM_PIPELINE =2, ta có thời gian bị trễ (delay) tối đa khối nhân đƣa OUTPUT - 10.9 ns Với LPM_PIPELINE =5, ta có thời gian bị trễ (delay) tối đa khối nhân đƣa OUTPUT - 7.5 ns, Clock Name Clk Required fmax Actual fmax (period) None 208.33 MHz ( period = 4.800 ns ) Kết cho thấy với khả sử dụng kỹ thuật Pipeline khối nhân LPM_MULT tăng tốc độ thực đƣa kết nhanh Nhƣ ta nhận đƣợc bảng so sánh thời gian thực thi thay đổi thông số pipeline chip với phần mềm (Bảng 3.1) 54 STT Số lƣợng Pipeline Thời gian trễ (output) 1 12,8 ns 2 10,9 ns 8,7 ns 7,5 ns Bảng 3.1: Thời gian thực thi phụ thuộc số Pipeline Flex10 Với kết đƣa Bảng 3.1, thấy hiệu việc sử dụng Pipeline, nhiên số lƣợng Pipeline cho phép Chip khác nhau, ảnh hƣởng trực tiếp đến việc lập trình Chip Với Chip EPF10K30EFC256-1 (thuộc họ chip Flex10) ta có kết bảng 3.1, thực Chip EP1SGX10DF672C6 (thuộc họ chip Stratix) ta có kết nhƣ sau: Số lƣợng Pipeline Thời gian trễ (output) 13,09 ns 2 10,15 ns 7,73 ns 7,73 ns STT Bảng 3.2: Thời gian thực thi phụ thuộc số Pipeline Stratix Với kết thử nghiệm loại Chip Flex10 Stratix, thấy khả chúng khác nhau, tùy thuộc vào toán khác có lựa chọn chúng khác 55 3.4 Đánh giá kết Nhƣ kết đƣa ra, nhận thấy với kỹ thuật Pipeline thực thi nhƣng phép toán nhanh từ khả xử lý liệu nhanh đƣợc thực hiện, đặc biệt loại liệu đồng nhất, khả xử lý tƣơng tự khối có thời gian thực tƣơng đồng, từ việc sử dụng hiệu Pipeline cho phép tăng tốc thời gian thực mà khả đồng xảy lỗi Với việc thử nghiệm họ chip Flex10 chip họ Stratix, kết cho thấy có khác việc sử dụng chip tùy thuộc vào mức độ toán mà ngƣời lập trình phải quan tâm đến lƣợng tài nguyên cho phép chip Chip Stratix chip có lƣợng tài nguyên lớn, nên việc thử nghiệm với toán nhỏ chƣa đánh giá hết khả chúng, hạn chế định kết thử nghiệm Kết toán thử nghiệm đƣợc sử dụng chƣơng trình mã hóa giải mã AES máy chủ xác thực gửi mật tới khách hàng hệ thống phục vụ khách hàng lớn nhƣ máy chủ ngân hàng, hệ thống viễn thông 56 KẾT LUẬN Trong trình thực luận văn, thực đƣợc kết sau: - Trình bày tổng quan công nghệ FPGA, khái niệm chính, khả ứng dụng FPGA toán xử lý liệu - Nghiên cứu công cụ, ngôn ngữ lập trình làm việc với FPGA - Trình khái quát toán xử lý liệu nhanh, điểm mạnh FPGA, cách tiếp cận xử lý nhanh qua kỹ thuật Pipeline công nghệ FPGA - Thử nghiệm ví dụ xử lý liệu nhanh qua kỹ thuật Pipeline tảng ngôn ngữ lập trình VHDL/AHDL công cụ Quartus chip FPGA hãng Altera Hạn chế: - Vì thời gian có hạn, việc nắm bắt công cụ chƣa hoàn thiện, ví dụ thực đơn giản, chƣa thể hết đƣợc khả xử lý liệu lớn Hƣớng phát triển: - Xây dựng phần mềm mã hóa giải mã file kích thƣớc lớn để so sánh khả thực nhanh FPGA 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.Vũ Quý Điềm (chủ biên), Phạm Văn Tuân, Nguyễn Thúy Anh, Đỗ Lê Phú, Nguyễn Ngọc Văn (2006) – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - NXB Khoa Học Kỹ Thuật [2] Trần Ngọc Phụng, Trần Thị Điểm, Cao Trần Bảo Thƣơng, Huỳnh Hữu Thuận (2006) - Thực số thuật toán dò tìm chuyển động FPGA - Hội Nghị Khoa Học Trƣờng Đại Học KHTN lần [3] Mani B, Srivastava VHDL tutorial UCLA – EE [4] System Generator for DSP, Getting started Guide, Reference Guide, User Guide, Xilinx [5] Nguyễn Trọng Hải - Bài giảng Verilog - ĐH Kỹ thuật công nghệ TPHCM [6] Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ - Thông tin số - NXBGD [7] Jim Lewis (2002), Coding a 40x40 Pipelined Multiplier in VHDL (version online:http://www.synthworks.com/papers/VHDL_RTL_Pipelined_Multiplier_M APLD_2002_S_BW.pdf) [8] ISO/IEC 15444-1,Information Technology-JPEG2000 (2000) Image Coding System, Part 1: Core Coding System [9] PENG Zhou, ZHAO Bao-jun (2010), High-throughout hardware architecture of MQ arithmetic coder, International Conference on Signal Processing (ICSP), October, 2010, pp 430-433 [10] Michael Dyer, David Taubman (2004), Saeid Nooshabadi, Improved throughput arithmetic coder for JPEG2000, International Conference on Image Processing, vol 4, October, 2004, pp 2817-2820 [11] Manjunath Gangadhar, Dinesh Bhatia (2003), FPGA based EBCOT architecture for JPEG 2000, International Conference on Field-Programmable Technology (FPT), December, 2003, pp 228-233 58 [12] Taoufik Saidani, Mohamed Atri, Rached Tourki (2008), Implementation of JPEG 2000 MQ-Coder, International Conference on Design and Technology of Integrated Systems in Nanoscale Era, March, 2008, pp 1-4 [13] Kai Liu, Yu Zhoub,Yun Song Li,Jian Feng Ma (2010), A high performance MQ encoder architecture in JPEG2000, the VLSI Journal, vol 43, no 3, June, 2010, pp 305-317 [14] Minsoo Rhu, In-Cheol Park (2013), Optimization of Arithmetic Coding for JPEG2000, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol 20, no 3, March, 2010, pp 446-451 118 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện KTQS số 153 (4-2013) [15] Tinku Acharya, Ping-Sing Tai (2005), JPEG2000 Standard for Image Compression: Concepts, Algorithms and VLSI Architectures, New Jersey, U.S.A: John Wiley & Sons, chapter 5, 2005, pp 185-195 [16] Wael M El-Sharkasy, Mohamed E Ragab (2012), Hardware modelling of JPEG2000 MQ-encoder, International Conference on Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), vol 2, June, 2012, pp 707-712 [17] Altera, Avalon Interface Specifications, California, U.S.A, (2011), pp 35 - 44 [18] Altera, Stratix III Device Handbook, California, U.S.A, (2011) [...]... công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý dữ liệu nhanh là một đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Với lý do đó, tôi lựa chọn đề tài Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu cho luận văn tốt nghiệp Thạc Sỹ của mình Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Công nghệ FPGA: các lĩnh vực ứng dụng, các công cụ phát triển  Kỹ thuật xử lý nhanh dữ liệu Pipeline  Ứng dụng bài toán mô phỏng xử. .. xử lý dữ liệu nhanh Những nội dung nghiên cứu chính - Tổng quan về công nghệ FPGA - Công nghệ FPGA và bài toán xử lý nhanh dữ liệu - Xây dựng ứng dụng thử nghiệm Nội dung của luận văn bao gồm phần đặt vấn đề, 3 chƣơng và kết luận, tài liệu tham khảo Phần đặt vấn đề trình bày ý nghĩa, mục tiêu, tính cấp thiết của đề tài luận văn Chƣơng 1 của luận văn trình bày nội dung nghiên cứu tổng quan về công nghệ. .. trình bày nội dung nghiên cứu tổng quan về công nghệ FPGA, các khả năng của công nghệ này, các lĩnh vực ứng dụng, các công cụ phát triển trên FPGA với các dòng sản phẩm của Xlinx và Altera 3 Chƣơng 2 của luận văn trình bày các cách tiếp cận xử lý nhanh dữ liệu, kỹ thuật Pipeline, cách thức tổ chức và xây dựng chƣơng trình Pipeline cho bài toán xử lý nhanh phép nhân 2 số nguyên lớn Chƣơng 3 thực hiện... chƣơng trình thử nghiệm, nhân 2 số nguyên trên 2 chip họ Flex10 và Stratix, từ đó so sánh và thấy đƣợc khả năng xử lý nhanh khi dùng kỹ thuật Pipeline Phần Kết luận của luận văn trình bày tóm tắt các kết quả đạt đƣợc và định hƣớng phát triển của luận văn trong các nghiên cứu tiếp theo 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG FPGA là viết tắt của (Field-Programmable Gate Array) là vi mạch... gian đƣa vào sử dụng - Có khả năng chứa khối lƣợng lớn cổng logic (logic gate) - Linh hoạt và tốc độ xử lý nhanh 1.1 Lịch sử ra đời của FPGA Năm 1984 Ross Freeman là ngƣời đầu tiên thiết kế PFGA và cũng là ngƣời sáng lập công ty Xilinx Kiến trúc mới của FPGA cho phép tích hợp số lƣợng lớn các phần tử bán dẫn vào một vi mạch so với kiến trúc trƣớc đó là CPLD FPGA có khả năng chứa từ 100.000 đến vài tỷ... triển VHDL là có đƣợc một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn, cũng nhƣ cho phép dễ dàng đƣa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế Ngôn ngữ VHDL đƣợc ba công ty IBM, Intermetics, Texas Instruments bắt đầu nghiên cứu và phát triển vào tháng 7 năm 1983 Phiên bản đầu tiên đƣợc công bố vào tháng 8 năm 1985 Sau đó VHDL đƣợc đề xuất tổ chức... với đầu vào và mã thiết kế trên HDL (còn gọi là mã RTL) 1.3 Ứng dụng của FPGA Ứng dụng của FPGA bao gồm: Xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không, vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), các hệ thống điều khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình phần cứng máy tính Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải... nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống  Khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phƣơng pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phƣơng pháp Ví dụ: phƣơng pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dƣới lên dựa vào các thƣ viện có sẵn VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công cụ xây dựng mạch nhƣ sử dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình đƣợc hay sử dụng mảng ngẫu nhiên... nguồn [11] So sánh FPGA và ASIC và các vi mạch bán dẫn khác: ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) là một mạch IC đƣợc thiết kế dành cho một ứng dụng cụ thể FPGA cũng đƣợc xem nhƣ một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhƣng nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thƣ viện logic thì FPGA không đạt đƣợc mức độ tối ƣu nhƣ những loại này, và hạn chế trong khả... pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào Ngƣời thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phƣơng pháp thiết kế trong khi chỉ sử dụng một ngôn ngữ duy nhất, và khi đem so sánh với các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng khác đã kể ra ở trên ta thấy VHDL có một số ƣu điểm hơn hẳn các ngôn ngữ khác:  Tính công cộng: VHDL đƣợc phát triển dƣới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một chuẩn của ... vi nghiên cứu  Công nghệ FPGA: lĩnh vực ứng dụng, công cụ phát triển  Kỹ thuật xử lý nhanh liệu Pipeline  Ứng dụng toán mô xử lý liệu nhanh Những nội dung nghiên cứu - Tổng quan công nghệ FPGA. .. so sánh, đánh giá công nghệ FPGA ứng dụng xử lý liệu nhanh đề tài mang ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Với lý đó, lựa chọn đề tài Nghiên cứu công nghệ FPGA ứng dụng xử lý nhanh liệu cho luận văn... đƣợc FPGA. [3] 2.2 Các kỹ thuật xử lý nhanh liệu Đối với toán xử lý liệu lớn, với khối liệu text hay voice, liệu đa phƣơng tiện, vấn đề cấp bách đặt toán xử lý nhanh Bài toán xử lý liệu nhanh