Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog

TỔNG QUAN VỀ HDL, VHDL, VERILOG VÀ THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

THỰC TẬP NÂNG CAO HDL

Đề Tài: Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế

bộ giải mã dùng verilog

Giảng viên hướng dẫn : Chử Đức Hoàng

Sinh viên thực hiện : Phạm Tiến Đại

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

TỔNG QUAN VỀ HDL, VHDL, VERILOG VÀ THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG 4

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HDL VERILOG 4

1.6.7.Thiết kế từ trên xuống (top-down) 20

PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VHDL 28

2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL .28

2.2 Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL 30

2.2.1 Thực thế (entity) của mô hình 30

2.2.2 Kiến trúc của mô hình .32

PHẦN III: THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG 34

3.1 Ví dụ 1: Thiết kế mạch giải mã 3 sang 8 34

3.2 Ví dụ 2 : Thiết kế mạch giải mã 4 sang 16 41

KẾT LUẬN 46

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay các mạch tích hợp ngày càng thực hiện được nhiều chức năng hơn, do đó chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống như dùng tối thiểu hoá hàm Boolean hay dùng sơ đồ các phần tử không còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi thiết kế Hơn nữa các mạch thiết kế ra yêu cầu phải được thử nghiệm kỹ lưỡng trước khi đưa vào chế tạo hàng loạt

Mặt khác cần phải xây dựng một bộ tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu và thống nhất Chúng ta đã làm việc với một số chương trình phần mềm hỗ trợ cho việc thực hiện mô tả mạch hay hiểu được cách thiết kế mạch Ví dụ: Proteus, HDL,VHDL, Verilog…Trong phần này chúng ta sử dụng hai ngôn ngữ phần cứng chuẩn công nghiệp là VHDL và Verilog Cả hai ngôn ngữ này đều được sử dụng rộng rãi và đã được IEE chấp nhận

Dưới đây là bài viết : “Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế

bộ giải mã dùng Verilog” Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu một cách tổng quan nhất về HDL, VHDL, Verilog và biết cách thiết kế một bộ giải mã sử dụng Verilog, thông qua phần mềm Quatus II

TỔNG QUAN VỀ HDL, VHDL, VERILOG VÀ THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HDL VERILOG.

1.1 Giới thiệu về HDL và verilog:

1.1.1 Lịch sử phát triển HDL:

a) ISP (circa 1977) – dự án nghiên cứu CMU (Carnegie Mellon University)

 Mô phỏng nhưng không tổng hợp

b) Abel (circa 1983) – được triển bởi Data-I/O

 Mục tiêu dùng cho các thiết bị luận lý khả lập trình

 Không tốt cho máy trạng thái

c) Verilog ( circa 1985) – phát triển bởi Gateway ( now Cadence)

 Đặc tả được đưa ra từ 1985

 Ban đầu được phát triển cho mô phỏng, tương tự C và Pascal

 Hiệu quả và dễ viết

 Berkeley phát triển công cụ tổng hợp vào thập niên 80

 Được IEEE chuẩn hóa

• Verilog standardized (Verilog-1995 standard)

• Verilog-2001 standard

d) VHDL (circa 1987) - DoD sponsored standard

 Dưa trên VHSIC phát triển bởi DARPA

 Tương tự như Ada (Nhấn mạnh vào tái sử dụng và bảo trì)

 Ngữ nghĩa phỏng mô rõ ràng

 Rất tổng quát nhưng dài dòng

 Được IEEE chuẩn hóa

 Biên dịch để kiểm tra cú pháp (syntax)

 Mô phỏng để kiểm tra chức năng của mạch

1.1.3 Verilog HDL:

a) Verilog là một ngôn ngữ lớn

 Có nhiều tính năng cho tổng hợp và mô phỏng phần cứng

 Có thể biểu diễn những đặc trưng mức thấp

• Transistor

 Có thể hoạt động như ngôn ngữ lập trình

• Cấu trúc lặp

• Cấu trúc điều khiển….

b) Các công cụ mô phỏng chấp nhận toàn bộ khái niệm của Verilog

c) Các công cụ tổng hợp công chỉ chấp nhận một phần các khái niệm của

Verilog

d) Chỉ tập trung nghiên cứu một phần

 Sử dụng ở một mức thích hợp

 Tập trung trên những cấu trúc tổng hợp được

 Tập trung tránh những cấu trúc gây khi tổng hợp

1.2 Ngôn ngữ đặc tả phần cứng (HDL):

 Là ngôn ngữ thuộc lớp ngôn ngữ máy tính ( computer language)

 Dùng để miêu tả cấu trúc và hoạt động của một vi mạch

 Dùng mô phỏng, kiểm tra hoạt động của vi mạch

 Biểu diễn hành vi theo thời gian và cấu trúc không gian của mạch

 Bao gồm những ký hiệu biểu diễn thời trang và sự đồng thời ( time and concurrence)

 Ưu điểm:

 Dễ quản lý những mạch lớn và phức tạp

 Uyển chuyển và độc lập với công nghệ

 Cho phép tái sử dụng những thiết kế đã có sẵn

 Mạch có thể dược tổng hợp tự động từ đặc tả

 VerilogTM & VHDL

 Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

 Theo chuẩn IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineerings)

 Được hỗ trợ bởi các công cụ tổng hợp ASIC (appilcationspecific integrated circuits) và FPGA (field-programmable gate arrays)

1.3 Phương pháp luận thiết kế HDL:

Kiểm tra: thiết kế đã đúng yêu cầu chưa? Ánh xạ đặc tả thành các hiện thực

 Dưới đây là lưu đồ thiết kế ASICs bằng HDL:

1.3.1 Design spelification ( thiết kế ý niệm):

 Đặc tả chi tiết:

 Chức năng.

 Thời gian

 Năng lượng tiêu hao

 Biểu diễn:

 Đồ thị trạng thái ( state transation graph)

 Máy trạng thái (algorithmic state machine)

 Ngôn ngữ cấp cao: system C , superLog…

1.3.2 Thiết kế phân hoạch ( design partition):

 Mạch lớn được phân chia thành các mạch nhỏ hơn

 Mỗi mạch nhỏ này được đặc tả bằng HDL

 Mỗi mạch nhỏ có thể được tổng hợp trong thời gian chấp nhận được

 Phương pháp thiết kế từ trên xuống ( top – down design/ hierarchical design)

1.3.3 Design Entry:

 Đặc tả thiết kế theo một dạng chuẩn

 Ngày nay dùng HDL

 Mô hình hành vi (behavioral modeling)

 Được sử dụng nhiều trong công nghiệp

 Chỉ ra mạch sẽ thực hiện chức năng gì

 Không cần chỉ ra xây dựng phần cứng như thế nào

 Các bước thiết kế dùng mô hình hành vi:

 Tạo hành vi nguyên mẫu cho thiết kế

 Kiểm tra chức năng: Sử dụng những công cụ tổng hợp tối

ưu và ánh xạ thiết kế vào một công nghệ

1.3.4 Mô phỏng và kiểm tra chức năng ( Simulation and function

verification).

 Quay về bước 3 nếu phát hiện lỗi.

 Ba bước tiến hành kiểm tra

 Lập kế hoạch kiểm tra: chức năng nào cần kiểm tra và kiểm ra thế nào?

 Thiết kế mẫu kiểm tra ( testbench)

 Thực hiện kiểm tra

1.3.5 Thiết kế tích hợp và kiểm tra ( design integration and verification)

 Các mạch nhỏ được tích hợp lại và kiểm tra

1.3.6 Presynthesis Sign – off:

 Bảo đảm tất cả các chức năng được thể hiện trong testbench

 Bảo đảm những khác biệt giữa các chức năng biểu diễn bằng mô hình hành vi và thiết kế được giải quyết hoàn toàn

 Sign – off được thực hiện sau khi tất cả các lỗi chức năng đã giải quyết xong.

1.3.7 Tổng hợp mức cổng và ánh xạ công nghệ (Gate – level synthesis and

1.3.8 Thiết kế sau tổng hợp ( Post – synthesis design validation):

 Bộ so sánh được thực hiện bằng phần mềm hoặc bằng đồ họa

 Tìm hiểu và giải quyết sự khác biệt một cách cẩn thận

 Verilog behavioral description: Phần mô tả hành vi của verilog.

 Logic Synthesis: logic tổng hợp

 Gate – level description: Phần mô tả mức cổng

 Stimulus generation: máy kích thích

 Testbench for post – synthesis design validation: Mẫu kiểm tra cho thiết kế sau tổng hợp

 Response Comparation: Đáp ứng lại sự so sánh

 Check signal: Kiểm tra tín hiệu

1.3.9 Kiểm tra thời gian sau tổng hợp ( Post – synthesis timing

 Thực hiện tổng hợp lại nếu thời gian không phù hợp với thiết kế

 Thay đổi kích thước transitor

 Thay đổi kiến trúc mạch

 Thay đổi công nghệ

 Sắp xếp các linh kiện (cell) lên một vùng giới hạn và kết nối các đường tín hiệu giữa chúng.

 Chèn tín hiệu clock vào mạch sao cho không xảy ra lệch xung clock ( clock skew)

checks).

 Layout vật lý của thiết kế phải được kiểm tra các ràng buộc

 Độ dày vật liệu ( material width)

 Nhiễu.

 Tiêu hao năng lượng

 Điện dung ký sinh ( Parasitic capacitance)

 Không có trong thiết kế

 Ảnh hưởng xấu đến hoạt động của mạch

 Làm giảm băng thông

 Sử dụng phần mềm để tạo ra các kiểm tra chính xác về các đặc tính điện và thời gian ( electrical characteristics and timing performance)

 Các ràng buộc được thỏa mãn

 Đặc tả bao gồm hình dạng hình học cho quá trình sản xuất

 Các tài nguyên được mở rộng để chip sản xuất ra thỏa mãn thiết

kế về hiệu suất và chức năng

1.4 Mô hình cấu trúc và mô hình hành vi trong HDLs:

a) Cấu trúc (Structural) chỉ tra cấu trúc phần cứng thật sự của mạch

 Mức trừu tượng thấp

• Các cổng cơ bản ( ví dụ and, or, not)

• Cấu trúc phân cấp thông qua các module

 Tương tự lập trình hợp ngữ

b) Hành vi (Behavioral) chỉ ra hoạt động của mạch

trên các bits

 Mức trừu tượng cao hơn

• Biểu diễn bằng các biểu thức (ví dụ out = (a & b) | c)

• Không phải tất cả các đặc tả hành đều tổng hợp được

 Không sử dụng: + - * / % > >= < <= >> <<

1.5 Những nguy hiểm trong thiết kế Verilog:

 Chương trình tuần tự, bộ tổng hợp có thể sẽ phải thêm phần nhiều chi tiết cứng

 Cần một bộ priority encoder

 Nếu song song những chương trình song, có thể có trạng thái không xác định

 Nhiều khối “always”, khối nào thực thi trước?

 Tạo ra nhiều trạng thái không dự dịnh trước

• Các biểu thức Boolean đơn giản

• Mô hình chuyển đổi mức thanh ghi ( Register Transfer Level – RTL)

 Primitives là các đối tượng cơ bản có thể được sử dụng trong thiết kế

 26 đối tượng chức năng được định nghĩa trước

1.6.4 Mô hình cấu trúc trong Verilog

Ví dụ:

1.6.5 Module ports

a) Giao tiếp với “môi trường” bên ngoài

b) Kiểu của port quyết định chiều truyền liệu

1.6.6 Quy tắt trong Verilog

 Phân biệt chữ hoa thường (Case sensitive)

 Identifier: a-z, A-Z, 0-9, ‘_’ và ‘$’

 Tên biến không được bắt đầu bằng ‘$’ hay ký số và có thể tối đa là

 Có thể viết các phát biểu trên một dòng hay nhiều dòng

1.6.7 Thiết kế từ trên xuống (top-down)

a) Hệ thống phức tạp được phân chia thành những đơn vị chức năng nhỏ hơn

 Dễ thiết kế

 Dễ kiểm tra

b) Các module lồng nhau trong Verilog hỗ trợ thiết kế từ trên xuống

c) Module tham khảo đến module khác được gọi là module “cha”, module được module khác tham khảo đến gọi là module “con”

d) Độ sâu của các module lồng nhau không giới hạn

e) Mỗi module con phải có tên duy nhất trong phạm vi module cha (trừ các primitives)

1.6.8 Binary full adder

1.6.9 Thiết kế phân cấp và tổ chức mã nguồn

 Top-level module là module ở cấp cao nhhất

 Module ở mức thấp nhất

• Chứa các primitives

• Các module không phân chia nhỏ hơn

 Tất cả các module được đặt trong một hay nhiều tập tin khác nhau

 Công cụ mô phỏng tích hợp các module từ các tập tin

1.6.10 Mạch cộng 16-bit ripple carry

1.6.11 Cây phân cấp mạch cộng 16-bit ripple carry.

1.6.12 Hiện thực mạch cộng 16-bit ripple carry.

1.6.13 Vectors trong Verilog.

 Một vector được biểu diễn bằng ngoặc vuông chứa dãy liên tiếp các bit

• sum[3:0] vector sum kích thước 4 bit

 Bit trái nhất là MSB

 Bit phải nhất là LSB

 Có thể truy xuất từng bit hay từng dãy bit trong vector

• sum[1] bit thứ 2 từ phải sang của sum

• sum[2:1] bit thứ 2 và 3 từ phải sang của sum

 sum[4] giá trị x (không xác định)

 Có thể gán, so sánh 2 vector với nhau

1.7 Mô phỏng luận lý, kiểm chứng thiết kế và phương

pháp luận kiểm tra

1.7.1 Các giá trị luận lý trong Verilog.

1.7.2 Phương pháp luận kiểm tra.

a) Kiểm tra mạch thực hiện đúng chức năng

 Kiểm tra ngẫu nhiên phức tạp và không chính xác

 Cần lập kế hoạch kiểm tra tỉ mỉ

• Kiểm tra mạch lớn

b) Kiểm tra tất cả các trường hợp

 Mạch cộng 16 bit cần kiểm tra 223 trường hợp

 Kiểm tra phân cấp

 half_adder

 full_adder

 Add_rca_4 cần kiểm tra 29 trường hợp

 Chọn một số trường hợp để kiểm tra kết nối của các

 Add_rca_4 trong Add_rca_16

 Kiểm tra theo chiều ngược so với cây phân cấp thiết kế

1.8 Thời gian trễ truyền lan.

1.8.1 Thời gian trễ truyền lan.

 Ngõ vào thay đổi ngõ ra không thay đổi ngay lập tức

 Các phần tử cơ bản của verilog có thời gian trễ là 0

 Các vi mạch thực tế được sản xuất dựa trên các thư viện chuẩn được định nghĩa trước

 Người thiết kế chỉ quan tâm đến tính đúng đắn của mạch

 Sử dụng các công cụ tổng hợp để hiện thực các thiết kế thỏa mãn các ràng buộc thời gian

 ‘timescale <time_unit base>/<precision base>

• Chỉ thị biên dịch

• Chỉ ra đơn vị thời gian và độ chính xác thời gian trễ

• Phải được khai báo trước khi các module

Ví dụ: Timecase

1.8.2 Các loại trễ lan truyền.

 Trễ quán tính (inertial delay)

 Trễ truyền (transport delay)

• Gây ra do các dây nối

• 0.033ns/1cm

• Có thể bỏ qua

• wire #2 long_wire

1.9 Mô hình bảng sự thật cho mạch luận lý tổ hợp và

tuần tự với verilog.

1.9.1 Bảng sự thật trong verilog.

 Table

 Ngõ ra phải có kiểu vô hướng (scalar)

 Dùng kí hiệu ‘?’ thay cho 0, 1, x

 Thứ tự các cột trong <input_list> tương ứng với thứ tự trong khai báo input của module

 Mạch tổ hợp

• <input_list>:<output>

 Mạch tuần tự

• <input_list>:<state>:<output/next_state>

• Ngõ ra phải được khai báo kiểu thanh ghi

• Dùng kí hiệu ‘-’ biểu diễn ngõ ra không thay đổi

PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VHDL

2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL

 VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ cao, là một loại ngôn ngữ mô tả phần cứng được phát triển cho chương trình VHSIC ( Very High Speed Itergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế

 VHDL được phát triển như một ngôn ngữ độc lập không gắn với bất

kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương 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 ưu điểm hơn hẳn các ngôn ngữ khác:

 Thứ nhất là tính công cộng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ

của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống

 Thứ hai là khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết

kế VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp ví dụ phương pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện sẵn

có VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như

sử dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên

 Thứ ba là tính độc lập với công nghệ: VHDL hoàn toàn độc lập với

công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết

kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế

 Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động

của phần cứng từ mức hệ thống số cho đến mức cổng VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết

 Thứ năm là khả năng trao đổi kết quả: Vì VHDL là một tiêu chuẩn

được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô

tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL Các kết quả mô tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuân theo tiêu chuẩn VHDL Cũng như một nhóm