Bài giảng Thiết kế logic số (VLSI design) - Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế logic số (VLSI design) - Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số

1. Thiết kế logic số (VLSI design) Bộ môn KT Xung, số, VXL quangkien82@gmail.com 08/2012
2. Mục đích & nội dung 1.Thiết kế về mặt logic (chức năng) các khối vi mạch số cỡ vừa và cỡ lớn (LSI, VLSI) o Đúng chức năng o Có khả năng hiện thực hóa bằng vi mạch thật (Synthesizeable) 2. Ứng dụng công nghệ FPGA để hiện thực hóa các thiết kế. o Cách thức hiện thực hóa thiết kế trên FPGA – phần mềm tự động thiết kế. o Cách thức tổ chức phần cứng cho FPGA để có thể đưa thiết kế vào ứng dụng thực tiễn. Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 2/25
3. Bài toán thiết kế vi mạch số • Simple digital circuit (SSI, MSI) Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 3/25
4. Bài toán thiết kế vi mạch số • Digital embedded system Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 4/25
5. Bài toán thiết kế vi mạch số • Mức độ tích hợp: LSI, VLSI , SoC (vài ngàn đến hàng tỷ transitor). Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 5/25
6. Bài toán thiết kế vi mạch số • Điều kiện làm việc - Worst case (Temperature, EMF, pressure ) - Real-time computing Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 6/25
7. Bài toán thiết kế vi mạch số • Khả năng tính toán: (Mflops –> Tflops), ASIC có thể thay thế hệ máy tính trong giải quyết những bài toán ứng dụng cụ thể. Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 7/25
8. VLSI example: PU design Y T INPUT I B _ ALIGNMENT K Σ C A P B FUNCTIONAL S A _ UNITS K N C O I A T K P A C R R A U P k 2 T STRB_SB_OUT s g A 2 a e S H R M E S D FIFO O K C M A 1 VECTOR P DOUT RDY_SB_IN H W_ALIGN N S MSB TO U MATRIX Y R SB_IN 1 k 1 T I s O X g 4 B a e U M _ RDY_SB_OUT R MB_IN M K E M C M A P N U N E G I T L A A T L _ L S _ W A _ T N L S G I A L V A STRB_MB_IN CENTRAL CONTROL UNIT STRB_SB_IN R G D E A R _ _ T L Y N L I D A R T S INT ADDRESS REG_CODE REG_CON_9 GENERATOR RDY_ADR REG_CON_8 Address incrementor PB_IN ADR_OUT STRB_ADR ADR_OUT REG_CON_1 WE CONFIGURATION RW REGISTERS REG_CON_0 ADDR_PARAMS Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 8/25
9. Nội dung môn học •Các kiến thức chung (nhắc lại từ Điện Tử Số) •HDL & Automation Design •IC khả trình Chương I •Ngôn ngữ VHDL •Kỹ năng TK: Các khối MSI, SSI đơn giản đã biết trong ĐTS: cộng, dịch, thanh ghi, đếm FSM Chương II •Các thuật toán và sơ đồ để thiết kế một số khối LSI thông dụng •Kỹ năng TK: Các khối LSI, VLSI: CLA, nhân, chia số nguyên, số thực, có dấu và không dấu, Memory, cấu trúc CPU đơn giản. Chương III •Bài tập lớn môn học •Công nghệ FPGA •Thiết kế FPGA trên ISE •Thiết kế hệ nhúng bằng FPGA •Kỹ năng TK: Hiện thực hóa thiết kế ở các chương trứoc trên FPGA, lập trình giao tiếp bằng VHDL Chương IV cho các ngoại vị đơn giản : UART, PS/2, I2C, SPI, VGA/LCD. Chương IV: Thiết kế mạch số trên FPGA quangkien82@gmail.com 9/10
10. Tài liệu tham khảo • Giáo trình Thiết kế logic số- Trịnh Quang Kiên, Lê Xuân Bằng HVKTQS -12-2011 • Lê Xuân Bằng - Kỹ thuật số (Tập 1) - NXB Khoa học kỹ thuật – Năm 2008 • Đỗ Xuân Tiến - Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly –NXB Khoa học kỹ thuật – Năm 2002 • Nguyễn Thúy Vân - Thiết kế logic mạch số - NXB Khoa học kỹ thuật - Năm 2005 • Nguyễn Linh Giang - Thiết kế mạch bằng máy tính –NXB Khoa học kỹ thuật - Năm 2005 • IEEE VHDL standard reference 2002 – Năm 2002. • Milos D. Ercegovac and Tomas Lang - Digital Arithmetic - San Francisco Morgan Kaufmann Publishers - 2004 • Douglas L Perry - VHDL Programming by Example 4th Edition - 2002 • INTERNET • • S. S. Limaye Digital Design with VHDL – 2002 • Enoch O. Hwang - Microprocessor Design Principles and Practices with VHDL - 2004 • Mark Balch - Complete digital design - 2003 • Behrooz Parhami - Computer Arithmetic Algorithms and Hardware Designs – Oxford University Press - 2000 • Wakerly J.F - Digital design principles and practices - 1999 • Wai-Kai Chen - The VLSI Handbook, 2nd Edition - University of Illinois - 2007 • Uwe Meyer-Baese -Digital Signal Processing with FPGA – Springer - 2007 • Xilinx - Spartan-3 Generation FPGA User Guide (ug331.pdf) • Xilinx - Spartan-3E FPGA Family Datasheet (ds312.pdf) • MIPS Technology - MIPS Instruction Set Reference Vol I - 2003 • Xilinx - Spartan 3A/3AN Starter Kit User Guide (ug334.pdf) Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 10/25
11. Chương mở đầu • Nội dung: Các khái niệm chung về vi mạch số. Các công nghệ thiết kế vi mạch số. Giới thiệu về các IC khả trình dạng SPLD. • Thời lượng: 3 tiết bài giảng, không có thực hành. Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 11/25
12. Kiến thức chung về vi mạch số Transitors • TTL (BJT) • MOSFET • CMOS Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 12/2512
13. Kiến thức chung về vi mạch số Phân loại IC theo mật độ tích hợp VLSI (~1000 000) LSI (~100 000) MSI (500) SSI (~50 Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 13/2513
14. Kiến thức chung về vi mạch số -Logic gates. NOT gate (CMOS) Timing parameters of NOT gate Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 14/2514
15. Kiến thức chung về vi mạch số -Latch & Flip-flops SET D Q Din Tsetup Thold CLK CLR Q Tclk_q Qout Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 15/2515
16. Kiến thức chung về vi mạch số -Mạch tổ hợp T1 = TNOT + TAND_4 + TNOR + TAND_3 + TOR_2 + TWire1 T2 = TNOT + TAND + TOR_4 + TAND_4 + T OR_4 + TWire2 Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 16/25
17. Kiến thức chung về vi mạch số -Mạch tuần tự (dãy) – RTL D SET Q D SET Q Combinational Combinational Combinational logic1 logic2 logic3 CLR Q CLR Q Tskew Td1 Tsa Tclk-q Td2 Tsb Tclk-q Td3 Tclk_min = Tclk-q + Td2 + Tsb + Tskew Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 17/25
18. Kiến thức chung về vi mạch số -Các phương pháp mô tả vi mạch số Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 18/25
19. Chương mở đầu: Kiến thức chung về vi mạch số Các dạng TK số Digital Design Manual Automation Design Design Discrete Semi-custom Full custom 74xx series 40xx seriess PLD base component ASIC ASIC SPLD CPLD FPGA PAL GAL PLA PROM Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 19/25
20. Chương mở đầu: Giới thiệu các IC khả trình a b c Mảng OR lập trình được T1 x x x T2 x x T3 x T4 x x T5 x x T6 x x T7 x x T8 x x Mảng AND cố định PROM - 1956 x y z w Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 20/25
21. Chương mở đầu: Giới thiệu các IC khả trình a b c Mảng OR cố định x x x T1 x x x x T2 x x x x T3 x x x x T4 x x x x T5 x x Mảng AND lập trình được PAL, GAL -1970 macxrocell macyrocell macrzocell mawcrocell Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 21/25
22. Giới thiệu các IC khả trình -Macrocell 2 SET 3 D Q Mux4 0 IO ENB CLR Q 1 S0 S1 programmable ENB 0 Mux2 1 Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 22/25
23. Giới thiệu các IC khả trình a b c Mảng OR lập trình được -PLA -1975 x x x T1 x x x x x x T2 x x x x T3 x x x x T4 x x x x T5 x x Mảng AND lập trình được macrocell macrocell macrocell macrocell x y z w Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 23/25
24. Giới thiệu các IC khả trình -CPLD (MAX5000, XC9500) Logic block Logic block Logic block Logic block Programmable Interconnect matrix Logic block Logic block Logic block Logic block Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 24/25
25. Giới thiệu các IC khả trình -FPGA – 1984 Xilinx IO_PAD IO_PAD IO_PAD I O _ I P O A LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK _ D LOGIC BLOCK P A D I O I _ O P LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK _ A P D A D IP_COREs, RAM, Interconnect ROM wires . . I I O O _ _ P P A LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK A D LOGIC BLOCK D IO_PAD IO_PAD IO_PAD Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 25/25
26. Trắc nghiệm Câu 1: Những mục đích chính của môn học “Thiết kế logic số” A.Thiết kế chức năng cho các mạch số B. Thiết kế các vi mạch tích hợp mật độ cao C. Thiết kế các hệ thống số phức tạp trên FPGA D.Thiết kế về mặt chức năng cho các khối số và hiện thực hóa thiết kế trên công nghệ FPGA Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 26
27. Trắc nghiệm Câu 2: Phần tử logic cơ bản tạo nên các mạch số là: A. Transitor B. Cổng logic C. Phần tử nhớ và các cổng logic D. Mạch tổ hợp và mạch dãy Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 27
28. Trắc nghiệm Câu 3: Lý do chính phương pháp mô tả mạch số bằng ngôn ngữ HDL ưu việt hơn các phương pháp khác: A. Thiết kế lưu trữ với dung lượng nhỏ và phổ biến B. Thiết kế được những khối số lớn và phức tạp, hoạt động ở tốc độ cao. C. Dễ tổ chức và kiểm tra với những thiết kế phức tạp bằng các công cụ hỗ trợ Thiết kế tự động (CAD Tools) D. Dễ học và dễ sử dụng với sự hỗ trợ của máy vi tính Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 28
29. Trắc nghiệm Câu 4: Nguyên lý xây dựng PROM và các IC khả trình loại SPLD là: A. Ma trận cổng AND và ma trận cổng OR khả trình B. Ma trận cổng AND khả trình và ma trận cổng OR cố định C. Ma trận cổng AND và ma trận cổng OR khả trình D. Mọi hàm logic đều biểu diễn dưới dạng chuẩn tắc tuyển hoặc chuẩn tắc hội Chương I: Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 29