1
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
BỘ MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ, VI XỬ LÝ – KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN
TỬ
THIẾT KẾ LOGIC SỐ
(Dùng cho đối tƣợng đào tạo chính quy hệ quân sự và dân sự)
LƢU HÀNH NỘI BỘ
HÀ NỘI -2011
2
3
LỜI GIỚI THIỆU
Thiết kế logic số là môn học kế tiếp của chƣơng trình Điện tử số. Nội dung
chính của chƣơng trình môn học tập trung vào hai vấn đề kiến thức chính. Thứ
nhất là bài toán thiết kế về mặt chức năng cho các khối số có mật độ tích hợp lớn
cỡ LSI, VLSI và lớn hơn. Vấn đề thứ hai là giới thiệu căn bản về các công nghệ
giúp hiện thực hóa thiết kế chức năng thành sản phẩm ứng dụng, trong đó tập
trung chính vào công nghệ FPGA, một nền tảng công nghệ mới đã và đang phát
triển rất mạnh hiện nay. Khác với bài toán tổng hợp và phân tích trong Điện tử số
chủ yếu là bài toán cho các mạch cỡ SSI, MSI, các bài toán ở đây có hƣớng tới
các ứng dụng cụ thể thực tiễn với quy mô lớn hơn và buộc phải sử dụng các công
cụ trợ giúp thiết kế trên máy tính và ngôn ngữ thiết kế VHDL
Chƣơng trình Thiết kế logic số nhắm vào trang bị kiến thức cơ sở ngành
cho tất cả các đối tƣợng sinh viên thuộc chuyên ngành kỹ thuật Điện tử viễn
thông, Điều khiển tự động. Trƣớc khi học môn này các sinh viên này phải học
qua các môn cơ sở ngành gồm Cấu kiện điện tử, Điện tử số, Kỹ thuật Vi xử lý
trong đó hai môn đầu là bắt buộc.
Thiết kế logic số là một môn học mang tính thực hành cao nên trong cấu
trúc chƣơng trình sẽ dành nhiều thời gian hơn cho thực hành thí nghiệm cũng
nhƣ bắt buộc sinh viên khi kết thúc môn học phải thực hiện các đồ án bài tập
thiết kế cỡ vừa và lớn theo nhóm dƣới dạng Bài tập lớn hoặc Đồ án môn học.
Kiến thức và kỹ năng của sinh viên sẽ giúp ích rất lớn cho các bài toán
chuyên ngành và Đồ án tốt nghiệp sau này bởi trong các ứng dụng xử lý số đang
dần chiếm vai trò quan trọng trong các hệ thống kỹ thuật. Bên cạnh những công
cụ truyền thống là Vi xử lý, máy tính thì thiết kế phần cứng trên FPGA hoặc trên
nền các công nghệ tƣơng tự đang là một hƣớng phát triển mang lại hiệu năng
vƣợt trội và khả năng ứng dụng thích nghi tốt hơn.
Giáo trình chính thức cho môn học đƣợc hoàn thiện sau hơn 2 khóa đào
tạo cho sinh viên hệ đào tạo dân sự, quân sự tại Học viện Kỹ thuật quân sự.
Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn sự ủng hộ nhiệt tình của lãnh đạo Khoa Vô
tuyến điện tử, lãnh đạo bộ môn Kỹ thuật xung số, vi xử lý, các đồng nghiệp trong
khoa và bộ môn đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu góp phần hoàn thiện nội
dung cho giáo trình, cám ơn anh chị em nhân viên của bộ môn đã góp nhiều công
sức cho công việc chế bản cho giáo trình. Nhóm tác giả cũng gửi lời cám ơn tới
4
toàn bộ các sinh viên các khóa đào tạo bằng quá trình học tập, nghiên cứu thực tế
đã có những ý kiến đóng góp giúp tác giả điều chỉnh về khung chƣơng trình và
nội dung ngày hợp lý và hiệu quả hơn.
Vì thời gian hạn chế và là một môn học mới do vậy chắc chắn sẽ còn
nhiều những khiếm khuyết trong giáo trình. Nhóm tác giả rất mong tiếp tục nhận
đƣợc những ý kiến đóng góp của ngƣời sử dụng, mọi ý kiến có thể gửi về Bộ
môn Kỹ thuật Xung số, Vi xử lý – Học viện KTQS hoặc vào hòm thƣ điện tử
quangkien82@gmail.com.
Hà nội 12-2011
5
Mục lục
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................ 3
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .............................................. 11
Chƣơng 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ SỞ ..................................................... 15
1. Các khái niệm chung .......................................................................... 16
1.1. Transitor ....................................................................................... 16
1.2. Vi mạch số tích hợp ..................................................................... 17
1.3. Cổng logic .................................................................................... 18
1.4. Phần tử nhớ .................................................................................. 20
1.5 Mạch logic tổ hợp ......................................................................... 23
1.6. Mạch logic tuần tự ....................................................................... 24
1.7 Các phƣơng pháp thể hiện thiết kế. .............................................. 25
2. Yêu cầu đối với một thiết kế logic ..................................................... 27
3. Các công nghệ thiết kế mạch logic số ................................................ 28
4. Kiến trúc của các IC khả trình ........................................................... 31
4.1. Kiến trúc PROM, PAL, PLA, GAL............................................. 31
4.2. Kiến trúc CPLD, FPGA ............................................................... 36
Câu hỏi ôn tập chƣơng 1 ........................................................................ 39
Chƣơng 2: NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG VHDL ......................... 41
1. Giới thiệu về VHDL........................................................................... 42
2. Cấu trúc của chƣơng trình mô tả bằng VHDL ................................... 43
2.1. Khai báo thƣ viện ......................................................................... 44
2.2. Mô tả thực thể .............................................................................. 45
2.3. Mô tả kiến trúc ............................................................................. 48
2.4. Khai báo cấu hình ........................................................................ 53
3. Chƣơng trình con và gói .................................................................... 56