Bài giảng Thiết kế logic số: Lecture 1

Thiết kế logic số (Digital logic design)

TS. Hoàng Văn Phúc Bộ môn KT Xung số - Vi xử lý https://sites.google.com/site/phucvlsi/teaching phuchv@mta.edu.vn 02/2017

Mục đích, yêu cầu

Mục đích chung: Trang bị kiến thức về thiết kế, kiểm tra các mạch logic số, các thành phần của hệ thống điện tử số. 1.Thiết kế logic (chức năng) các khối mạch số (LSI, VLSI)

 Đúng chức năng  Có khả năng hiện thực hóa bằng vi mạch thật

(Synthesizeable)

 Một số kỹ thuật tối ưu thiết kế cơ bản 2. Hiện thực hóa các thiết kế trên FPGA

 Cách thức hiện thực hóa thiết kế trên FPGA dùng phần

mềm tự động thiết kế (EDA)

 Cách thức tổ chức phần cứng cho mạch FPGA để ứng

dụng vào thực tiễn

Yêu cầu: Nắm được kiến thức cơ bản, có khả năng thiết kế các mạch số chức năng cỡ vừa

Hệ thống ứng dụng ICT

 ICT: Information and communication technology

(Công nghệ thông tin và truyền thông)

Hệ thống IoT

 IoT: Internet of things

Vi mạch số (digital) và tương tự (Analog)

continuous

discrete

base on Transistor, capacitor, resistor, …

Analog

block design

circuit design

physical design (layout)

Digital

base on logic cells

Mô hình trừu tượng các hệ thống số (Digital Systems Abstract Model)

SYSTEM

MODULE

GATE

CIRCUIT

DEVICE

G

D

S n+

Mô hình trừu tượng các hệ thống tương tự (Analog Systems Abstract Model)

Bài toán thiết kế mạch số (1)

 Simple digital circuit (SSI, MSI)

Bài toán thiết kế mạch số (2)

Digital embedded system

Bài toán thiết kế mạch số (3)

 Mức độ tích hợp: LSI, VLSI , SoC (vài ngàn đến hàng tỷ

transistor).

Bài toán thiết kế mạch số (4)

Bài toán thiết kế mạch số (5)

 Khả năng tính toán: (MflopsTflops), ASIC có thể thay thế máy tính trong giải quyết những bài toán ứng dụng cụ thể

Chương 1

•Các kiến thức chung (nhắc lại từ Điện Tử Số) •HDL & Automation Design •IC khả trình

•Ngôn ngữ VHDL •Kỹ năng TK: Các khối MSI, SSI đơn giản đã biết trong ĐTS: cộng, dịch, thanh ghi, đếm FSM…

Chương 2

Chương 3

• 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 trước trên FPGA, lập trình giao tiếp bằng VHDL cho các ngoại vị đơn giản : UART, PS/2, I2C, SPI, VGA/LCD

Chương 4

•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 •Bài tập thiết kế

Thảo luận chuyên đề

 VHDL coding style  FPGA based design methods  Digital system design

Tài liệu tham khảo

 David Money Harris and Sarah L.Harris, Digital Design and Computer

Architecture, 2007

 M. Morris Mano, Digital_Design, 4th Edition

 M. Morris Mano, Digital Logic And Computer Design, 3rd Edition

 Giáo trình Thiết kế logic số- Trịnh Quang Kiên, Lê Xuân Bằng HVKTQS -

Năm 2011

 Lê Xuân Bằng - Kỹ thuật số (Tập 1) - NXB Khoa học kỹ thuật, 2008

 Đỗ Xuân Tiến - Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly - NXB Khoa học kỹ thuật

- Năm 2002

 IEEE VHDL standard reference 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 (e.g. http://vhdl.renerta.com/)

 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

Chương 1

 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.

 Thời lượng: 3 tiết bài giảng

The First Computer

ENIAC - The first electronic computer (1946)

The Transistor Revolution

First transistor Bell Labs, 1948

The First Integrated Circuits (IC)

Bipolar logic 1960’s

ECL 3-input Gate Motorola 1966

Intel 4004 Micro-Processor

1971 1000 transistors 1 MHz operation

Intel Pentium (IV) microprocessor

Transistor count: 184,000,000

Clock Speed: 1.30 GHz to 3.80 GHz

Số transistor: 2,270,000,000 Clock Speed: 3.2 GHz to 3.6 GHz

Luật Moore

 1965: Gordon Moore phát biểu rằng số lượng transistor trên một chip đơn sẽ tăng gấp đôi sau 18 đến 24 tháng.

Electronics, April 19, 1965.

Transistor Counts

1 Billion Transistors

K

1,000,000

100,000

Pentium® III

10,000

Pentium® II

Pentium® Pro

Pentium®

1,000

i486

i386

100 80286

8086

10 Source: Intel

1 1975

1980

1985 1990

1995

2005 2010

2000 Projected

Courtesy, Intel

Công nghệ CMOS 180nm là gì?

Minimal channel length is 180 nm

http://www.nature.com/nature/journal/v479/n7373/full/nature10676.html

Qui trình công nghệ chế tạo IC loại CMOS

Phòng sạch (Clean room)

Phân loại IC theo mật độ tích hợp:

SSI (Small Scale Integration) : <100 transistors (1963) 1963: Bipolar TTL Logic Series 7400 1968: CMOS Logic series 4000

MSI (Medium Scale Integration) : 100-300 transistors (1970)

LSI (Large Scale Integration) : 300-30K transistors (1975) 1974: 1K-bit RAM (4K transistors) 1978: uP Intel 8086 : (29K transistors)

VLSI (Very Large Scale Integration) : 30K-1M transistors (1980) 1986: 1M-bit RAM (>1M transistors) 1989: uP Intel 80846 (>1M transistors)

ULSI (Ultra Large Scale Integration) : >1M transistors (1990) 2000: uP Intel Pentium 4 (40 M transistors)

GSI (Giga Scale Integration) : >1G transistors (2010) 2007: 16G-bit RAM 2008: Intel Core 2 Quad (820 M transistors)

WSI (Wafer Scale Integration) : chip that uses the entire wafer

Tham số thời gian của các cổng logic

NOT gate (CMOS)

 Trễ lan truyền Tpd: thời gian tối thiểu từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự thay đổi của đầu vào X tới khi có thay đổi xác định tại đầu ra Y (khi đầu ra Y ổn định giá trị)  Tcd (Contamination delay): khoảng thời gian từ thời điểm xuất hiện sự thay đổi của đầu vào X cho tới khi đầu ra Y bắt đầu xảy ra sự mất ổn định

Tham số thời gian của Latch & Flip-flops

- Mạch tổ hợp:

T1 = TNOT + TAND_4 + TNOR + TAND_3 + TOR_2 + TWire1 T2 = TNOT + TAND + TOR_4 + TAND_4 + T OR_4 + TWire2

Đường tới hạn (critical path): Đường truyền dữ liệu gây ra trễ lớn nhất trong mạch

- Mạch tuần tự (mạch dãy) :

Tclk_min = Tclk-q + Td2 + Tsb + Tskew

- Các phương pháp mô tả vi mạch số

Schematic (Sơ đồ nguyên lý)

HDL (Ngôn ngữ mô tả phần cứng)

Các thông số đặc trưng của mạch số

 Tốc độ  Độ trễ (delay)  Tài nguyên tiêu tốn  Kích thước (area)  Hiệu năng (performance)  Công suất tiêu thụ  Điện áp cung cấp  Năng lượng tiêu thụ (Energy)  …

Các dạng thiết kế số:

Digital Design

Manual Design

Automation Design

74xx series

40xx seriess

PLD based

Discrete component

Semi-custom ASIC

Full custom ASIC

SPLD

CPLD

FPGA

PAL

GAL

PLA

PROM

Giới thiệu các IC khả trình:

-PROM (1956)

- PAL (1970)

Macrocell

GAL: Một dạng cải tiến của PAL với nguyên lý lập trình kiểu EEPROM

- Macrocell:

- PLA (1975)

Macrocell

- CPLD (MAX5000, XC9500):

- FPGA – 1984 (Xilinx):

Hệ thống nhúng (embedded system) trên FPGA

System on board

System on chip (SoC)

Source: Internet

Câu hỏi thảo luận (Chuẩn bị cho BG2)

1. Ngôn ngữ VHDL là gì?

2. Điểm khác biệt so với các ngôn ngữ lập trình khác? 3. Tại sao cần có các loại mô tả VHDL khác nhau? 4. Làm thế nào để xây dựng một chương trình VHDL cho một mạch số chức năng cụ thể?