Thiết kế logic số (Digital logic design

Thiết kế logic số
(Digital logic design)
TS. Hồng Văn Phúc
Bộ mơn KT Xung số - Vi xử lý
/>
()
8/2014


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

2


Hệ thống ứng dụng ICT

 ICT: Information and communication technology

(Công nghệ thông tin và truyền thông)

3


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
4


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

MODULE
+
GATE

CIRCUIT

DEVICE
G
S
n+

5

D
n+


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

6


Bài toán thiết kế mạch số (1)
 Simple digital circuit (SSI, MSI)

7


Bài toán thiết kế mạch số (2)

Digital embedded system
8


Bài tốn thiết kế mạch số (3)
 Mức độ tích hợp: LSI, VLSI , SoC (vài ngàn đến hàng tỷ

transistor).

9


Bài toán thiết kế mạch số (4)

10


Bài tốn thiết kế mạch số (5)
 Khả năng tính tốn: (MflopsTflops), ASIC có thể thay thế

máy tính trong giải quyết những bài toán ứng dụng cụ thể

11


Chương 1

Chương 2

Chương 3

Chương 4

•Các kiến thức chung (nhắc lại từ Điện Tử Số)
•HDL & Automation Design
•IC khả trình
•Ngơn ngữ VHDL
•Kỹ năng TK: Các khối MSI, SSI đơn giản đã biết trong ĐTS:
cộng, dịch, thanh ghi, đếm FSM…
• Cơng 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
•Các thuật tốn và sơ đồ để thiết kế một số khối LSI thơng
dụng
•Kỹ năng TK: Các khối LSI, VLSI: CLA, nhân, chia số
nguyên, số thực, có dấu và khơng dấu, Memory, cấu trúc
CPU đơn giản
•Bài tập thiết kế

12


Thảo luận chuyên đề
 VHDL coding style

 FPGA based design methods

 Digital system design

13


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. />
 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

14


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

15


The First Computer

The Babbage
Difference Engine
(1832)
25,000 parts
cost: £17,470
16

ENIAC - The first electronic computer (1946)

17


The Transistor Revolution

18

First transistor
Bell Labs, 1948


The First Integrated Circuits (IC)
Bipolar logic
1960’s

ECL 3-input Gate
Motorola 1966
19


Intel 4004 Micro-Processor

1971
1000 transistors
1 MHz operation

20


Intel Pentium (IV) microprocessor
Transistor count:
184,000,000
Clock Speed:
1.30 GHz to 3.80 GHz

21


22

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


Luật Moore

16
15
14
13
12
11
10
9
8
7

6
5
4
3
2
1
0

1959
1960
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975

LOG2 OF THE NUMBER OF
COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION

 1965: Gordon Moore phát biểu rằng số lượng transistor

trên một chip đơn sẽ tăng gấp đôi sau 18 đến 24 tháng.

23

Electronics, April 19, 1965.


Transistor Counts
1 Billion Transistors

K
1,000,000
100,000
10,000
1,000

i486
i386
80286

100
10

Pentium® III
Pentium® II
Pentium® Pro
Pentium®

8086
Source: Intel

1
1975

1980

1985

1990

1995

2000
Projected

24

Courtesy, Intel

2005

2010


25