(Đồ án hcmute) điều khiển thiết bị bằng fpga và module sim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG FPGA VÀ
MODULE SIM

GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH : ĐÀO THỊ KIM MAI
MSSV: 14141187

SKL 0 0 5 3 0 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2018

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG FPGA VÀ
MODULE SIM
GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú
SVTH: Đào Thị Kim Mai
MSSV: 14141187

Tp. Hồ Chí Minh, 07/2018

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này do nhóm chúng em thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao
chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài

Đào Thị Kim Mai

do an

Đặng Thị Thu Vân


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp, đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
q Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử nói chung và các Thầy Cô trong bộ môn Điện tử Cơng
Nghiệp – Y Sinh nói riêng đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu
trong suốt quá trình học tập.
Đặc biệt chúng em xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Đình Phú – Giảng viên Bộ môn

Điện Tử Công Nghiệp-Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em
hoàn thành tốt đề tài.
Cuối cùng chúng em xin được cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến,
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Đào Thị Kim Mai

do an

Đặng Thị Thu Vân


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN ........................................................................................................ 1

ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................... 1
MỤC TIÊU ........................................................................................................................ 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................. 2
GIỚI HẠN ......................................................................................................................... 2
BỐ CỤC ............................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 4
2.1

TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS ................................................................................ 4

2.2

TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH .................................................................................... 5

2.2.1

Giới thiệu.......................................................................................................................5

2.2.2

Các chuẩn kết nối Bluetooth .........................................................................................5

2.2.3

Ứng dụng .......................................................................................................................7

2.2.4

Ưu và nhược điểm của công nghệ Bluetooth ................................................................8

2.3

TỔNG QUAN VỀ FPGA .................................................................................................. 8

2.3.1

Lịch sử phát triển của FPGA .........................................................................................8

2.3.2

Khái niệm FPGA ...........................................................................................................9

2.3.3

Ứng dụng của FPGA ...................................................................................................11

2.3.4

Ý nghĩa của FPGA ......................................................................................................12

2.3.5

So sánh FPGA với một số mạch lập trình được ..........................................................13

2.4

GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ VHDL ................................................................................. 15

2.4.1

Giới thiệu.....................................................................................................................15

2.4.2

Cấu trúc một mơ hình hệ thống mơ tả bằng VHDL ....................................................17

2.4.3

Trình tự thiết kế một chip dựa trên VHDL .................................................................19

2.5

CHUẨN GIAO TIẾP UART .......................................................................................... 20

2.6

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ........................................................................................... 21

2.6.1

Module SIM900A .......................................................................................................21

2.6.2

Module Bluetooth HC - 05 ..........................................................................................24

2.6.3

FPGA Xilinx-XC3S500E-PQ208 ...............................................................................25

2.6.4

Opto PC817C ..............................................................................................................37

2.6.5

LCD 20x4 ....................................................................................................................39

2.6.6

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11...........................................................................43

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ........................................................................... 47
3.1

GIỚI THIỆU.................................................................................................................... 47

do an


3.2

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................... 47

3.2.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .......................................................................................47

3.2.2

Tính tốn và thiết kế mạch ..........................................................................................48

3.2.3

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .........................................................................................55

CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................. 58
4.1

GIỚI THIỆU.................................................................................................................... 58

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................................. 58

4.2.1

Thi cơng mạch in .........................................................................................................58

4.2.2

Đóng gói và thi cơng mơ hình .....................................................................................58

4.2.3

Lập trình hệ thống .......................................................................................................59

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ .......................................................... 98
5.1

GIỚI THIỆU.................................................................................................................... 98

5.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .................................................................................................. 98

5.2.1

Giao diện SMS ............................................................................................................98

5.2.2

Giao diện App Android ............................................................................................... 99

5.2.3

Kết quả thực tế ..........................................................................................................100

5.3

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................................................... 101

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 102
6.1

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 102

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................................ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 103

do an


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2. 1. Kiến trúc tổng quan của FPGA. ...................................................................................10
Hình 2. 2. Khối logic lập trình được của FPGA. ...........................................................................10
Hình 2. 3. Quy trình thiết kế chip dựa trên VHDL. .......................................................................19

Hình 2. 4. Cấu trúc một byte truyền. .............................................................................................20
Hình 2. 5. Thứ tự bit trong truyền dữ liệu nối tiếp của một ký tự ‘A’ khi truyền đi. ....................21
Hình 2. 6. Module SIM900A. ........................................................................................................22
Hình 2. 7. Module Bluetooth HC-05. ............................................................................................24
Hình 2. 8. Kit FPGA sử dụng chip XC3S500E. ............................................................................26
Hình 2. 9. Sơ đồ giao tiếp giữa FPGA và các thiết bị ngoại vi. ....................................................27
Hình 2. 10. Sơ đồ mạch giao tiếp với các Switch. .........................................................................28
Hình 2. 11. Sơ đồ mạch giao tiếp với các nút nhấn. ......................................................................29
Hình 2. 12. Sơ đồ mạch giao tiếp với các Led đơn. ......................................................................30
Hình 2. 13. Sơ đồ giao tiếp với 8 Led 7 đoạn Anode chung. ........................................................31
Hình 2. 14. Sơ đồ mạch giao tiếp với 1 Led ma trận 8x8. .............................................................34
Hình 2. 15. Sơ đồ mạch IC Max232 với FPGA. ...........................................................................35
Hình 2. 16. Sơ đồ mạch chuẩn PS2 với FPGA. .............................................................................36
Hình 2. 17. Sơ đồ mạch kết nối mạch dao động với FPGA. .........................................................37
Hình 2. 18. Opto PC817. ...............................................................................................................38
Hình 2. 19. Sơ đồ chân và cấu tạo PC817. ....................................................................................38
Hình 2. 20. Màn hình LCD 20x4. ..................................................................................................39
Hình 2. 21. DHT11. .......................................................................................................................44
Hình 2. 22. Quy trình tổng thể. ......................................................................................................44
Hình 2. 23. MCU gửi tín hiệu bắt đầu và phản hồi của DHT. .......................................................45
Hình 2. 24. Chỉ số dữ liệu “0”. ......................................................................................................46
Hình 2. 25. Chỉ số dữ liệu “1”. ......................................................................................................46
Hình 3. 1. Sơ đồ khối tồn mạch. ..................................................................................................47
Hình 3. 2. Sơ đồ chân module HC-05. ..........................................................................................49
Hình 3. 3. Sơ đồ chân module SIM900A. .....................................................................................49
Hình 3. 4. Sơ đồ nguyên lý khối relay. ..........................................................................................51
Hình 3. 5. Module relay 4 kênh. ....................................................................................................52
Hình 3. 6. Sơ đồ chân LCD 20x4. .................................................................................................53

do an

Hình 3. 7. Sơ đồ chân DHT11. ......................................................................................................54
Hình 3. 8. Adapter 5VDC. .............................................................................................................55
Hình 3. 9. Sơ đồ ngun lý tồn mạch. ........................................................................................56
Hình 3. 10. Sơ đồ nối chân giữa FPGA và các ngoại vi. ............................................................... 57
Hình 4. 1. Sơ đồ mạch in nối chân giữa FPGA và các ngoại vi. ...................................................58
Hình 4. 2. Đóng gói bộ điều khiển. ............................................................................................... 59
Hình 4. 3 Bản vẽ ngơi nhà mơ hình. ..............................................................................................59
Hình 4. 4. Sơ đồ các khối trong chương trình. ..............................................................................60
Hình 4. 5. Sơ đồ khối bộ nhận. ......................................................................................................61
Hình 4. 6. Sơ đồ chân khối tạo tốc độ baud. ..................................................................................62
Hình 4. 7. Sơ đồ chân khối nhận dữ liệu. ......................................................................................63
Hình 4. 8. Mơ hình máy trạng thái của khối UART_RX. .............................................................64
Hình 4. 9. Sơ đồ khối bộ phát. .......................................................................................................66
Hình 4. 10. Sơ đồ khối UART hồn chỉnh. ...................................................................................67
Hình 4. 11. Sơ đồ khối UART hồn chỉnh. ...................................................................................68
Hình 4. 12. Sơ đồ FSM đọc nhiệt độ và độ ẩm từ DHT11. ...........................................................69
Hình 4. 13. Lưu đồ ASM của trạng thái reset và hiện diện cảm biến. ..........................................70
Hình 4. 14. Lưu đồ ASM của trạng get_humi_temp. ....................................................................72
Hình 4. 15. Lưu đồ ASM của trạng thái Read_bit. ........................................................................73
Hình 4. 16. Lưu đồ ASM của trạng wait_ms.................................................................................74
Hình 4. 17. Sơ đồ khối FPGA điều khiển LCD. ............................................................................75
Hình 4. 18. Đồ hình FMS điều khiển LCD hiển thị 80 ký tự. .......................................................76
Hình 4. 19. Sơ đồ khối tồn chương trình của hệ thống. ............................................................... 77
Hình 4. 20. Lưu đồ chương trình chính. ........................................................................................78
Hình 4. 21. Lưu đồ chương trình con UART. ...............................................................................79
Hình 4. 22. Lưu đồ chương trình con Xử lý dữ liệu nhận. ............................................................80
Hình 4. 23. Giao diện của chương trình ISE. ................................................................................82
Hình 4. 24. Tạo Project mới. .........................................................................................................82

Hình 4. 25. Menu để nhập tên thư mục cho Project. .....................................................................83
Hình 4. 26. Nhập tên thư mục cho Project. ...................................................................................83
Hình 4. 27. Menu dùng để chọn các thơng số của project. ............................................................84
Hình 4. 28. Thơng tin project đang thực hiện. ...............................................................................85
Hình 4. 29. Màn hình sau khi khai báo xong tên và chọn chip FPGA. .........................................85

do an


Hình 4. 30. Màn hình để tạo file nguồn mới. ................................................................................86
Hình 4. 31. Màn hình chọn kiểu lập trình và đặt tên cho file nguồn mới. .....................................86
Hình 4. 32. Màn hình thiết lập các tín hiệu ngõ vào ra. ................................................................ 87
Hình 4. 33. Màn hình xuất hiện 2 tag. ...........................................................................................88
Hình 4. 34. Chọn mục để tiến hành gán chân. ...............................................................................89
Hình 4. 35. Chọn chức năng tổng hợp chương trình. ....................................................................89
Hình 4. 36. Generate Target PrOM/AC File. ................................................................................90
Hình 4. 37. Giao diện chương trình nạp “ISE iMPACT”. .............................................................91
Hình 4. 38. Khởi tạo kết nối để nhận dạng chip FPGA. ................................................................ 91
Hình 4. 39. Khởi tạo kết nối để nhận dạng chip FPGA. ................................................................ 92
Hình 4. 40. Chọn file để nạp vào chip FPGA. ...............................................................................92
Hình 4. 41. Chọn file để nạp vào chip PROM. ..............................................................................93
Hình 4. 42. Chỉ nạp cho FPGA. .....................................................................................................93
Hình 4. 43. Sẵn sàng nạp. ..............................................................................................................94
Hình 4. 44. Nạp thành cơng. ..........................................................................................................94
Hình 4. 45. Phần mềm App Inventor. ............................................................................................95
Hình 4. 46. Tạo Project. .................................................................................................................96
Hình 4. 47. Thiết kế giao diện app. ............................................................................................... 96
Hình 4. 48. Lập trình App. ............................................................................................................97
Hình 4. 49. Biên dịch chương trình. ..............................................................................................97
Hình 5. 1. Giao diện SMS. ............................................................................................................98

Hình 5. 2. App hồn chỉnh.............................................................................................................99
Hình 5. 3. Giao diện khi chọn thiết bị kết nối. ..............................................................................99
Hình 5. 4. Giao diện sau khi nhấn nút. ........................................................................................100
Hình 5. 5. Hình ảnh thực tế. ........................................................................................................100

do an


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2. 1. So sánh FPGA với CPLD. ...........................................................................................14
Bảng 2. 2. Các lệnh AT cơ bản hay sử dụng. ................................................................................23
Bảng 2. 3. 8 Switch gạt. ................................................................................................................28
Bảng 2. 4. 4 nút nhấn. ...................................................................................................................29
Bảng 2. 5. 8 Led đơn .....................................................................................................................30
Bảng 2. 6. Các đoạn và các Anode của 8 Led 7 đoạn. ..................................................................31
Bảng 2. 7. Bảng mã 7 đoạn. ..........................................................................................................32
Bảng 2. 8. Bảng IO kết nối Led ma trận. ......................................................................................32
Bảng 2. 9. Mã ký tự của A. ...........................................................................................................33
Bảng 2. 10. Mã của tất cả các ký tự. .............................................................................................33
Bảng 2. 11. Bảng IO kết nối LCD. ................................................................................................ 35
Bảng 2. 12. Bảng tên các tín hiệu giao tiếp IC chuẩn RS232. ......................................................36
Bảng 2. 13. Bảng tên các tín hiệu chuẩn PS/2. .............................................................................36
Bảng 2. 14. Bảng tên các tín hiệu VGA. .......................................................................................37
Bảng 2. 15. Chức năng các chân LCD 20x4. ................................................................................40
Bảng 2. 16. Địa chỉ từng ký tự của LCD 20x4. ............................................................................41
Bảng 2. 17. Bảng mã ASCII..........................................................................................................42
Bảng 2. 18. Mã của trái tim. ..........................................................................................................43
Bảng 3. 1. Bảng IO kết nối LCD. ..................................................................................................53
Bảng 3. 2. Danh sách các thiết bị. .................................................................................................54
Bảng 4. 1. I/O của khối baud rate generator. ................................................................................62

Bảng 4. 2. I/O của khối nhận dữ liệu. ...........................................................................................64

do an


TÓM TẮT

Ngày nay nhu cầu của con người ngày càng tăng cao do đó sự phát triển của tất cả các
lĩnh vực cũng phát triển theo, đặc biệt là ngành thuộc lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin.
Sự phát triển mạnh của lĩnh vực này đã góp phần lớn giải quyết nhu cầu sống của con người,
bây giờ những ứng dụng thơng minh khơng cịn là mơ ước xa vời mà nó đã trở thành hiện
thực. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây thì các bộ điều khiển thiết bị điện trong nhà
đang dần được chú ý, hiện nay đã có những dự án về “ngơi nhà thơng minh” hay các đề tài
điều khiển thiết bị trong nhà… Nhìn chung các năm trước, đề tài điều khiển thơng minh
được các sinh viên thực hiện xoay quanh: điều khiển qua tin nhắn điện thoại, Bluetooth và
điều khiển bằng tần số vô tuyến bằng vi điều khiển PIC, Raspberry pi, ARM. Do đó, nhóm
em quyết định thực hiện đề tài “Điều khiển thiết bị bằng FPGA và module SIM”.

do an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay nhu cầu của con người ngày càng tăng cao do đó sự phát triển của tất cả
các lĩnh vực cũng phát triển theo, đặc biệt là ngành thuộc lĩnh vực điện tử, công nghệ thông

tin. Sự phát triển mạnh của lĩnh vực này đã góp phần lớn giải quyết nhu cầu sống của con
người, bây giờ những ứng dụng thông minh khơng cịn là mơ ước xa vời mà nó đã trở thành
hiện thực. Một ví dụ thực tế được kể đến là hệ thông nhà thông minh Bkav Smart home.
Những thiết bị điện trong nhà được kiểm sốt thơng qua các thiết bị truyền thông như điện
thoại, Internet, điều khiển bằng thiết bị từ xa. Trong cuộc sống bận rộn như hiện nay thì điều
khiển thiết bị từ xa đã phần nào thỏa mãn nhu cầu của con người.
Mạng lưới Internet hiện nay đang ngày càng phát triển, điều đó khiến việc điều khiển
từ xa qua mạng Internet trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn. Bên cạnh đó, điều khiển thiết bị
thông qua mạng SMS cũng là một ứng dụng mang tính hiện đại và giá trị thực tiễn cao. Ở
những nơi khơng có Internet thì việc sử dụng sóng điện thoại là giải pháp duy nhất vì chi
phí rẻ, bất chấp khoảng cách và độ ổn định cao, bất cứ ở đâu hay làm gì thì bạn vẫn có thể
quản lý, giám sát và điều khiển được các thiết bị điện trong gia đình. Ngồi ra, Bluetooth
cũng là lựa chọn cho các thiết bị điện tử trong việc hỗ trở truyền tải dữ liệu với khoảng cách
ngắn giữa các thiết bị di động với nhau và với thiết bị cố định mà không cần dây cáp.
Trong những năm gần đây cũng có nhiều nhóm tác giả đã nghiên cứu và thực hiện
mơ hình về ứng dụng điều khiển thiết bị từ xa. Nhìn chung các năm trước, đề tài nhà thông
minh được các sinh viên thực hiện xoay quanh: điều khiển qua tin nhắn điện thoại, Bluetooth
và điều khiển bằng tần số vô tuyến bằng vi điều khiển PIC, Raspberry pi…
Cơng nghệ phát triển càng cao thì địi hỏi phần cứng phải đủ nhanh để xử lý. Các
mạch lọc tương tự trước đây khơng cịn đủ khả năng đáp ứng u cầu đó nữa. Vì vậy, FPGA
đã ra đời như một giải pháp cung cấp môi trường làm việc hiệu quả cho các ứng dụng thực
tế. FPGA có rất nhiều ưu điểm, một ưu điểm nổi bật mà các dịng chip khác khơng có đó là

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

xử lý song song, có thể lập trình lại được, nên FPGA dễ dàng mở rộng các ngoại vi cũng
như giao tiếp với nhiều thiết bị. Ví dụ như, PIC chỉ có một cổng UART nên chỉ cho phép
giao tiếp với một module, trong khi đó FPGA lại có nhiều cổng UART cho phép truyền nhận
nhiều module cùng một lúc.
Vì những lý do trên, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Điều khiển thiết
bị bằng FPGA và module SIM”.

MỤC TIÊU
Nhóm chúng em sẽ thiết kế và thi cơng mơ hình các thiết bị điện trong nhà như đèn,
quạt… được điều khiển bằng các thiết bị bằng SMS thơng qua module SIM, ngồi ra cịn
điều khiển bằng app thiết kế trên điện thoại kết nối Bluetooth. Các tín hiệu được gửi đến hệ
thống trung tâm FPGA xử lý rồi điều khiển các thiết bị như ý muốn. Có hiển thị giá trị nhiệt
độ, độ ẩm và kết quả lên LCD.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
•

NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tổng quan về FPGA, ngôn ngữ VHDL, SMS, Bluetooth,
chuẩn giao tiếp UART.

•

NỘI DUNG 2: Nghiên cứu về kit FPGA Xilinx-XC3S500E-PQ208, module SIM,
module Bluetooth, LCD 20x4, Opto PC817, DHT11.

•

NỘI DUNG 3: Viết chương trình cho các module sử dụng ngơn ngữ VHDL.

•

NỘI DUNG 4: Lập trình app Bluetooth trên Android.

•

NỘI DUNG 5: Thiết kế mơ hình nhà và lắp ráp các khối điều khiển vào mơ hình.

•

NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống.

•

NỘI DUNG 7: Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.

•

NỘI DUNG 8: Viết luận văn.

•

NỘI DUNG 9: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

GIỚI HẠN
•

Sử dụng kit FPGA Xilinx-XC3S500E-PQ208 điều khiển module SIM, module
Bluetooth, cảm biến nhiệt độ độ ẩm, hiển thị kết quả lên LCD 20x4.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

•

Thiết kế ở dạng mơ hình nên giới hạn ở 4 thiết bị, sử dụng động cơ cơng suất nhỏ.

BỐ CỤC
•

Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.

•

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị, phần cứng sử
dụng thiết kế.

•

Chương 3: Tính Tốn và Thiết Kế

Chương này tính tốn thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng khối và
ngun lý hoạt động của từng khối.

•

Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống
Chương này thi công hệ thống, lắp ráp và kiểm tra.

•

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá
Chương này nêu kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá hệ thống.

•

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu ban
đầu, nêu hướng phát triển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS
SMS là từ viết tắt của Short Message Service, một phương thức để gửi tin nhắn qua
mạng khơng dây. Đó là một cơng nghệ cho phép gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại
với nhau. Không giống như nhiều dịch vụ hiện nay, chẳng hạn như MMS và các dịch vụ gọi
thoại khác, tin nhắn SMS vẫn hoạt động trên các mạng cơ bản và dựa trên 3 cơng nghệ mạng
lớn đó là GSM, CDMA và TDMA, khiến nó trở thành một dịch vụ phổ cập cho mọi người.
Một tin nhắn SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy, một tin nhắn
SMS có thể chứa:
• 160 ký tự (cả chữ cái, số và các ký tự khác) nếu như mã hóa ký tự 7 bit được sử
dụng.
• 70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng.
Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngơn ngữ khác nhau. Nó có thể hoạt động tốt
với nhiều ngơn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung Quốc, Nhật Bản
và Hàn Quốc.
Một tin nhắn văn bản từ điện thoại di động sẽ được lưu trữ trong trung tâm lưu trữ tin
nhắn SMC (Stored Message Central), sau đó sẽ chuyển đến đích cần đến. Tin nhắn SMS
thường sử dụng một kênh riêng biệt để gửi và kiểm soát các tin nhắn. Vì vậy các cuộc gọi
và các dạng tin nhắn khác sẽ không bị cản trở bởi SMS.
Như đã đề cập, SMC có nhiệm vụ lưu trữ và chuyển tiếp tin nhắn đến và đi từ trạm
di động cùng các tổ chức tin nhắn khác – thường là điện thoại di động. Lợi ích của việc lưu
trữ là nhằm thơng báo và gửi lại tin nếu người nhận chưa nhận được. Hoặc nếu người nhận
đang ở ngồi vùng phủ sóng, mạng lỗi… thì tin nhắn vẫn được lưu trữ trong trung tâm và sẽ
tự gửi lại khi người nhận đã kết nối trở lại.
Tuy nhiên, để tìm ra vị trí chính xác nơi tin nhắn sẽ được gửi tới thì SMC cần phải
nhận được vị trí của người nhận. Và đây chính là HLR (Home Location Register) – nơi lưu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

trữ vị trí thuê bao trong mạng. Nhưng quan trọng nhất, HLR cũng có thể theo dõi người
dùng và cung cấp vị trí chính xác của thuê bao di động nếu bạn di chuyển đến nơi khác.
Tin nhắn SMS là một công nghệ rất thành công. Tất cả các điện thoại mobile ngày
nay đều hỗ trợ nó. Bạn khơng chỉ có thể trao đổi các tin nhắn SMS đối với người sử dụng
mobile ở cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng sóng mang wireless, mà đồng thời bạn cũng
có thể trao đổi nó với người sử dụng khác ở các nhà cung cấp dịch vụ mạng khác.
SMS có thể là xương sống của truyền thông trong nhiều thập kỷ qua nhưng gần đây
nhiều dịch vụ khác đã dần thay thế, đặc biệt là các nước phương Tây. Tuy nhiên tại các nước
đang phát triển như Việt Nam thì SMS vẫn là phương thức truyền nhận tin phổ biến và được
yêu thích.

2.2 TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH
2.2.1

Giới thiệu
Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách

ngắn. Khái niệm này được phát triển đầu tiên bởi Ericsson (hiện nay là Sony Ericsson và
Ericsson Mobile Platforms), và sau đó được chuẩn hóa bởi Bluetooth Special Interest
Group (SIG). Chuẩn được công bố vào ngày 20 tháng 05 năm 1999. Ngày nay được công
nhận bởi 1800 cơng ty trên tồn thế giới. Được thành lập đầu tiên bởi Sony Ericsson,
IBM, Intel, Toshiba và Nokia, sau đó cùng có sự tham gia của nhiều cơng ty khác với tư
cách cộng tác hay hỗ trợ. Bluetooth có chuẩn là IEEE 802.15.1.

2.2.2

Các chuẩn kết nối Bluetooth

- Bluetooth 1.0 và 1.0B: Tốc độ xấp xỉ 1Mbps nhưng gặp nhiều vấn đề về tính
tương thích.
-

Bluetooth 1.1: Phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhưng không thay đổi tốc độ

-

Bluetooth 1.2: Phiên bản này được cải tiến tăng tốc quy trình tìm kiếm và kết nối
với thiết bị, cải tiến về tần số để tránh nhiễu, tốc độ truyền tải cao so với chuẩn
1.1 (tăng lên 721kbit/s), mở rộng kết nối đồng bộ.

-

Bluetooth 2.0 +ERD: Phiên bản Bluetooth này ra mắt vào năm 2004 với việc ra
đời Enhanced Data Rate (EDR – Cải thiện tốc độ dữ liệu) để truyền tải dữ liệu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

nhanh hơn. Tốc độ dữ liệu lý thuyết khoảng 3Mbit/s, trong khi tốc độ thực tế
2.1Mbit/s.
-

Bluetooth 2.1 +ERD: Ra đời năm 2007 cho phép ghép nối bảo mật đơn giản để
giúp các thiết bị Bluetooth tương tác tốt hơn, nhằm cải thiện việc sử dụng và bảo
mật, cũng như giảm điện năng tiêu thụ ở chế độ tiêu thụ ít năng lượng.

-

Bluetooth 3.0 + HS (High Speed): Được giới thiệu vào 21/4/2009, chuẩn kết nối
này có tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps, tuy nhiên khơng phải thơng qua kênh
Bluetooth. Mà thay vào đó là thiết lập kênh kết nối và truyền tải dữ liệu tốc độ
nhanh được truyền qua kết nối theo chuẩn 802.11. Những thiết bị hỗ trợ Bluetooth
3.0 nhưng khơng có +HS sẽ không hỗ trợ truyền Bluetooth tốc độ cao. Tuy tốc
độ cao nhưng Bluetooth vẫn chỉ hỗ trợ nhu cầu chia sẻ nhanh file có dung lượng
thấp hay kết nối với loa, tai nghe…

-

Bluetooth 4.0: Ra mắt tháng 6/2010, phiên bản này tích hợp các tính năng của
Bluetooth truyền thống (Classic Bluetooth), Bluetooth +HS (Bluetooth High
Speed - Bluetooth tốc độ cao), Bluetooth +LE (Bluetooth Low Energy Bluetooth tiết kiệm năng lượng) với bản Bluetooth +LE có giao thức kết nối mới
nhằm nhanh chóng thiết lập liên kết đơn giản, thay thế cho giao thức truyền thống
của Bluetooth v1.0 và Bluetooth v3.0 hướng đến việc tiêu thụ ít năng lượng nhất
có thể.

-

Bluetooth 4.1: Được SIG công bố vào ngày 04/12/2013, phiên bản có cải tiến
đáng chú ý:
+ Cải thiện tình trạng chồng chéo dữ liệu: Tín hiệu của Bluetooth 4.0 và mạng
4G sẽ bị chồng lấn lên nhau nếu bật Bluetooth trong phạm vi có sóng 4G. Phiên bản
4.1 đã cải thiện tình trạng này bằng cách phối hợp tự động với sóng 4G ln mà
khơng có sự riêng biệt nào giữa hai luồng tín hiệu.
+ Khả năng kết nối thơng minh: Bluetooth 4.1 sẽ cho phép các nhà sản xuất có
thể xác định khoảng thời gian kết nối trở lại sau thời gian chờ trên các thiết bị của
họ.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

+ Cải thiện khả năng truyền dữ liệu: Các thiết bị điện tử khi sử dụng Bluetooth
4.1 khi giao tiếp thì chúng sẽ giao tiếp độc lập mà không phải phụ thuộc vào trung
tâm điều khiển.

- Bluetooth 4.2: Được công bố vào ngày 02/12/ 2014, cải thiện tốc độ truyền tải
lên đến 2.5 lần so với v4.1, tăng mức độ bảo mật và tiết kiệm năng lượng hơn với
gói dữ liệu mở rộng. Đồng thời tính năng quan trọng nhất là hỗ trợ chia sẻ kết nối
mạng internet theo giao thức IPv6 (Internet Protocol version 6). Khơng những cải
thiện tốc độ mà Bluetooth 4.2 cịn tăng cả dung lượng lưu trữ của các gói dữ liệu
nhỏ trong lúc truyền tải (packet capacity), nhờ đó mà nó sẽ tiêu thụ năng lượng
pin ít hơn và ít bị lỗi trong khi kết nối. Bluetooth 4.2 có thể nâng cấp lên từ 4.0,

4.1 thông qua các bản cập nhật firmware từ nhà sản xuất thiết bị. Tuy nhiên nếu
phần cứng (chip) khơng hỗ trợ Bluetooth 4.2 thì bạn sẽ không được hưởng tốc độ
truyền dữ liệu cao của v4.2.

- Bluetooth 5.0: Đây là phiên bản mới nhất được SIG công bố vào ngày
16/06/2016 với nhiều cải biến vượt bật như tầm phủ sóng rộng gấp 4 lần, tốc độ
truyền dữ liệu nhanh gấp đôi và tiết kiệm hơn gấp 2.5 lần so với v4.0.

2.2.3
-

Ứng dụng
Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe khơng
dây.

-

Mạng khơng dây giữa các máy tính cá nhân trong một khơng gian hẹp địi hỏi ít
băng thơng.

-

Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột,
bàn phím và máy in.

-

Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết
bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông.

-

Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại.

-

Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các panel quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth
khác.

-

Điều khiển từ xa cho các thiết bị trị chơi điện tử.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay modem.
2.2.4

Ưu và nhược điểm của cơng nghệ Bluetooth

➢ Ưu điểm:
• Thay thế hồn tồn dây nối.
• Hồn tồn khơng nguy hại đến sức khoẻ con người.

• Bảo mật an tồn với cơng nghệ mã hóa trong. Một khi kết nối được thiết lập thì
khó có một thiết bị nào có thể nghe trộm hoặc lấy cắp dữ liệu.
• Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vịng 20m mà khơng cần trực diện (hiện
nay có loại Bluetooth kết nối lên đến 100m)
• Kết nối điện thoại và tai nghe Bluetooth khiến cho việc nghe máy khi lái xe hoặc
bận việc dễ dàng.
• Giá thành rẻ.
• Tốn ít năng lượng, chờ tốn 0.3mAh, tối đa 30mAh trong chế độ truyền dữ liệu.
• Khơng gây nhiễu các thiết bị khơng dây khác.
• Tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm hỗ
trợ.
➢ Nhược điểm:
• Tốc độ thấp, khoảng 720kbps tối đa.
• Bắt sóng kém khi có vật cản.
• Thời gian thiết lập lâu.

2.3 TỔNG QUAN VỀ FPGA
2.3.1

Lịch sử phát triển của FPGA
FPGA được thiết kế đầu tiên bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào

năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tích hợp số lượng tương đối lớn các phần tử
bán dẫn vào một vi mạch. So với kiến trúc trước đó là CPLD, FPGA có khả năng chứa tới
từ 100.000 đến hàng vài tỷ cổng logic, trong khi CPLD chỉ chứa từ 10.000 đến 100.000
cổng logic, con số này đối với PAL, PLA còn thấp hơn nữa chỉ đạt vài nghìn đến 10.000.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CPLD được cấu trúc từ số lượng nhất định các khối SPLD (Simple programable
logic device) thuật ngữ chung chỉ PAL, PLA. SPLD thường là một mảng logic AND/OR
lập trình được có kích thước xác định và chứa một số lượng hạn chế các phần tử nhớ đồng
bộ (clocked register). Cấu trúc này hạn chế khả năng thực hiện những hàm phức tạp và
thông thường hiệu suất làm việc của vi mạch phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của vi mạch
hơn là vào yêu cầu bài toán.
Kiến trúc của FPGA là kiến trúc mảng các khối logic, mỗi khối này nhỏ hơn nhiều
nếu đem so sánh với một khối SPLD, ưu điểm này giúp FPGA có thể chứa nhiều hơn các
phần tử logic và phát huy tối đa khả năng lập trình của các phần tử logic và hệ thống mạch
kết nối, để đạt được mục đích này thì kiến trúc của FPGA phức tạp hơn nhiều so với CPLD.
Một điểm khác biệt nữa với CPLD là trong những FPGA hiện đại được tích hợp
nhiều bộ logic số học đã được tối ưu hóa, hỗ trợ RAM, ROM, tốc độ cao, hay các bộ nhân,
cộng dùng cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số.
Ngồi khả năng cấu trúc lại vi mạch ở mức toàn cục, một số FPGA hiện đại còn
hỗ trợ cấu trúc lại ở mức cục bộ, tức là khả năng cấu trúc lại một bộ phận riêng lẻ trong khi
vẫn đảm bảo hoạt động bình thường cho các bộ phận khác.

2.3.2

Khái niệm FPGA
FPGA (Field Programable Gate Arrays - Ma trận cổng lập trình được theo hàng)

là một thiết bị bán dẫn bao gồm các khối logic lập trình được gọi là "Logic Block", và các
kết nối khả trình. Các khối logic có thể được lập trình để thực hiện các chức năng của các

khối logic cơ bản như AND, XOR, hoặc các chức năng kết hợp phức tạp hơn như decoder
hoặc các phép tính tốn học. Trong hầu hết các kiến trúc FPGA, các khối logic cũng bao
gồm cả các phần tử nhớ. Đó có thể là các Flip-Flop hoặc những bộ nhớ hoàn chỉnh hơn.
Kiến trúc tổng quan về FPGA được mơ tả như hình 2.1:

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Configurable
Logic Blocks

I/O
Blocks

Programmable
Interconnects

Hình 2. 1. Kiến trúc tổng quan của FPGA.

Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận:
a. Các khối logic cơ bản lập trình được (Logic Block)
Phần tử chính của FPGA là các khối logic (Logic Block). Khối logic được cấu thành
từ LUT và một phần tử nhớ đồng bộ flip-flop. LUT (Look up table) là khối logic có thể
thực hiện bất kì hàm logic nào từ 4 đầu vào, kết quả của hàm này tùy vào mục đích mà

gửi ra ngồi khối logic trực tiếp hay thông qua phần tử nhớ flip-flop.
Khối logic được mơ tả như hình 2.2:
Y
4
G[4:1]

A[4:1]

D

YQ
FFY

G-LUT

X
4
F[4:1]

A[4:1]

D

XQ
FFX

F-LUT

Hình 2. 2. Khối logic lập trình được của FPGA.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng khái niệm
SLICE, 1 Slice gồm 4 khối logic tạo thành, số lượng các Slice thay đổi từ vài nghìn đến
vài chục nghìn tùy theo loại FPGA.
b. Hệ thống mạch liên kết lập trình được
Mạng liên kết trong FPGA được cấu thành từ các đường kết nối theo hai phương
ngang và đứng, tùy theo từng loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các
nhóm khác nhau, ví dụ trong XC4000 của Xilinx có 3 loại kết nối: ngắn, dài và rất dài.
Các đường kết nối được nối với nhau thông qua các khối chuyển mạch lập trình được
(programable switch), trong một khối chuyển mạch chứa một số lượng nút chuyển lập
trình được, đảm bảo cho các dạng liên kết phức tạp khác nhau.
c. Khối vào/ra (IO Pads)
Khối vào/ra nhiều hay ít là tuỳ thuộc vào từng loại FPGA. Chúng có thể được kết
nối với các thiết bị bên ngoài như LED, USB, RS232, RAM... tuỳ theo mục đích sử
dụng.
d. Các phần tử tích hợp sẵn
Ngồi các khối logic, tùy theo các loại FPGA khác nhau mà có các phần tử tích hợp
thêm khác nhau, ví dụ để thiết kế những ứng dụng SoC, trong dịng Virtex 4, 5 của
Xilinx có chứa nhân xử lý PowerPC, hay cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số trong
FPGA được tích hợp các DSP Slice là bộ nhân, cộng tốc độ cao, thực hiện hàm A*B+C,
ví dụ dịng Virtex của Xilinx chứa từ vài chục đến hàng trăm DSP slice với A, B, C 18bit.

2.3.3

Ứng dụng của FPGA
Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số, các hệ thống hàng khơng, vũ

trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC(ASIC prototyping), các hệ thống điều khiển trực
quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mơ hình phần cứng máy
tính...
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp
những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính, ngồi ra nhờ
mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài tốn địi hỏi khối lượng tính
tốn lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực.

2.3.4

Ý nghĩa của FPGA
ASIC lập trình được đã xuất hiện từ lâu dưới dạng PLD (Programmable Logic

Device), nhưng vai trò của các dạng ASIC này là khơng nhiều vì số lượng cổng trên Chip
rất ít dẫn tới chức năng của các PLD này cũng nghèo nàn và thường chỉ sử dụng với những
nhiệm vụ rất hạn chế trong toàn hệ thống.
Kể từ năm 1980, Các công ty sản xuất PLD hàng đầu đã đẩy mạnh quá trình

nghiên cứu về FPGA và nhanh chóng cho ra các thế hệ FPGA với số lượng cổng và tốc độ
ngày càng cao. Các FPGA hiện nay có số lượng cổng đủ lớn để có thể thay thế cả một hệ
thống bao gồm lõi CPU, Bộ điều khiển bộ nhớ (Memory Controller), các ngoại vi như SPI,
Timer, I2C, GPIO, PWM, Video/Audio Controller… (nghĩa là tương đương với các SoC
hiện đại). Tuy nhiên, FPGA không thể nào so sánh được với ASIC và SoC cả về kinh tế
lẫn tốc độ hoạt động. Nhưng bù lại, với khả năng tái cấu hình mạnh, FPGA đóng một vai
trị vơ cùng to lớn trong việc giảm giá thành và thời gian chế tạo ASIC bằng cách sử dụng
FPGA trong quá trình thiết kế luận lý trước khi đưa ra sản xuất các ASIC mẫu. Quy trình
sản xuất Chip ASIC bằng cách này gọi là fabless rất phổ biến hiện nay trên thế giới, giúp
các công ty nhỏ và vừa và đặc biệt là các nước yếu về công nghệ như Việt nam tham gia
vào thế giới sản xuất IC. Để giải thích cho sự quan trọng rất lớn của FPGA, sẽ có một ví
dụ cụ thể sau:
Trước đây, khi muốn chế tạo ra một con chip “Vi xử lý”, người ta phải thiết kế
chip ở mức logic sử dụng các ngôn ngữ mô tả phần cứng, để kiểm tra công đoạn này cần
phải sử dụng những phần mềm mô phỏng. Sau đó thiết kế phải được tổng hợp dựa trên các
thư viện cấp thấp của hãng sản xuất con Chip sau này, sau đó là q trình kiểm tra timing
(định thời) cho toàn bộ thiết kế để đảm bảo thiết kế đó sẽ hoạt động ở tần số yêu cầu. Tất

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

do an

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

cả các công đoạn này đều chỉ có thể kiểm tra bằng các phần mềm mô phỏng (điều này dẫn
tới nguy cơ xảy ra sai sót rất lớn khi chuyển thiết kế sang mơi trường Chip thực).
Quy trình tiếp theo là gởi thiết kế của mình tới cơng ty sản xuất Chip và phó mặc

cho số phận, một chip mẫu giá vài triệu USD sẽ được chuyển trả về, sau đó là bắt đầu q
trình test chip trong môi trường thực, nếu thất bại, khả năng lớn là chúng ta sẽ phải thực
hiện lại hoàn tồn qui trình thiết kế như đã nói ở trên, và cứ mỗi lần như vậy, phải thanh
toán vài triệu USD cộng với khoảng thời gian nghiên cứu rất lớn. Quy trình này làm cho
các đất nước nghèo như Việt Nam không thể tham gia vào các cuộc chơi của các đất nước
giàu có trong thế giới của ASIC.
Nhưng với FPGA, chúng ta khơng những có thể rút ngắn thời gian thực hiện
ASIC mà cịn giảm chi phí nghiên cứu tối đa do q trình kiểm tra thiết kế khơng những
được kiểm tra bằng các phần mềm mô phỏng mà giờ đây cịn có thể chạy trên các Chip
thực trong mội trường có thể nói là gần với mơi trường ASIC thực nhất. Khả năng tái cấu
hình cho phép sửa bản thiết kế cho đến khi đạt yêu cầu mà khơng phải trả khoản chi phí
nào ngồi tiền điện tiêu thụ.
➢

Kết luận khi so sánh FPGA với ASIC:
- FPGA có tính mềm dẻo hơn vì có khả năng tái cấu hình.
- FPGA hiệu quả hơn về kinh tế nếu sản xuất với số lượng vừa và nhỏ.
-

2.3.5

ASIC có mật độ ứng dụng nhiều hơn.

So sánh FPGA với một số mạch lập trình được

a. FPGA với CPLD

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2. 1. So sánh FPGA với CPLD.
FPGA

CPLD

Khối logic

Logic cell nằm ngoài, chia
chung nguồn tài nguyên

Logic cell nằm giữa các
nguồn tài nguyên

Kết nối

Phức tạp

Đơn giản hơn

Cơng nghệ lập trình

SRAM

EPROM, EEPROM

Cấu trúc logic

LUT

Mảng AND-OR, PAL-like

Ứng dụng

Vừa và lớn

Nhỏ

Một kiến trúc khác tương tự nhưng đơn giản hơn FPGA, là CPLD (Complex
Programable Logic Device ). Thực chất đây là tiền thân của FPGA. FPGA và CPLD đều
bao gồm một số lượng khá lớn các phần tử logic khả trình. Mật độ cổng logic (Logic
Gate) của CPLD nhỏ hơn rất nhiều lần so với FPGA.
Khác biệt cơ bản giữa FPGA và CPLD là ở kiến trúc của chúng. CPLD có một kiến
trúc bị giới hạn trong một hoặc một vài dãy logic khả trình cùng với một lượng nhỏ thanh
ghi định thời. Do đó nó kém linh hoạt hơn, nhưng lại có ưu điểm là khả năng dự đoán trễ
lớn hơn và tỉ lệ logic-kết nối cao hơn.
b. FPGA với SoC
SoC đề cập đến tất cả các thành phần tích hợp của một máy tính hoặc các hệ thống
điện tử tích hợp thành một vi mạch (chip). SoC có thể là một hệ thống mạch số, mạch
analog, mạch mixed-tín hiệu, hoặc hệ thống mạch chức năng về radio-frequency được
tích hợp tất cả trên một chip. Một ứng dụng điển hình của SoC là trong lĩnh vực hệ thống
nhúng.
Khả năng của SoC vượt trội hơn FPGA cả về hai khía cạnh kinh tế lẫn tốc độ, bởi
mật độ tích hợp rất cao của SoC đến hàng triệu cổng. Trên thực tế, SoC là kết quả sau khi
kết hợp các FPGA chuyên biệt lại với nhau để tạo nên một hệ thống hồn chỉnh. FPGA

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

do an

14