Phương pháp thiết kế mạch logic

1



  !"#$%&'
()*'+, /012 34/4/55678587
90:  (/'+1(
%&;<-=0>?+, <7-@A7A
2
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP
THIẾT KẾ SỐ
!"#$%&'
'+1(7
3
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
IJKLB
4!7DCBCDCM
4!@NO
4!5MPQCJRJ
4!4MSTBJRJ
4!6DUOMDVMW
4!XDUOMDL
4!YCBCDCC/JZ
4!3CBCDC([I
4!8CBCDC([I
4
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!

4!7DCBCDCM
5
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!7N\J
6
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!7N\J
:']''+,*^9_G'1+`12GE?a là mô hình mô tả hoạt
động, chức năng của hệ thống dưới dạng mối quan hệ giữa đầu
vào, đầu ra, và định thời mà không quan tâm đến cấu trúc bên
trong của hệ thống.
b]'*'c&>d"H$ được biểu diễn bởi mô tả chức năng, hoạt động của hệ
thống bằng ngôn ngữ tự nhiên, giản đồ thời gian (sơ đồ định thời), phương trình
logic, bảng trạng thái, lưu đồ giải thuật, đồ hình trạng thái.
+ Đây là mô hình có mức độ trừu tượng cao nhất, và thường rất thích hợp cho
các mục đích mô phỏng, gỡ rối nhanh cho hệ thống.
7
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!7N\J
:']'&e"*`f&_*`"&*"`12GE?a là mô hình mô tả cấu trúc
bên trong của hệ thống gồm các thành phần con và các kết nối
giữa chúng. Mô hình này giống như sơ đồ khối hay mạch nguyên
lý của hệ thống.
b]'*'c&>d"H$ được mô tả theo mô hình cấu trúc có thể gồm các cấu

trúc cổng logic cơ bản, các Flip-Flop…
+ Kiểu mô tả này cũng độc lập với công nghệ thực hiện mạch, tuy nhiên để tăng
tính tối ưu cho mạch, mô hình cấu trúc logic thường này thường sử dụng các
cấu trúc logic đã được xây dựng sẵn, hoặc chọn trong thư viện của nhà cung cấp
phù hợp với loại công nghệ sử dụng.
8
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!7N\J
:']'g*2h_C'#?&12GE?a là mô hình mô tả đặc tính vật lý
của hệ thống và thêm vào các thông tin chi tiết cho mô hình cấu
trúc như xác định kích thước hay vị trí vật lý của các linh kiện trên
bo mạch hay trên phiến bán dẫn, cũng như các đường dẫn vật lý
của mối đường kết nối.
b]'*'c&>d"H$ biểu diễn mạch in PCB của bo mạch hệ thống, layout
của của IC…
+ Hệ thống số được mô tả ở mức độ chi tiết nhất, tới cấu trúc vật lý bán dẫn,
cũng như cấu trúc bên trong những tài nguyên đã sẵn có trong cấu kiện, cách
này tối ưu cho việc tổng hợp trên loại cấu kiện, công nghệ đã sử dụng.
9
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!@Di(IOjQO

10
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!

4!@Di(IOjQO
:*0c&0,&'^)_`&"*GG2+``1??*+`GG2a Đây là mức mô tả
có mức độ trừu tượng thấp nhất. Hệ thống được mô tả theo mô hình cấu trúc sử
dụng các cấu trúc cơ bản như Transistor, Điện trở, Tụ điện, … hay theo mô hình
hoạt động sử dụng hệ phương trình vi phân.
+ Ở mức mô tả này hệ thống số được tính toán như một hệ thống tương tự, mà
trong đó tín hiệu tín toán theo mức điện áp biến đổi theo gian và có giá trị trong
khoảng liên lục. Hệ thống cũng có thể đươc mô tả theo mô hình vật lý sử dụng
cấu trúc bán dẫn của các cấu kiện và kết nối giữa chúng.
11
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!@Di(IOjQO
:*0c&2+&_+&GG`+`1*GGG2a Hệ thống được mô tả sử dụng
các cấu trúc cổng logic sơ bản như AND, OR, XOR, MUX, phần tử nhớ cơ bản
như Flip-Flops… Tín hiệu được biểu diễn theo các mức logic ‘0’, ‘1’ và hoạt động
vào- ra được tính toán theo hàm boolean.
+ Ở mức mô tả này số lượng cổng NAND 2 đầu tương đương trong mạch được
sử dụng để đánh giá mức độ phức tạp của hệ thống.
12
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!@Di(IOjQO
:*0c&O_OG?*G``1?kG`GG2lc&*`"#m^,**'1''a Hệ
thống được mô tả sử dụng các mô-đun chức cơ bản như: các bộ cộng, bộ so
sánh, khối nhớ, thanh ghi, Mux, Demux… , hoạt động của hệ thống số được xác
định bởi cách dữ liệu xử lý và chuyển đổi giữa các thanh ghi lưu trữ.
+ Mô tả theo mô hình hoạt động ở mức này sử dụng những mô tả chung để xác

định các phép toán chức năng và định tuyến dữ liệu, và sử dụng máy trạng thái
FSM để mô tả hoạt động của hệ thống. Đặc điểm quan trọng của mô tả mức RTL
là sử dụng tín hiệu clock chung cho các cấu trúc nhớ. Mô hình vật lý cho mức mô
tả RTL được gọi chung là floorplan. Nó rất hữu ích cho chung ta tìm ra những
đường thấp nhất giữa các phần tử nhờ và xác định chu kỳ clock.
13
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!@Di(IOjQO
:*0c&')*'n_#?*G0GG2+`C`+&G??+`GG2a là mô tả có mức
trừu tượng cao nhất. Các khối cơ bản được sử dụng để xây dựng hệ thống là
các khối IP (Intellectual Properties) như các bộ xử lý, bộ nhớ, giao tiếp bus,… Mô
tả theo mô hình hoạt động ở mức này giống như chương trình lập trình theo giải
thuật như các ngôn ngữ lập trình bao bồm các bước tính toán và truyền thông.
14
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
15
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
oHp :**'G+0:']'&e"*`f&
Mô hình cấu trúc mức hệ thống điển hình của hệ thống
số. Trong đó hệ thống số được xây dựng từ các khối chính
như Vi xử lý, Bộ nhớ, giao tiếp bộ nhớ,…
16
B4/CBCDC
 

EEE!F**!GH"!
b'nqr2h*`"*s0_Ca :
Khối này gồm 2 thành phần:
/'n(tuHv2)"_J1*1F1*'a
Thực hiện các phép xử lý số liệu
của hệ thống số, chúng thường
gồm các khối thanh ghi, bộ đếm,
ghép kênh, ALU – khối tính toán số
học và logic
/'n^m";'d_+*`+2*a
Chức năng điều khiển chính cho
khối Datapath để thực hiện các
bước xử lý số liệu như mong muốn.
L_?*`"&*+?G*
L`&'*G&*"`Glw*`f&
*gF2)'a: Tập lệnh để lập
trình hoạt động cho CPU.
Thường chỉ có trong các
hệ thống phức tạp, đa
dụng như các bộ vi xử lý
oHp :**'G+0:']''+,*
^90c&O
17
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
oHp :**'G+0:']'&e"*`f&0c&O
18
B4/CBCDC
 

EEE!F**!GH"!
:**'G+0:']'&e"*`f&2x0:*&y&F'z
*r&+>*`+')*'nx?{;w*n&|1
&y&F'z*r&+^}
:**'G+0:']'&e"*`f&_**a
Ví dụ: Viết VHDL mô tả theo mô hình cấu trúc một
thanh ghi 4 bit được xây dựng từ 4 triger D
19
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4.1.2 Phương pháp mô tả theo mô hình hoạt động
(Behavioral)
:']''+,*^9 là mức độ mô tả trừu tượng nhất, cụ
thể là mô tả theo chức năng của hệ thống
(~&^d0 của phương pháp này là nhập thiết kế nhanh,
nhưng cấu trúc của phần cứng thường không rõ
Ví dụ: mô tả chức năng hệ
thống là: Nếu mỗi khi có một
sensor nào đó được kích hoạt,
thì hệ thống kiểm tra mã bàn
phím. Nếu sau 20 giây mà
không có mã bàn phím nhập
đúng nhập vào thì còi báo động
sẽ được bật lên.
20
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4.1.2 Phương pháp mô tả theo mô hình hoạt động

(Behavioral)
Ví dụ: mô tả chức năng hệ thống là: Nếu mỗi khi có
một sensor nào đó được kích hoạt, thì hệ thống kiểm
tra mã bàn phím. Nếu sau 20 giây mà không có mã
bàn phím nhập đúng nhập vào thì còi báo động sẽ
được bật lên.
G**# Security_1 ?
F+`* (Clk, Reset : std_logic •
Keypad  std_logic_vector (3
downto 0) ;
Front_Door, Rear_Door, Window
 boolean ;
Alarm_Siren +"*boolean a•
GHSecurity_1 ;
1`&'*G&*"`G Behavioral +k Security_1 ?
&+?*1* Delay_Period : time := 20 s;
>G
F`+&G?? (Keypad,Front_Door,Rear_Door,Window)
>G
if (Front_Door or Rear_Door or Window ) then
if (Keypad = “0011”) then
Alarm_siren <= false ;
else
Alarm_Siren <= True after Delay_Period ;
end if ;
GHk;
GHF`+&G?? ;
GH Behavioral;
21
B4/CBCDC

 
EEE!F**!GH"!
4.1.3 Phương pháp mô tả theo mô
hình luồng dữ liệu RTL
1!:*0,&'2+&*€'•F
22
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
>!:*0,&'*"z*{
w*`]''+,*^9*'G+&2+&;&}*'d^t•&0:*
*'x'*w*`]'^‚>9'+~&*w*`]';':^‚>9
23
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
4!@NO
O/Register Tranfer
Level là Hệ thống số
được mô tả theo mô hình
hoạt động ở mức truyền
đạt thanh ghi.
Mô hình Ođược xây
dựng từ các cấu trúc:
bộ nhớ, khối điều khiển,
đường dữ liệu, điều
khiển vào/ra…
Kiểu mô tả này thường được dùng trong việc kiểm tra, mô
phỏng hệ thống, cũng như cho việc tổng hợp với mức độ độc
lập với công nghệ cao.

24
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
b'nqr2h*`"*s0_Ca :
Khối này gồm 2 thành phần:
/'n(tuHv2)"
_J1*1F1*'a Thực hiện các phép
xử lý số liệu của hệ thống số,
chúng thường gồm các khối
thanh ghi, bộ đếm, ghép kênh,
ALU – khối tính toán số học và
logic
/'n^m";'d_+*`+2
*a Chức năng điều khiển
chính cho khối Datapath để thực
hiện các bước xử lý số liệu như
mong muốn.
L_?*`"&*+?G*
L`&'*G&*"`Glw*`f&
*gF2)'a: Tập lệnh để lập
trình hoạt động cho CPU.
Thường chỉ có trong các
hệ thống phức tạp, đa
dụng như các bộ vi xử lý
25
B4/CBCDC
 
EEE!F**!GH"!
Ví dụ - Mô hình cấu trúc mức RTL