Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA

Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
1
1
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
THIÊT KẾ VI MẠCH VLSI ASIC
THIÊT KẾ VI MẠCH VLSI ASIC


Áp dụng cho ngành Kỹ thuật Máy tính
Áp dụng cho ngành Kỹ thuật Máy tính
Biên soạn:
Biên soạn:
Nguyên Văn Huy
Nguyên Văn Huy
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
2
2
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Chương 1 TỔNG QUAN
Chương 1 TỔNG QUAN
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.2. Lý do để VLSI được chọn và phát triển
1.2. Lý do để VLSI được chọn và phát triển
1.3. ASIC là gì?

1.3. ASIC là gì?
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?
1.5. Nguyên lý lập trình cho vi mạch
1.5. Nguyên lý lập trình cho vi mạch
1.6. So sánh với lập trình phần mềm
1.6. So sánh với lập trình phần mềm
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
3
3
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
SSI (Small Scale Integration – Mạch tích hợp cỡ
SSI (Small Scale Integration – Mạch tích hợp cỡ
nhỏ) 1970
nhỏ) 1970

Trên mạch chỉ có thể chứa được từ 1 đến 10 công
Trên mạch chỉ có thể chứa được từ 1 đến 10 công
logic (NAND, NOR, .v.v.)
logic (NAND, NOR, .v.v.)

Chủ yếu áp dụng cho các bài toán nhỏ nhứ thiết kế
Chủ yếu áp dụng cho các bài toán nhỏ nhứ thiết kế
các máy tính điện tử cầm tay.
các máy tính điện tử cầm tay.

Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
4
4
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
VD Máy tính cầm tay
Hình 1.1 – Kích thước chip lớn nhưng chức năng nhỏ
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
5
5
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
MSI (Medium Scale Integration – Mạch tích hợp
MSI (Medium Scale Integration – Mạch tích hợp
cỡ trung bình).
cỡ trung bình).

Ngoài việc tích hợp các cổng logic, các mạch còn
Ngoài việc tích hợp các cổng logic, các mạch còn
được mở rộng tích hợp thêm các bộ đếm và các
được mở rộng tích hợp thêm các bộ đếm và các
chức năng logic tương đương .

chức năng logic tương đương .
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
6
6
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
LSI (Large Scale Integration – Mạch tích hợp cỡ
LSI (Large Scale Integration – Mạch tích hợp cỡ
lớn)
lớn)

Được tích hợp với nhiều chức năng logic hơn, thậm
Được tích hợp với nhiều chức năng logic hơn, thậm
chí có cả bộ vi xử lý hoàn chỉnh trong một chip.
chí có cả bộ vi xử lý hoàn chỉnh trong một chip.
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
7
7
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
Ví dụ chip điều khiển màn hình LCD
Hình 1.2 – Kích thức IC giảm những chức năng lớn

Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
8
8
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
VLSI(verry large scale integation)
VLSI(verry large scale integation)

Mọi thứ đều có trong một chíp.
Mọi thứ đều có trong một chíp.

Đã có các bộ xử lý 64 bít, các bộ số học dấu phẩy
Đã có các bộ xử lý 64 bít, các bộ số học dấu phẩy
động.
động.

Trên một triệu transistor chỉ trên một miếng Silic
Trên một triệu transistor chỉ trên một miếng Silic
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
9
9
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI

1.1. Tìm hiểu về VLSI
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
10
10
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.1. Tìm hiểu về VLSI
1.1. Tìm hiểu về VLSI
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
11
11
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.2. Lý do để VLSI được chọn
1.2. Lý do để VLSI được chọn
và phát triển
và phát triển
Trước đây, khi muốn thiết kế một hệ thống
Trước đây, khi muốn thiết kế một hệ thống
mạch, chúng ta phải thiết kế từ những IC chuẩn
mạch, chúng ta phải thiết kế từ những IC chuẩn
thiết kế sẵn sử dụng công nghệ TTL (Transistor
thiết kế sẵn sử dụng công nghệ TTL (Transistor
– Transistor Logic).
– Transistor Logic).
Thái nguyên 08/2008

Slide
Slide
12
12
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Hình 1.3 – Một ví dụ về 1 mạch được thiết kế trên các IC chuẩn TTL
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
13
13
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.2. Lý do để VLSI được chọn
1.2. Lý do để VLSI được chọn
và phát triển
và phát triển
Khi công nghệ CMOS ra đời, hàng triệu
Khi công nghệ CMOS ra đời, hàng triệu
transistor có thể chứa trong một miếng silic nhỏ
transistor có thể chứa trong một miếng silic nhỏ
Các kỹ sư bắt đầu nhận ra lợi ích của việc thiết
Các kỹ sư bắt đầu nhận ra lợi ích của việc thiết
kế một IC đáp ứng yêu cầu cụ thể cho một hệ
kế một IC đáp ứng yêu cầu cụ thể cho một hệ
thống thay vì phải thiết kế chúng từ các IC
thống thay vì phải thiết kế chúng từ các IC
chuẩn riêng biệt.
chuẩn riêng biệt.

Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
14
14
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.2. Lý do để VLSI được chọn
1.2. Lý do để VLSI được chọn
và phát triển
và phát triển
Các kỹ sư sẽ phân tích và thiết ra một IC duy
Các kỹ sư sẽ phân tích và thiết ra một IC duy
nhất để giải bài toán đó, không cần sự chắp nối
nhất để giải bài toán đó, không cần sự chắp nối
của nhiều IC khác nhau, giảm khả năng lỗi, giảm
của nhiều IC khác nhau, giảm khả năng lỗi, giảm
thời gian chờ giữa các IC, giá thành hạ.
thời gian chờ giữa các IC, giá thành hạ.
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
15
15
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.3. ASIC là gì?
1.3. ASIC là gì?
ASIC viết tắt của: Application-Specific Integrated
ASIC viết tắt của: Application-Specific Integrated

Circuit
Circuit
Là một IC được thiết cho một mục đích hoặc
Là một IC được thiết cho một mục đích hoặc
một hệ thống cụ thể (Full custom IC )
một hệ thống cụ thể (Full custom IC )
Thực chất là một dải các transistor MOS chưa
Thực chất là một dải các transistor MOS chưa
được kết nối.
được kết nối.
Việc kết nối để tạo thành mạch cụ thể phục
Việc kết nối để tạo thành mạch cụ thể phục
thuộc vào người sử dụng
thuộc vào người sử dụng
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
16
16
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?
FPGA là tập hợp các cell logic lập trình được nối
FPGA là tập hợp các cell logic lập trình được nối
với nhau bằng ma trận chuyển mạch lập trình
với nhau bằng ma trận chuyển mạch lập trình
được.
được.
Để trở thành một mạch cụ thể, ma trận chuyển

Để trở thành một mạch cụ thể, ma trận chuyển
mạch sẽ được lập trình để định tuyến các tín
mạch sẽ được lập trình để định tuyến các tín
hiệu giữa các khối logic
hiệu giữa các khối logic
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
17
17
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?
Cấu trúc của FPGA
Cấu trúc của FPGA

Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)
Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)

Hệ thống mạch liên kết lập trình được
Hệ thống mạch liên kết lập trình được

Khối vào/ra (IO Pads)
Khối vào/ra (IO Pads)

Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM,
Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM,
ROM, nhân vi xử lý
ROM, nhân vi xử lý

Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
18
18
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
19
19
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
20
20
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
21
21
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?

So sánh FPGA với ASIC
So sánh FPGA với ASIC

Xét cùng một ứng dụng thì thiết kế trên ASIC đạt
Xét cùng một ứng dụng thì thiết kế trên ASIC đạt
được mức độ tối ưu hơn thiết kế trên FPGA
được mức độ tối ưu hơn thiết kế trên FPGA

FPGA hạn chế trong các tác vụ đặc biệt
FPGA hạn chế trong các tác vụ đặc biệt

FPGA có khả năng tái lập trình đơn giản, thiết kế ứng
FPGA có khả năng tái lập trình đơn giản, thiết kế ứng
dụng dễ dàng nên chi phí và thời gian sản xuất giảm.
dụng dễ dàng nên chi phí và thời gian sản xuất giảm.
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
22
22
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?
Các chip FPGA và ASIC cùng với các gói phần
Các chip FPGA và ASIC cùng với các gói phần
mềm thiết kế mạch thường được các công ty
mềm thiết kế mạch thường được các công ty
thiết kế sẵn cho người sủ dụng như Xilinx,
thiết kế sẵn cho người sủ dụng như Xilinx,

Altera.
Altera.
Các gói phần mềm này tích hợp đầy đủ quy trình
Các gói phần mềm này tích hợp đầy đủ quy trình
từ “bắt đầu” đến ra “sản phẩm”, mợi thao tác
từ “bắt đầu” đến ra “sản phẩm”, mợi thao tác
hoàn toàn trong suốt với người sử dụng
hoàn toàn trong suốt với người sử dụng
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
23
23
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Ý tưởng
Thiết kế
Mô phỏng
Chạy thử
Lập trình
lên mạch
Phần mềm thiết kế ASIC/FPGA
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
24
24
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?

1.4. FPGA là gì?
Ứng dụng:
Ứng dụng:

Xử lý tín hiệu số, hàng không, vũ trụ, quốc phòng,
Xử lý tín hiệu số, hàng không, vũ trụ, quốc phòng,
tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), nhận dạng
tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), nhận dạng
ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình phần
ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình phần
cứng máy tính
cứng máy tính
Thái nguyên 08/2008
Slide
Slide
25
25
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
Thiết kế vi mạch VLSI - ASIC - FPGA
1.4. FPGA là gì?
1.4. FPGA là gì?
Ứng dụng:
Ứng dụng:

Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho
Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho
phép FPGA giải quyết lớp những bài toán phức tạp
phép FPGA giải quyết lớp những bài toán phức tạp
mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính
mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính


Ngoài ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng
Ngoài ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng
dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán
dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán
lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời
lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời
gian thực.
gian thực.