Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA

“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

MỤC LỤC

PHẦN I. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 3
PHẦN II. NỘI DUNG .................................................................................... 5
CHƯƠNG I. CÔNG NGHỆ XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ DSP VÀ ỨNG DỤNG
....................................................................................................................... 5
1.1. Công nghệ DSP ................................................................................... 5
1.1.1. Sự ra đời ....................................................................................... 5
1.1.2. Khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP................................... 6
1.1.3. Kiến trúc DSP tổng quát ............................................................... 7
1.1.4. Ý nghĩa và vai trò của DSP ........................................................... 8
1.2. Ứng dụng của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP .................................. 11
1.2.1. Ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP trong nhạc số, video số,
ảnh số ................................................................................................... 11
1.2.2. Chuột quang Agilent technologies sử dụng công nghệ xử lí tín hiệu
số DSP.................................................................................................. 13
CHƯƠNG II. CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN
..................................................................................................................... 16
2.1. Công nghệ FPGA .............................................................................. 16
2.1.1. Lịch sử ra đời .............................................................................. 16
2.1.2. Khái niệm và các đặc điểm của công nghệ FPGA ....................... 17
2.1.4. Một số kiến trúc FPGA hiện nay................................................. 20
2.1.5. Phân loại FPGA .......................................................................... 32
2.1.6. Ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog và VHDL............................ 33
2.1.7 Quy trình thiết kế FPGA .............................................................. 34
2.1.8. Ý nghĩa và vai trò của FPGA ...................................................... 37
2.2. Ứng dụng của FPGA ......................................................................... 38
Vũ Thị Hồng Xiêm

1

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

2.2.1. Ứng dụng của FPGA trong bảo mật ............................................ 40
2.2.2. Ứng dụng nhúng của FPGA ........................................................ 41
2.3. Giới thiệu một số KIT FPGA............................................................. 44
2.3.1. Kit Stratix EP 1S25 (Altera) của hãng Parallax. .......................... 44
2.3.2. Kit UP2 của Altera...................................................................... 44
2.3.3. Kit Digilab 2E của Digilent ........................................................ 46
2.3.4. Virtex-4 ML401 Development Board ......................................... 46
PHẦN III. KẾT LUẬN ................................................................................ 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 49

Vũ Thị Hồng Xiêm

2

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

PHẦN I. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Lịch sử nhân loại đã trải qua nhiều cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật.
Tinh thần tìm tòi sáng tạo giúp con người ngày càng có nhiều phát minh, sáng

kiến tìm ra những công cụ mới, con đường mới để chinh phục tự nhiên, mang
lại hạnh phúc cho nhân loại.
Trong những năm ngần đây, công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh
mẽ. Sự ra đời của các vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm cực nhanh,
khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong
ngành kĩ thuật điện tử. Nền công nghiệp thế giới đã đạt được những thành tựu
to lớn nhờ ứng dụng tiến bộ của khoa học - kĩ thuật và công nghệ. Máy móc
đã thay thế con người trong nhiều công việc khó khăn và đang dần thay thế
trong hoạt động lao động sản xuất.
Lập trình vi điều khiển là phần việc không thể thiếu khi chế tạo những
máy móc tự động. Trong một cỗ máy, nếu phần cơ khí tạo nên hình dáng và
một cơ cấu hoạt động linh hoạt thì phần lập trình và mạch điện tử như một bộ
não điều khiển những hoạt động đó. Trong ngành công nghiệp điện tử hiện
nay, công nghệ xử lí tín hiệu số DSP là công nghệ bùng nổ nhanh chóng và
rất phát triển. Cao hơn nữa là công nghệ FPGA đã và đang được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực đời sống và xã hội. Là một sinh viên ngành kĩ thuật việc
tìm hiểu về công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA nói riêng, kĩ
thuật điện tử nói chung có nhiều hữu ích vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài:
“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”.
2. Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu về công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và FPGA.

Vũ Thị Hồng Xiêm

3

Lớp K32D - SPKT - Vật lý

“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về công nghệ xử lí tín hiệu số DSP.
- Một số ứng dụng của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP.
- Tìm hiểu tổng quan về công nghệ FPGA.
- Một số ứng dụng trong thực tế.
4. Đối tượng nghiên cứu
Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và FPGA.
5. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về lí thuyết và một số ứng dụng trong thực tế.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Hiểu được sự ra đời, kiến trúc và những ứng dụng của công nghệ xử lí
tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA trong thực tiễn.
7. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết.
8. Cấu trúc luận văn
Chương I: Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP
Chương này chúng tôi đã tìm hiểu về sự ra đời, kiến trúc, ứng dụng
cũng như ý nghĩa và vai trò của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP.
Chương II: Công nghệ FPGA
Chương này chúng tôi đã tìm hiểu về sự ra đời, kiến trúc, quy trình thiết
kế và ứng dụng của công nghệ FPGA trong thưc tiễn.

Vũ Thị Hồng Xiêm

4

Lớp K32D - SPKT - Vật lý

“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

PHẦN II. NỘI DUNG
CHƯƠNG I. CÔNG NGHỆ XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ DSP
VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Công nghệ DSP
1.1.1. Sự ra đời

Vào những năm đầu thập kỷ 80, công nghệ xử lí tín hiệu cũng như các
máy tính cá nhân đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày (lí do
một phần là công nghệ này gắn liền với máy tính). Trong ngành công nghệ
điện tử hiện nay, công nghệ xử lí tín hiệu số DSP là công nghệ bùng nổ nhanh
chóng và rất phát triển.
DSP rất hữu hiệu trong các cấu hình và ứng dụng rất đa dạng như:
Trong lĩnh vực điện tử y học, sinh học, trong điều chỉnh động cơ diesel, xử lí
thoại, các cuộc gọi điện thoại khoảng cách xa, xử lí, ghi nhạc và tăng cường
chất lượng hình ảnh, truyền hình.
Ví dụ: Công nghệ xử lí tín hiệu số - DSP trong truyền hình.

Công nghệ xử lí tín hiệu số-DSP trong truyền hình

Vũ Thị Hồng Xiêm

5

Lớp K32D - SPKT - Vật lý

“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

1.1.2. Khái niệm công nghệ xử lí tín hiệu số DSP

Trước khi đi tìm hiểu khái niệm của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP,
chúng ta cùng xem xét thuật ngữ “xử lí tín hiệu số” là gì?
Xử lí tín hiệu số là một lĩnh vực mà chúng ta sử dụng máy tính (theo
nghĩa rộng) để xử lí tín hiệu, tức nâng cao chất lượng của tín hiệu nhằm đạt
mục đích nhất định.
Xử lí tín hiệu số ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành
khoa học và kĩ thuật, là động lực thúc đẩy sự tiến bộ của nhiều ngành kĩ thuật
cao như viễn thông, đa phương tiện, chụp ảnh y khoa...
Ví dụ: Về quá trình phát triển của máy ảnh số để minh họa cuộc cách
mạng kĩ thuật số và những tác động của xử lí tín hiệu số. Trước đây, máy ảnh
truyền thống dùng phim âm bản dựa trên các tính chất vật lí của thấu kính
quang học để thu nhận hình ảnh, nên chất lượng hình ảnh càng cao, đòi hỏi hệ
thống càng cồng kềnh. Khi mới ra đời (lúc này xử lí tín hiệu số chưa phát
triển), máy ảnh số cho chất lượng hình ảnh thấp hơn máy ảnh dùng phim âm
bản. Nhưng càng về sau, cùng sự phát triển của các bộ vi xử lí, các giải thuật
xử lí tín hiệu số càng tinh vi, đã khắc phục được các giới hạn khoa học và cải
thiện được chất lượng hình ảnh cuối cùng cho máy ảnh số. Nhờ vậy, chất
lượng máy ảnh số thương mại ngày nay đã vượt qua các máy ảnh dùng phim
âm bản cùng loại. Máy ảnh số gắn liền điện thoại di động còn đòi hỏi kĩ thuật
tinh vi hơn, vì các máy ảnh này dùng các ống kính nhỏ nên muốn có được
hình ảnh chất lượng tốt cần phải dựa vào các vi mạch và các chip xử lí tín
hiệu số mà hiện nay đa phần sử dụng các chip xử lí tín hiệu số DSP. Về cơ
bản, công nghệ máy ảnh kĩ thuật số sử dụng năng lực tính toán để khắc phục
các giới hạn vật lí.
Tóm lại, xử lí tín hiệu số có cơ sở là ngành toán học, vật lí và khoa học
máy tính, là công nghệ then chốt trong nhiều ứng dụng thực tế.

Vũ Thị Hồng Xiêm

6

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Vậy: Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP (DSP nó được viết tắt của 3 từ
Digatal Sigmal Processing) là một chip xử lí tín hiệu số. Thực tế, chip xử lí
DSP là Processor có tích hợp sẵn cung cấp cho từng ứng dụng cụ thể.
Chip xử lí tín hiệu số DSP được lập trình tối ưu sẵn cho ứng dụng cụ
thể: Xử lí âm thanh, hình ảnh, … thường được dùng cho những ứng dụng thời
gian thực. Nó có thể tạo từ vi điều khiển VDK hay các chip logic như PLD,
hay FPGA, …
1.1.3. Kiến trúc DSP tổng quát

DSP (Digital Sigmal Processing) dùng trong lọc FIR, lọc FIR phức tạp,
lọc IIR, FFT, biến đổi cosin rời rạc, tương quan.
Kiến trúc tổng thể của một DSP gồm các phần sau:
 Khối nhân.
 Khối cộng / ngõ ra.
Ví dụ: Kiến trúc tổng quát DSP của hãng Altera.

Kiến trúc MAC – DSP họ Stratix (hãng Altera)

Vũ Thị Hồng Xiêm

7

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

1.1.4. Ý nghĩa và vai trò của DSP

Cuộc cách mạng DSP ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong
cuộc sống chúng ta.
Truyền tín hiệu không có gì mới, mã Morse là bản chữ cái theo hệ nhị
phân ra đời cách đây khoảng 150 năm. Công nghệ mà con người sử dụng là
Fax. Thực tế, việc Fax số liệu qua thiết bị thu phát đã được ứng dụng thành
công cách đây gần 70 năm. Vào những năm của thập kỷ 30 và 40, một số
trạm thu phát sóng gắn đã phát thanh một bài báo riêng thông qua máy Fax
của thiết bị thu phát. Nếu bạn sống ở miền đông nước Mỹ vào khoảng thời
gian sau chiến tranh những năm 40 và có một máy in Fax thì bạn có thể nhận
được thông tin của tạp chí New York Times thông qua trạm Fax riêng của
báo. Do công nghệ này tốn nhiều chi phí nên việc sử dụng máy Fax là không
khả thi. Điều này dẫn đến sự ra đời của các máy Fax dựa trên đường Line
điện thoại như hiện nay.
Giống như các mã nhị phân và máy Fax, công nghệ xử lí tín hiệu số về
mặt lí thuyết đã xuất hiện những năm đầu của thế kỷ 20. Thực tế thì công
nghệ DSP này không phải là bất cứ công nghệ riêng nào. Các DSP chỉ là một
thao tác xử lí tín hiệu số. Mặc dù DSP giống như một điều gì đó rất bí ẩn và
kỳ diệu nhưng thuật ngữ này thực chất lại rất rộng và phổ biến – giống như
“một vòng quay” chuyển biến từ xe máy lên tàu điện và tiếp đó là máy bay.
Hai lí do giải thích tại sao tất cả công nghệ này đều gắn kết với nhau:
Đây là công nghệ mới và sử dụng các chip DSP giống nhau ứng dụng vào

mục đích khác nhau.
+ DSP (công nghệ xử lí tín hiệu số) là một công nghệ được sử dụng để
thiết lập các vị lọc khác nhau và nhằm tránh can nhiễu. Các bộ lọc âm thanh
Adio tiêu chuẩn đưa ra là một dải Adio nhất định được gọi là dải thông. Để
tránh can nhiễu giữa các kênh gần kề, máy thu tín hiệu Analog truyền thống

Vũ Thị Hồng Xiêm

8

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

kết hợp với các bộ lọc dải hẹp cho phép nghe được tín hiệu ở dải thông hẹp
hơn. Với dải thông hẹp, Adio ở dải hẹp hơn từ các tín hiệu khác có thể ảnh
hưởng đến các tín hiệu mà bạn đang nghe. Chỉ có một vấn đề là do vị trí bộ
lọc hẹp nên các Adio ở dải hẹp hơn có thể đi qua và tín hiệu sẽ phát ra tiếng
như bị tắc. Một số bộ lọc CW dải cực hẹp đi qua Adio quá nhỏ đến nỗi gần
như không có tác dụng đối với truyền dẫn thoại.
Nền tảng của công nghệ DSP hoàn toàn khác hoạt động Radio Analog.
Công nghệ DSP tạo ra âm thanh kĩ thuật số thay thế điện tử cho các dải hẹp
Adio. Để thực hiện điều này, toàn bộ âm thanh từ máy thu được chuyển hóa
thành số hoặc các bit.
+ Công nghệ DSP xử lí những bit này. Các thuật toán trên máy tính
khác nhau xác định được một tín hiệu nào đó là tiếng ồn, nhiễu hoặc tín hiệu
nào mà bạn muốn nghe. Tiếng ồn này được chuyển thành số xử lí trong DSP
sẽ nhận ra rằng những số này không phải là tín hiệu mà bạn muốn nghe, kết
quả là những số này bị loại bỏ và không được xử lí trong Adio. Tùy thuộc vào

loại DSP mà bạn đang sử dụng, bạn có thể điều khiển nó để xóa bỏ hoàn toàn
một bit tiếng ồn và nhiễu, không giống như các bộ lọc tương tự mà có đặc
tính phụ thuộc chất lượng của vật liệu và kiến trúc, tính năng của công nghệ
DSP dựa chủ yếu vào các chất lượng của các thuật toán được lập trình vào các
chip Eprom.
Sau khi một vài con số này được loại bỏ thì các con số còn lại phải quay
trở lại thông qua một quá trình đảo. Tại đây, các con số được chuyển thành
âm thanh. Đó là một quá trình phức tạp. Toàn bộ các số biểu diễn các tần số,
thời gian và âm lượng cao tại đầu ra Adio thực tế. Tại điểm này các con số đi
qua bộ chuyển đổi số thành tương tự (ở bộ chuyển đổi này âm thanh được đi
qua một bộ khuyếch đại Adio). Bộ khuyếch đại các tín hiệu mạnh lên đủ để
tăng công suất loa. Lúc đó loa sẽ chuyển đổi thành các xung điện vào Adio.

Vũ Thị Hồng Xiêm

9

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Dải lọc vẫn quan trọng tuy nhiên trước đây các bộ lọc có giá thành cao
rất cần thiết đối với tính năng của bộ thu. Nếu như sử dụng các vật liệu giá
thành thấp hơn thì các bộ lọc không có ngưỡng nghe rõ rệt và các tín hiệu ở
gần sẽ vẫn ảnh hưởng đến các trạm mà bạn đang nghe. Tuy nhiên các thiết bị
ứng dụng công nghệ DSP đều có các vị trí lọc khác nhau và các ngưỡng nghe
rõ rệt. Thậm chí một số DSP có dải tần biến đổi để bạn có thể điều chỉnh các
bộ lọc tới dải tần chính xác mà bạn cần, có hiệu quả bằng 10 bộ lọc Analog
gộp lại.

Hiện tại hầu hết các ứng dụng công nghệ DSP trong Radio đều có dạng
các hộp phụ kiện độc lập. Một số công ty như Barrett Communications cũng
tích hợp công nghệ DSP trong các thiết bị thu phát của mình. Chip đơn DSP
cho phép điều biến và dải điều biến khi chuyển đổi tín hiệu trong Ale, xử lí
cuộc gọi thoại tùy chọn và chặn âm tiết không mong muốn và đồng thời làm
giảm tạp âm khi thu tín hiệu.

Vũ Thị Hồng Xiêm

10

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Máy thu phát HF-SSB 2050 (Barrett Communications)

Những năm trước, một chiếc Radio không ứng dụng công nghệ DSP
cũng không khác gì một máy thu phát mà không có hiển thị số như ngày nay.
Hiện tại, phần lớn các nhà sản xuất các thiết bị điện tử tập trung chủ yếu
vào công nghệ DSP, các chip DSP tích hợp trong các thiết bị điện tử chiếm thị
phần đáng kể trong thị trường thế giới. Công nghệ này sẽ không ngừng phát
triển và tiến xa hơn nữa trong tương lai.
1.2. Ứng dụng của công nghệ xử lí tín hiệu số DSP
Ứng dụng công nghệ xử lí số DSP rất phong phú trong mọi lĩnh vực
như: Trong lĩnh vực điện tử, y học, sinh học, trong điều chỉnh động cơ Diesel,
ghi nhạc và tăng chất lượng hình ảnh, truyền hình, xử lí thoại, các cuộc gọi
thoại khoảng cách xa…
Dưới đây là một số ứng dụng trong thực tiễn:

1.2.1. Ứng dụng công nghệ xử lí tín hiệu số DSP trong nhạc số, video số, ảnh số

1.2.1.1. Ứng dụng bộ xử lí DSP của Motorola 56367 trong loa DSP 3100
Tháng 11 - 2005, Meridian đã đưa ra sản phẩm loa DSP 3100. Đây là
sản phẩm được ứng dụng công nghệ DSP với những ưu điểm vượt trội:
Vũ Thị Hồng Xiêm

11

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

DSP3100 khá nhỏ, không bị lộ và thích hợp với hệ thống âm thanh đa
phòng hay dùng cho máy tính.
Loa đứng dùng Driver tiếng Bas dạng Long – Throw, đường kính 6
inch, trong khi nằm ngang chỉ sử dụng hai Driver 5,25 inch, nón sợi Carbon
và Ê-căng (Grill) làm bằng hợp kim. Driver được đánh bằng Ampli tích hợp
sẵn trong loa. Bộ xử lí âm thanh của hãng Motorola, số hiệu 56367, tốc độ
150 Mhz. Bộ chuyển đổi tín hiệu số/Analog (D/A) được điều chỉnh bởi một
Converter kép 24bit.

Loa DSP 3100
1.2.1.2. Ứng dụng trong nhạc số, ảnh số, video số

Với các ứng dụng DSP (Dagital Signal Processing), máy tính có thể xử
lí tất cả những gì con người nghe và nhìn. Nói cách khác, bất cứ thông tin

Vũ Thị Hồng Xiêm

12

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Digital nào cũng có sự hiện diện DSP trong đó, khiến người ta quên rằng về
cơ bản họ đang sống trong thế giới Analog.
1.2.2. Chuột quang Agilent Technologies sử dụng công nghệ xử lí tín hiệu số
DSP

Công nghệ chuột quang nguyên thuỷ dùng cách phát một chùm tia sáng
tập trung lên một tấm lót có thiết kế đặc biệt, sau đó chùm tia này sẽ bị phản
xạ ngược trở lại về bộ phận cảm ứng nằm bên trong chuột.
Trên tấm lót này là một lưới những đường sẫm màu, mỗi khi chuột di
chuyển, chùm tia sáng phản chiếu về Sensor sẽ bị ngắt quãng hay thay đổi,
Sebsor sẽ nhận những thay đổi đó và gửi tín hiệu về máy tính để xử lí rồi suy
ra vị trí con trỏ.
Loại chuột quang này ngày nay không còn được dùng nữa do có những
bất tiện như đòi hỏi phải có tấm lót chuột thiết kế đặc biệt, và bạn phải cầm
chuột ở một góc nhất định đảm bảo rằng đường đi của tia sáng không bị ảnh
hưởng.

Chuột quang Agilent Technologies
Chuột quang đầu tiên trên thế giới có thể hoạt động không cần tấm lót
kẻ lưới là phát minh của hãng Agilent Technologies vào cuối năm 1999.

Vũ Thị Hồng Xiêm

13

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Chuột có một Diode phát quang (LED, Light Emitting Diode) nhỏ, màu đỏ
phát ánh sáng chiếu lên bề mặt, ánh sáng phản chiếu sẽ được một Sensor
CMOS thu về. Sensor CMOS này có tốc độ lấy mẫu khoảng 1500 ảnh mỗi
giây, sau khi lấy mẫu, nó sẽ gửi từng hình ảnh thu được vào một bộ xử lí tín
hiệu số - DSP (Digital Signal Processor) để phân tích. Chip DSP có tốc độ xử
lí 18 triệu lệnh một giây – MIPS (Million Instruction Per Second), có khả
năng phân tích hình ảnh và thấy được những hình ảnh đó thay đổi như thế nào
sau mỗi lần chuột di chuyển.
Dựa trên những thay đổi của chuỗi hình ảnh thu về, DSP sẽ xác định
được chuột đã di chuyển bao xa và gửi thông số tọa độ tương ứng đến máy
tính. Máy tính sau khi xử lí những thông số đó, sẽ điều khiển dịch chuyển con
trỏ trên màn hình tương ứng với độ dịch chuyển của chuột. Chuỗi thao tác
trên diễn ra hàng trăm lần mỗi giây, khiến con trỏ trên màn hình di chuyển rất
trơn tru. Chuột quang Agilent Technologies ADNS – 2610 có cảm biến xử lí
được 1512 khung hình/ giây. Mỗi một khung hình là một dãy các tứ giác
18x18 Pixels, và mỗi một Pixel có thể cảm ứng với 64 mức độ sáng tối khác
nhau.
Chuột quang có những tiến bộ so với chuột cơ khí là không có các
thành phần chuyển động nên khó hư hơn, không có hiện tượng kẹt bi. Nhưng
thực tế, có những con chuột chỉ hoạt động tốt, con trỏ không bị nhảy linh tinh
khi ta dùng chuột trên một bề mặt màu sẫm hoặc đen hoàn toàn. Mặt khác, độ
chính xác của một vài con chuột quang không cao do chip xử lí ảnh hoạt động

không tốt, không bắt kịp những chuyển động nhanh. Riêng về vấn đề tiêu thụ
điện là điểm yếu của chuột quang so với chuột cơ.
Chuột quang - cơ khí thông thường chỉ kéo một dòng 100mA-5V trong
khi một con chuột quang kéo dòng thấp nhất là 25mA – 5V. Đồng thời chuột
quang phải được đặt sao cho đường đi của tia sáng từ bộ phát đến bộ thu

Vũ Thị Hồng Xiêm

14

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

không bị ảnh hưởng, nghĩa là bề mặt phải phẳng, hấp thụ ánh sáng đều (và tất
nhiên là không được trong suốt).
Nói tóm lại, chuột quang vẫn mang lại khả năng điều khiển chính xác,
nhẹ nhàng và đang thay thế gần như hoàn toàn thế hệ chuột cơ, quang - cơ.

Vũ Thị Hồng Xiêm

15

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

CHƯƠNG II. CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG TRONG

THỰC TIỄN
2.1. Công nghệ FPGA
2.1.1. Lịch sử ra đời

Những năm gần đây chúng ta thấy trên thị trường xuất hiện một công
nghệ mới trong lĩnh vực thiết kế mạch, hệ thống đó là FPGA. Vậy FPGA
được ra đời từ khi nào?. Để trả lời câu hỏi đó chúng ta cùng tìm hiểu sự ra đời
của nó.
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 các phần tử bán dẫn vào một vi mạch. So với kiến trúc trước đó là
CPLD; FPGA có khả năng chứa tới100.000 đến hàng tỷ cổng logic, trong khi
CPLD chỉ chứa từ 10.000 đến 100.000 cổng logic. Con số này đối với PAL,
PLA thấp hơn nữa , chỉ đạt vài nghìn đến 10.000 cổng logic.
Với CPLD được cấu trúc từ số lượng nhất định các khối SPLD (là chữ
viết tắt của tiếng Anh: Simple Programble Devices cũng là thuật ngữ 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 đồng bộ (Clocked
Register). Cấu trúc 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 yêu cầu bài toán.
Kiến trúc của FPGA là kiến trúc mảng khối logic, khối logic 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 khả năng lập trình các phần tử
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 với CPLD là trong những FPGA hiện đại được tích
hợp nhiều những bộ logic số học đã sơ bộ tối ưu hóa, hỗ trợ Ram, Rom, tốc

Vũ Thị Hồng Xiêm

16

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

độ cao, hay các bộ nhân cộng (Multication and Accumulation, Mac), thuật
ngữ tiếng Anh là DSP Silce dùng cho những ứng dụng xử lí tín hiệu số DSP.
Một điểm nữa của FPGA là các phòng thí nghiệm ở cấp độ trường cũng
có thể thử nghiệm được các thiết kế phần cứng của mình.
Ngoài khả năng tái cấu trúc vi mạch toàn cục, một số FPGA hiện đại
còn hỗ trợ tái cấu trúc cục bộ, tức là khả năng tái cấu trúc một bộ phận riêng
lẻ trong khi vẫn đảm bảo hoạt động bình thường cho các bộ phận khác.
2.1.2. Khái niệm và các đặc điểm của công nghệ FPGA

2.1.2.1. Khái niệm
Trước khi vào khái niệm thì chúng ta có thể hiểu sơ qua về FPGA.
FPGA là viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh “Field – Program Gate Array”,
nghĩa là mảng cổng lập trình được dạng trường. FPGA thuộc họ Asic lập trình
được.
Khái niệm FPGA (Field – Program Gate Array) là vi mạch dùng cấu
trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. (Chữ Field ở
đây muốn chỉ đến khả năng tái lập trình “bên ngoài”của người sử dụng, không
phụ thuộc vào dây truyền sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn).
FBGA chứa các logic Cells thực hiện các mạch logic được kết nối với
nhau bởi ma trận kết nối và chuyển mạch lập trình được.
FBGA là tập hợp các phần tử rời rạc được kết nối theo một cách chung.
Cấu tạo chung của FPGA:

1. Các khối logic cơ bản lập trình được (logic Block).
2. Hệ thống mạch liên kết lập trình.
3. Khối vào/ ra (Io Pads).
4. Phần tử thiết kế sẵn như: DSP Slice, Ram, Rom nhân vi xử lý …
2.1.2.2. Các đặc điểm của công nghệ FPGA
FPGA được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng. Nó có ưu
điểm hơn hẳn so với các loại vi mạch bán dẫn xuất hiện trước nó, có thể tái

Vũ Thị Hồng Xiêm

17

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản. Do vậy chi phí
giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng.
FPGA cũng được xem như các dạng vi mạch bán dẫn lập trình được
dùng kiến trúc mảng phần tử logic. Nhưng tác vụ tái lập trình của FPGA thực
hiện đơn giản hơn, khả năng lập trình linh động hơn.
Kiến trúc của FPGA cho phép nó có khả năng chứa khối lượng lớn
cổng logic (logic Gate), so với các vi mạch bán dẫn lập trình được trước đó
Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn
ngữ mô tả phần cứng HDL, VHDL, VERILOG, AHDL
2.1.3. Kiến trúc FPGA tổng quan
Kiến trúc tổng thể của một FPGA được minh họa ở hình sau:

Qua Kiến trúc tổng quan của FPGA gồm 3 phần chính: Khối logic, hệ

thống mạch liên kết.
2.1.3.1. Khối logic
Vũ Thị Hồng Xiêm

18

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Khối logic FPGA là các khối logic (logic Bock) khối logic được cấu
thành từ Lut và một phần tử nhớ đồng bộ Filip – Flop, Lut (Look up Latr) là
khối logic có thể thực hiện bất kỳ hàm logic từ 4 đầu vào kết qủa của hàm này
tùy thuộc vào mục đích mà gửi ra ngoài khối logic trực tiếp hay không qua
phần tử Flip – Flop.
Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng
khái niệm Slice, 1 Slice tạo từ gồm 4 khối khối logic, Số lượng các Slice thay
đổi từ vài nghìn đến vài chục nghìn tùy thuộc theo loại FPGA.
Nếu nhìn kiến trúc tổng thể của mảng Lut thì ngoài 4 đầu vào kể trên
còn hỗ trợ thêm 2 đầu vào bổ sung từ các khối logic phân bố trước và sau nó
nâng tổng số đầu vào của các Lut lên 6 chân. Kiến trúc này nhằm tăng tốc độ
các bộ số học logic.
2.1.3.2. Hệ thống mạch liên kết.
Thumb/200px/ khối chuyển mạch của FPGA liên kết trong FPGA được
cấu thành từ các đường kết nối theo 2 phương ngang và đứng, tùy theo từng
loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các nhóm khác nhau.
Ví dụ: Trong XC 4000 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 được (Programble Switch), trong một khối chuyển mạch chứa số lượng

Vũ Thị Hồng Xiêm

19

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Lut chuyển đổi lập trình được (Programable Switch) trong một khối chuyển
mạch chứa một số lượng Lut chuyển lập trình được đảm bảo cho các dạng
liên kết phức tạp khác nhau.
2.1.3.3. Các phần tử tích hợp sẵn.
Ngoài 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 dòng Virtex 4.5 của
Xilinx có chứa nhân xử lí Power PC, hay trong Atmel FPSLIC tích hợp nhân,
ARV … , hay cho những ứng dụng xử lí tín hiệu số DSP trong FPGA được
tích hợp các DSP Slice là bộ nhân cộng tốc độ cao thực hiện hàm A x B + C.
2.1.4. Một số kiến trúc FPGA hiện nay

2.1.4.1 Kiến trúc FPGA hãng Xilinx

Kiến trúc FPGA chung của hãng Xinlinx

Vũ Thị Hồng Xiêm

20

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Kiến trúc FPGA Spartan II hãng Xilinx

Kiến trúc FPGA Spartan IIE hãng Xilinx

Vũ Thị Hồng Xiêm

21

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Kiến trúc FPGA Spartan IIE của hãng Xilinx
Là một họ linh kiện FPGA của hãng Xilinx
Một số Kit FPGA và tham số kĩ thuật của hãng Xilinx:
Bảng 1:

Logic
Cells

Typical
System Gate CLB
Maximum
Total

Range
Array
Available
CLBs
(Logic and (R x C)
User I/O(1)
Ram)

XC2S50E

1,728

23,000-50.000

16x24

384

182

83

24,578

32K

XC2S199E

2,700

37,000-100,000

20x30

600

202

86

38,40

40K

XC2S150E

3,888

52,000-150,000

24x36

864

265

114

55,296

48K

XC2S200E

5,292

71,000-200,000

28x42

1,176

289

120

75,264

56K

XC2S300E

6,912

93,000-300,000

32x48

1,536

329

120

98,304

64K

XC2S400E

10,800 145,000-400,000

40x60

2,400

410

172

153,600

160K

XC2S600E

15,552 210,000-600,000

48x72

3,456

514

205

221,184

288K

Device

Vũ Thị Hồng Xiêm

22

Maximun
Block
Distributed
Differential
RAM
RAM Bits
I/O Pairs
Bits

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Gồm các khối:
 CLB:
Một
CLB gồm logiccell,logic-cell gồm
2Lut giống nhau,
mỗi Lut gồm 4 ngõ
vào, tín hiệu điều
khiển và FF-D. Mỗi
CLD gồm hai bộ
điều khiển ngõ ra 3
trạng thái (Buft).
Mỗi Buft có chân
điều khiển và ngõ
vào độc lập.

 Đi dây: Công nghệ Sram, General Routing Matrix (GRM)
 Loacal Routing.
 I/O Routing.
 General Purpose Routing.
 Dedcated Routing.
 Global Routing.
 IOB: Tín hiệu vào qua một bộ đệm, tín hiệu ra qua bộ đệm ba
trạng thái, theo các chuẩn, bộ nhớ/giao tiếp bus. Mỗi IOB gồm 3
Flip-Flop chia chung 1 tín hiệu Clock và các tín hiệu CE (Clock
Enable), điều khiển độc lập cho từng Flip-Flop.

Vũ Thị Hồng Xiêm

23

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

Bảng 2:
Spartan-lle
Device

# of Blocks

Total Block
RAM Bits

XC2S50E
XC2S100E
XC2S150E
XC2S200E
XC2S300E
XC2S400E
XC2S600E

8
10
12
14
16
40
72

32K
40K
48K
56K
64K
160K
288K

Vũ Thị Hồng Xiêm

24

Khối chức năng:
 RAM Block: Gồm nhiều
khối RAM, tổ chức
thành hai cột, ở hai cạnh
đứng của linh kiện.

Lớp K32D - SPKT - Vật lý


“Công nghệ xử lí tín hiệu số DSP và công nghệ FPGA”

 DLL (Delay Lock Loops):
Điều khiển xung Clock,
nhằm loại trừ độ lệch hoặc
trì hoãn một khoảng thời
gian giữa tín hiệu Clock ngõ
vào và các xung Clock ngõ
vào bên trong, giảm tối đa

sự trì hoãn, tạo sự đồng bộ
và tiết kiệm năng luợng.
Mỗi DLL nối hai mạng
Clock toàn cực.
Ví dụ: Kit Xilinx Startan-3 FPGA Starter Kit Board.
 Có mạch điện:

Kit Xilinx Startan-3 FPGA Starter Kit Board

Vũ Thị Hồng Xiêm

25

Lớp K32D - SPKT - Vật lý