TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL

MỤC LỤC
Mở đầu ............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL ................................. 2
1.1. Giới thiệu về FPGA. ......................................................................................... 2
1.2. Kiến trúc chung của một FPGA ............................................................................. 3
1.3. Ngôn ngữ phần cứng HDL. ............................................................................... 5

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG CỤ THIẾT KẾ .................................................................. 14
2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV ........................ 14
2.2. Các phần mềm chuyên dụng................................................................................. 23
2.3. Quy trình thiết kế tổng quát .................................................................................. 29

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SOFTWARE DEFINED RADIO CHO HỆ
ĐO THỬ KÊNH MIMO ............................................................................................... 32
3.1. Khái niệm MIMO ........................................................................................... 32
3.2. Lịch sử phát triển hệ MIMO ................................................................................. 33
3.3. Những ưu điểm của hệ MIMO ............................................................................. 33
3.4. Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO .......................... 37

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM…………………………………………….40
4.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………………40
4.2. Mô hình thiết kế…………………………………………………………….………41
4.3. Kết quả mô phỏng trên MATLAB……………………………………………. 43
4.4. Kết quả thực nghiệm trên FPGA .......................................................................... 46

Kết luận ............................................................................................................................
Tài liệu tham khảo .......................................................... Error! Bookmark not defined.

Mở đầu
Hiện nay Thông tin vô tuyến là một ngành phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệ
sử dụng trong thông tin vô tuyến ngày càng được đổi mới nhằm nâng cao tính hiệu quả
trong điều chế, giải điều chế và truyền thông tin. Tuy nhiên công nghệ phát triển càng cao
thì lại càng đặt ra những khó khăn trong vấn đề thực nghiệm cho các sinh viên trong các
trường Đại học. Các yêu cầu về phần cứng đôi khi lại trở thành những thử thách vô cùng
phức tạp trong việc đưa các mô hình thiết kế vào thực tế. Vì vậy FPGA ra đời như một
giải pháp cung cấp môi trường làm việc hiệu quả cho các ứng dụng thực tế. Tính linh
động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết những bài toán phức tạp mà
trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính. Ngoài ra, nhờ mật độ cổng logic cao,
FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong
các hệ thống làm việc theo thời gian thực.
Trong số các hãng sản xuất FPGA, Xilinx là một trong các hãng đi đầu trong việc
sản xuất chip, không chỉ bởi các công cụ hỗ trợ thiết kế hoàn thiện mà còn cho phép
người dùng có khả năng can thiệp sâu vào hệ thống, trong đó phải kể tới các chip dòng
Virtex-sản phẩm mới nhất của Xilinx trong những năm gần đây. Qua quá trình tìm hiểu,
nhóm nghiên cứu đã thực hiện được một số các ứng dụng trên FPGA nhằm hướng tới việc
sử dụng FPGA như một công cụ để giải quyết bài toán đo kênh MIMO. Đây là vấn đề thu
hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông vô
tuyến. Để phục vụ cho mục đich này, trong nội dung bài luận văn dưới đây, em sẽ trình
bày về việc sử dụng FPGA để thiết kế mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử
kênh MIMO.






CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ FPGA

VÀ NGÔN NGỮ VHDL
1.1. Giới thiệu về FPGA
FPGA là viết tắt của "Field Programmable Gate Array", là vi mạch dùng cấu trúc
mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được, có thể thực hiện các tính năng
logic thông qua máy tính của mình với giá rẻ, và có thể xóa đi viết lại nhiều lần. Xilinx là
công ty đầu tiên bán ra FPGA và luôn chiếm thị phần lớn nhất. Ngoài ra còn có Alterna,
Lattice, Actel, QuickLogic. Nhiều nhà sản xuất hiện đang cung cấp rất nhiều cấu trúc và
phương pháp xử lý khác nhau. Vì vậy, việc chọn một cấu trúc và một phương pháp xử lý
để có thể đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và độ ổn định, đối với một hệ thống
trong thực tế là vấn đề mang tính quyết định. Thiết bị logic lập trình được được phát minh
lần đầu vào cuối thập kỷ 1970 và ngay lập tức đã trở lên phổ biến trong ngành công
nghiệp bán dẫn. Ngoài khả năng lập trình đa dạng, công nghệ này còn có thời gian sản
xuất nhỏ nên có khả năng cạnh tranh thương mại rất lớn. Hơn nữa, việc thiết kế với nó
khá dễ dàng và nó có khả năng lập trình lại nhiều lần.
FPGA được thiết kế đầu tiêm bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào
năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tính hợp số lượng tương đối lớn các phần tử
bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD (Complex Programmable Logic
Device).Điểm tương đồng của CPLD và FPGA là ở chỗ chúng đều bao gồm một số lượng
tương đối lớn các phần tử logic khả trình. Tuy nhiên mật độ tích hợp thì khác nhau, mật
độ cổng logic của CPLD nằm trong khoảng từ vài nghìn đến hàng chục nghìn, trong khi
với FPGA thì mật độ tích hợp cỡ hàng chục nghìn cho đến vài triệu.
FPGA và CPLD có rất nhiều điểm khác biệt tuy nhiên kiến trúc là điểm khác biệt
chính giữa CPLD và FPGA. CPLD có kiến trúc giới hạn ở một mức độ nào đó, nó bao
gồm một hoặc nhiều dải logic “sum-of-products” khả trình và được cung cấp một số
tương đối nhỏ các thanh ghi được đồng bộ. Điều này làm cho CPLD trở nên không được
mềm dẻo lắm, nhưng bù lại trễ timing lại dễ dự đoán hơn và tốc độ kết nối logic cũng cao
hơn FPGA. Với FPGA, thì kiến trúc theo một cách khác trội hơn hẳn CPLD bởi vì FPGA
sử dụng các liên kết nối. Điều này không những tạo cho nó mềm dẻo hơn rất nhiều mà
còn làm tăng độ phức tạp trong thết kế.
Điểm khác biệt nữa giữa FPGA và CPLD là trong hầu hết chip FPGA đều có các

hàm cấp cao (như bộ cộng và bộ nhân) và các bộ nhớ đã được nhúng vào. Ngoài ra, trong
các FPGA đời mới còn hỗ trợ đầy đủ hoặc một phần việc cấu hình lại trong hệ thống, cho
phép thay đổi thiết kế tức là có thể cập nhật hệ thống hoặc cấu hình động (dynamic
reconfiguration) khi chúng đang hoạt động như là một chức rất bình thường. Một vài
FPGA còn có khả năng cấu hình lại cục bộ (partial re-configuration) tức là một phần của
thiết bị được cấu hình trong khi các phần còn lại vẫn đang hoạt động.
1.2. Kiến trúc chung của một FPGA
Cấu trúc tổng thể của FPGA bao gồm:
-Các khối Logic
-Hệ thống liên kết mạch
-Các phần tử tích hợp sẵn

Hình 1.1 Cấu trúc tổng thể của một FPGA
1.2.1. Khối logic FPGA


Hình 1.2 Khối Logic
FPGA chứa trong nó rất nhiều khối logic có thể tái cấu hình CLB (Configurable
Logic Blocks) được liên kết với nhau thành bằng các liên kết khả trình (Programmable
Interconnect). Các khối vào ra được phân bố xung quanh chip tạo thành các liên kết với
bên ngoài. Bên trong khối logic CLB có bảng LUT (Look-Up Table) và các phần tử nhớ
(FlipFlop hoặc bộ chốt). LUT (Look up table) là khối logic có thể thực hiện bất kì hàm
logic nào từ 4 đầu vào, kêt quả của hàm này tùy vào mục đích mà gửi ra ngoài khối logic
trực tiếp hay thông qua phần tử nhớ flip-flop.
Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng khái niệm
SLICE, 1 Slice tạo thành từ gồm 4 khối logic, số lượng các Slices thay đổi từ vài nghìn
đến vài chục nghìn tùy theo loại FPGA.
Nếu nhìn cấu trúc tổng thể của mảng LUT thì ngoài 4 đầu vào kể trên còn hỗ trợ
thêm 2 đầu vào bổ xung từ các khối logic phân bố trước và sau nó nâng tổng số đầu vào
của LUT lên 6 chân. Cấu trúc này là nhằm tăng tốc các bộ số học logic.

1.2.2. Hệ thống mạch liên kết
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.
1.2.3. 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 lý PowerPC, hay trong Atmel FPSLIC tích hợp nhân ARV…, hay cho
những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP trong FPGA được tích hợp các DSP Slide là bộ
nhân cộng tốc độ cao, thực hiện hàm A*B+C, ví dụ dòng Virtex của Xilinx chứa từ vài
chục đến hàng trăm DSP slices với A, B, C 18-bit.
1.3. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL)
Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) là ngôn ngữ lập trình phần mềm dùng để mô
hình họat động mong muốn của phần cứng. Có hai khía cạnh mà HDL tạo điều kiện để
mô tả phần cứng: mô hình hành vi trừu tượng và mô hình cấu trúc phần cứng.
Mô hình hành vi trừu tượng. Ngôn ngữ mô tả phần cứng tạo điều kiện dễ dàng cho
việc mô tả trừu tượng hành vi của phần cứng đối với các mục đích đặc tả (chỉ rõ chi tiết
kỹ thuật). Hành vi này không chỉ bị chi phối bới các khía cạnh cấu trúc hoặc thiết kế của ý
địh phần cứng.
Mô hình cấu trúc phần cứng. Cấu trúc phần cứng có khả năng được mô hình trong
ngôn ngữ mô tả phần cứng mà không cần quan tâm đến hành vi thiết kế.
Năm 1980 bộ Quốc phòng Mỹ (DOD) muốn thực hiện việc thiết kế mạch tự dẫn chứng,
muốn theo đuổi một hệ phương pháp thiết kế tổng quát và có thể sử dụng lại được với các
công nghệ mới. Rõ ràng đã có nhu cầu cho một ngôn ngữ lập trình chuẩn để mô tả chức
năng và cấu trúc của các mạch số đối với việc thiết kế vi mạch (IC). Sau đó DOD đã tài
trợ cho một dự án thuộc chương trình vi mạch có tốc độ rất cao VHSIC (very high speed
integrated circuit) để tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn. Kết quả là dự án này đã tạo

ra ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC hay thường được gọi là VHDL (VHSIC Hardware
Description Language-Ngôn ngữ miêu tả phần cứng VHSIC) như hiện nay.
VHDL được xem như là sự kết hợp của các ngôn ngữ sau : ngôn ngữ tuần tự +
ngôn ngữ đồng thời + netlist + định thời + mô phỏng. Do đó cấu trúc VHDL cho phép
thể hiện cách thức thực hiện theo kiểu song song hay tuần tự của một hệ thống số có hoặc
không có timing. Nó cũng cho phép vẽ mô hình một hệ thống bằng các liên kết nối của
các thành phần.
VHDL được dành cho tổng hợp mạch (synthesis) cũng như mô phỏng mạch
(simulation). Dù VHDL có thể mô phỏng một cách đầy đủ, nhưng không phải tất cả các
cấu trúc đều được VHDL tổng hợp.
1.3.1. Các ưu điểm của VHDL
- Chương trình trong VHDL có thể được viết theo nhiều cấu trúc khác nhau: Ngẫu
nhiên, tuần tự, nối chân, định thời chỉ rõ, ngôn ngữ sinh dạng sóng.
- VHDL là một ngôn ngữ phân cấp, hệ thống số có thể được mô phỏng như một kết
nối các khối mà các khối này được thực hiện bởi các khối con khác nhỏ hơn.
- Cung cấp một cách mềm dẻo các phương thức thiết kế trên xuống, dưới lên, hoặc
tổ hợp cả hai.
- Cung cấp cả hai mode đồng bộ và không đồng bộ.
- Linh hoạt trong kĩ thuật mô phỏng số như sử dụng biểu đồ trạng thái, thuật toán,
các hàm Boolean.
- Có tính đại chúng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và
hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE. VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất
thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống.
- VHDL cung cấp 3 kiểu mẫu viết khác nhau: structural, dataflow và behavioral.
- Không giới hạn về độ lớn của thiết kế khi sử dụng ngôn ngữ.
- VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống
dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch
khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp
dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế .
- Khả năng định nghĩa kiểu dữ liệu mới cung cấp một công cụ hữu hiệu cho thiết kế

và mô phỏng công nghệ mới với một mức rất cao.
1.3.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống sử dụng ngôn ngữ VHDL
VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng do vậy mà nó có thể được sử dụng để làm mô
hình của một hệ thống số. Hệ thống số có thể đơn giản là các cổng logic hay phức tạp như
một hệ thống hoàn chỉnh. Các khối xây dựng nên ngôn ngữ VHDL gọi là các khối thiết
kế. Có 3 khối thiết kế chính:
- Khai báo Entity (Thực thể)
- Khai báo Architecture (Kiến trúc)
- Khai báo Configuration (Cấu hình)
- Đôi khi ta sử d ụn g các gói (Packages) và mô hình kiểm tra hoạt động của hệ
thống (Testbench).

a. Entity (Thực thể)
Khai báo thực thể trong VHDL là phần định nghĩa các chỉ tiêu phía ngoài của một
phần tử hay một hệ thống. Khai báo Entity là chỉ ra tên của Entity và liệt kê các cổng
vào/ra. Các cổng là các (dây) tín hiệu mà qua đó entity giao tiếp với môi trường bên
ngoài. Ví dụ, một mạch bán tổng được chỉ ra ở hình 8 :

Hình 1.3 Bộ bán tổng
Khai báo Entity như sau:
entity HALF-ADDER is
port ( A, B : in BIT;
SUM, CARRY : out BIT);
end HATF-ADDER;
Bộ bán cộng này gồm có hai đầu vào là A và B; và hai đầu ra là SUM và CARRY, BIT là
một kiểu cấu trúc ngôn ngữ được định nghĩa trước của FPGA
b. Architecture (Kiến trúc)
Phần thứ 2 trong mã nguồn VHDL là khai báo Architecture. Mỗi một khai báo Entity
đều phải đi kèm với ít nhất một Architecture tương ứng. Khai báo Architecture trong
chương trình phải kết hợp tên của Architecture và một Entity trong chương trình đó. Phần

thân Architecture có thể bao gồm các khai báo về các tín hiệu bên trong, các phần tử bên
trong hệ thống, hay các hàm và thủ tục mô tả hoạt động của hệ thống. Tên của
Architecture là nhãn được đặt tuỳ theo người viết chương trình. Cấu trúc bên trong của
Architecture có thể được viết theo một trong số các kiểu mẫu sau:
-Tập hợp kết nối bên trong của các thiết bị.
-Tập các câu lệnh ngẫu nhiên
-Tập các câu lệnh tuần tự.
-Kết hợp của ba dạng trên.
Các kiểu mô hình này sẽ được mô tả cụ thể như sau:
 Kiểu kiến trúc
Kiểu này được xây dựng dựa trên một tập các thành phần được kết nối. Ví dụ như
bộ bán tổng được chỉ ra sau đây:
architecture HA-STRUCTURE of HALF-ADDER is
component XOR2
port (X,Y : in BIT;
N: out BIT);
End component;
Component AND2
Port (L, M : in BIT;
N : out BIT);
End component;
Begin
X1: XOR2 port map(A,B,SUM);
A1 : AND2 port map (A,B,CARRY);
End HA-STRUCTURE;
 Kiểu luồng dữ liệu
Trong kiểu này, luồng dữ liệu qua Entity trước tiên được biểu diễn bằng các phép
gán đồng thời. Kiểu luồng dữ liệu của bộ bán cộng được chỉ ra trong ví dụ sau:
Architecture DATAFLOW of HALF-ADDER is
Begin

SUM <= A xor B after 8ns;
CARRY <= A and B after 4ns;
End DATAFLOW;
Trong ví dụ này kiểu luồng dữ liệu sử dụng hai phép gán tín hiệu đồng thời (hoặc
gán nối tiếp). Trong phép gán cho tín hiệu thì ký hiệu gán là “<=”. Giá trị của biểu biểu
thức bên phải được gán cho tín hiệu bên phía tay trái. Một phép gán đồng thời được thực
hiện chỉ khi có bất kỳ tín hiệu trong biểu thức phía phải có sự thay đổi, tức là giá trị tín
hiệu thay đổi. Thông tin trễ cũng có thể được thêm vào phép gán bằng cách sử dụng mệnh
đề “after” .
 Kiểu behavior
Kiểu behavior chỉ ra cách thức hoạt động của một entity như là một tập hợp lệnh
được thực hiện theo kiểu nối tiếp bằng cách sử dụng process. Chúng không chỉ ra rõ ràng
cấu trúc của entity mà chỉ ra chức năng của nó. Ví dụ sau xem xét kiểu behavior của bộ
bán tổng.
Architecture BEHAVIOR of HALF-ADDER is
Begin
Process (A,B)
Variable X,Y : BIT;
Begin
X:=A;
Y:=B;
SUM<=X xor Y;
CARRY <= X and Y;
End process;
End BEHAVIOR;
Một process cũng có một phần để khai báo (trước từ khóa “begin”) và một phần để
trình bày (giữa từ khóa “begin” và “process”). Các lệnh bên trong phần trình bày này
được thực hiện theo kiểu nối tiếp. Danh sách các tín hiệu được chỉ ra trong dấu ngoặc sau
từ khóa “process” tạo thành một danh sách “nhạy”. Tức là, khi có sự thay đổi của bất kỳ
giá trị nào trong danh sách này thì mới thực hiện các lệnh trong process. Tuy nhiên, tất cả

các process trong một chương trình thì đều thực hiện đồng thời.
Khai báo biến (bắt đầu bằng từ khóa “variable”), trong ví dụ này có hai biến X và Y. Các
biến được gán với ký hiệu là “:=” và giá trị của vế phải gán cho giá trị biến bên trái.
 Kiểu hỗn tạp.
Kiểu hỗn tạp là kiểu kết hợp cả ba kiểu trên. Tức là, bên trong một architecture, chúng
ta có thể sử dụng cả ba cách trình bày trên.
c. Configuration (Cấu hình)
Khai báo Configuration dùng để lựa chọn một trong các thân Architecture có sẵn mà
một Entity có hoặc để gắn các khối vào Entity. Nếu cho dạng cấu trúc, Configuration có
thể được xem như liệt kê các thành phần cho khối mô hình. Cho mỗi khối thì
Configuration chỉ rõ Architecture nào cho Entity từ nhiều Architecture. Khi Configuration
cho tổng hợp Entity-Architecture thì được biên dịch vào thư viện và một thực thể mô
phỏng được tạo ra. Ví dụ khai báo Configuration trong bộ bán tổng như sau:
Library CMOS-LIB, MY-LIB;
Configuration CONFIG of HALF-ADDER is
For HA-STRUCTURE
For X1:XOR2
Use entity CMOS-LIB.XOR-GATE (DATAFLOW);
End for;
For A1 : AND2
Use configuration MY-LIB.AND-CONFIG;
End for;
End for; End CONFIG;
d. Package (Gói)
Mục đích cơ bản của Package là gói gọn các phần nhỏ có thể được sử dụng trong
nhiều thiết kế. Package là một biện pháp thường dùng để lưu dữ thông tin có thể được sử
dụng trong nhiều Entity. Mối quan hệ trong Package cho phép dữ liệu có thể được tham
chiếu bởi những Entity khác. Vì thế dữ liệu có thể được chia sẻ.
Một Package gồm hai phần: Phần khai báo và phần thân (Body). Phần khai báo định
nghĩa giao diện cho Package, bằng một cách tương tự như định nghĩa của Entity. Thân

của Package chỉ rõ sự biến đổi quan hệ trong Package giống như trong Architecture.
VHDL là không giống như cách thực thi chương trình một cách tuần tự như chương
trình của PC, các lệnh của VHDL được thực hiện một cách đồng thời. Vì lí do này, người
ta thường gọi là “mã VHDL” chứ không gọi là “chương trình VHDL”. Trong VHDL, chỉ
các lệnh nằm trong PROCESS, FUNCTION hoặc PROCEDURE mới được thực thi một
cách tuần tự.
Như đã đề cập ở trên, một trong những ưu điểm của VHDL là nó cho phép tổng hợp
một mạch hay một hệ thống trong một thiết bị khả trình (như PLD hoặc FPGA) hoặc
trong một chip ASIC. Các bước thực hiện một project được chỉ ra trong hình 1.3.

Hình 1.4 Sơ đồ thiết kế VHDL
Thiết kế được bắt đầu bằng việc viết mã VHDL và lưu vào file có đuôi “.vhd” có
cùng tên với tên của ENTITY. Bước đầu tiên trong quá trình tổng hợp là biên dịch. Biên
dịch là quá trình chuyển từ ngôn ngữ VHDL bậc cao (mô tả mạch ở mức RTL – mức
chuyển thanh ghi) sang dạng danh sách kết nối (netlist) ở mức gate. Bước thứ hai là tối
ưu, được thực hiện trên danh sách kết nối mức gate để đạt được sự tối ưu về tốc độ hoặc
tối ưu về diện tích sắp đặt. Ở giai đoạn này, thiết kế có thể được mô phỏng. Cuối cùng
một phần mềm Place-và-route sẽ tạo ra sự sắp đặt (layout) vật lý cho một thiết bị
PLD/FPGA hoặc sẽ tạo ra mặt nạ (mask) cho chip ASIC.
e. Mô hình kiểm tra hoạt động (Testbench)
Một trong các nhiệm vụ rất quan trọng là kiểm tra bản mô tả thiết kế. Kiểm tra một
mô hình VHDL được thực hiện bằng cách quan sát hoạt động của nó trong khi mô phỏng
và các giá trị thu được có thể đem so sánh với yêu cầu thiết kế.Môi trường kiểm tra có thể
hiểu như một mạch kiểm tra ảo. Môi trường kiểm tra sinh ra các tác động lên bản thiết
kế và cho phép quan sát hoặc so sánh kết quả hoạt động của bản mô tả thiết kế. Thông
thường thì các bản mô tả đều cung cấp chương trình thử. Nhưng ta cũng có thể tự xây
dựng chương trình thử (testbench). Mạch thử thực chất là sự kết hợp của tổng hợp nhiều
thành phần. Nó gồm ba thành phần. Mô hình VHDL đã qua kiểm tra, nguồn dữ liệu và
bộ quan sát. Hoạt động của mô hình VHDL được kích thích bởi các nguồn dữ liệu và
kiểm tra tính đúng đắn thông qua bộ quan sát.

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát của một chương trình thử (Testbench)
Trong đó: DUT: (device under test) mô hình VHDL cần kiểm tra
Observer: khối quan sát kết quả
Data source: nguồn dữ liệu (khối tạo ra các tín hiệu kích thích)








Chương 2
Các công cụ thiết kế
2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV
2.1.1 Giới thiệu chung
XtremeDSP Development Kit-IV là bộ KIT có khả năng cung cấp một nền tảng
phát triển cao cho công Nghệ FPGA Virtex-IV Pro.Hai bộ ADC và DAC có tốc độ cao
cho phép người dùng có thể lập trình nhằm xử lý các ứng dụng như Software Defined
Radio, 3G Wireless, Networking, HDTV hoặc hình ảnh Video. Bộ KIT có chứa một bo
mạch chủ nối với một module nằm trên một board màu xanh. Bo mạch chủ được gọi là
BenONE-Kit Motherboard và module trên được gọi là BenADDA DIME-II module.
Nhiệm vụ của bo mạch chủ BenONE-Kit
• Hỗ trợ cho module BenADDA DIME-II
• Hỗ trợ giao diện USB hoặc 3.3V/5V PCI
• Hỗ trợ giao diện PCI 3.3V/5V 32 bit/33-MHz và giao diện USB 1.1
• Các LED hiên thị
• Mạch tạo cấu hình JTAG
• Các chân cắm nối trực tiếp với người dùng có thể lập trình được (FPGA I/O)

Module BenADDA DIME-II
• Chíp FPGA: XC4VSX35-10FF668
• Hai kênh DAC độc lập: AD6645 ADC (14-bits 105 MSPS)
• Hai kênh ADC độc lập: AD9772 DAC (14-bits 160 MSPS)
• Hỗ trợ clock ngoài, bộ dao động onboard và clock có thể lập trình
• Hai bộ nhớ SRAM (133MHz, 512Kx32 bits mỗi bên)
• Các LED hiển thị


Hình 2.1. Giao diện ngoài của XtremeDSP Development Kit-IV

Hình 2.2. Bộ KIT sử dụng chuẩn kết nối MCX

Hình 2.3. Giao diện phía trong của XtremeDSP Development Kit-IV
2.1.2. Các thành phần chính của XtremeDSP Development Kit-IV
a. Chíp FPGA (XC4VSX35)
Các đặc điểm chính của XC4VSX35:
• Rocket IO Transceiver Blocks: 8
• PowerPC Processor Blocks: 2
• LogicCells
(2)
: 30,816
• Slices: 13,696
• Max DistrRAM (Kb): 428
• 18 X 18 Bit Multiplier Blocks: 136
• 18 Kb Blocks: 136
• Max Block RAM (Kb): 2,448
• DCMs: 8
• Maximum User I/ O Pads: 644

b. Các bộ ADC
Module BenADDA DIME- sử dụng trong XtremeDSP Development Kit-IV có hai
kênh vào tương tự, mỗi kênh có dữ liệu và tín hiệu điều khiển độc lập tới FPGA.Hai ADC
(AD6645) cho phép thực hiện hai thiết lập dữ liệu với độ rộng 14 bit.Tín hiệu đưa vào
ADC và tín hiệu ra thông qua chuẩn kết nối MCX.

Hình 2.4. Sơ đồ tín hiệu qua ADC vào FPGA
 Các đặc điểm chính của khối ADC (AD6645)
• Cung cấp ADC 14-bit, kiểu mã bù 2
• Tốc độ lấy mẫu 105MSPS
• Trở kháng vào 50 Ω cho tín hiệu tỷ lệ hay lối vào thay đổi vi phân
• Bộ lọc bậc 3 ở lối vào
• Clock ADC có thể thay đổi được



 ADC clock
Mỗi ADC có thể được thiết lập clock trực tiếp bằng tín hiệu LVPECL một cách
độc lập.Tín hiệu LVPECL có thể được điều khiển bằng Virtex-II XC2V80-4CS144 FPGA
(Clock FPGA).Một số các clock có thể dùng trong FPGA:
-Clock 105 MHZ on board bằng tinh thể
-Clock ngoài đưa vào thông qua chuẩn kết nối MCX
-Clock lập trình qua bộ dao động trên KIT
Chú ý rằng bộ ADC (AD6645) chỉ có thể hỗ trợ clock vào lớn nhất lên tới 105 MHZ.Điều
này rất quan trọng nếu muốn sửdụng một trong các clock DIME (Ví dụ như
CLKA,CLKB,CLKC),vì những clock có thể lớn hơn 105 MHz.
c. Các bộ DAC (AD9772A)
Module BenADDA DIME-I sử dụng trong XtremeDSP Development Kit-IV có hai
kênh lối ra tương tự, mỗi kênh có dữ liệu và tín hiệu điều khiển độc lâp tới FPGA.Hai bộ
DAC (AD9772A )cung cấp hai đường dữ liệu mỗi đường 14 bit.Tín hiệu vào và tín hiệu

ra thông qua kết qua kết nối MCX.

Hình 2.5. Sơ đồ tín hiệu qua DAC cho dữ liệu ra tương tự

 Các đặc điểm chính của DAC (AD9772A)
• Cung cấp DAC 14-bit
• Tốc độ dữ liệu lối ra tối đa 160MSPS
• Sử dụng clock LVPECL lối vào lấy từ Virtex-II XC2V80-4CS144 Clock FPGA
• Bộ nhân đồng hồ có vòng khóa pha trong
• Trở kháng lối ra 50 Ω thông qua chuẩn kết nối MCX.
 DAC clock
Mỗi DAC có thể được clock trực tiếp , độc lập thông qua tín hiệu LVPECL.Tín
hiệu LVPECL có thể được điều khiển bởi Virtex-II XC2V80-4CS144 FPGA (Clock
FPGA).Một số các clock có thể sử dụng thông qua clock FPGA:
-Clock 105 MHZ on board bằng tinh thể
-Clock ngoài đưa vào thông qua chuẩn kết nối MCX
-Clock lập trình qua bộ dao động trên KIT
d. Bộ nhớ ZBT SRAM
Bộ KIT cung cấp 2 bộ nhớ độc lập ZBT SRAM .Mỗi bộ có thể cấu hình 512k x 32.Bộ
nhớ này có khả năng lưu dữ liệu trên board thông qua bus dữ liệu 32-bit tới mỗi bộ nhớ.