Bài giảng THIẾT KẾ LOGIC SỐ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Giảng viên:

TS. Nguyễn Ngọc Minh

Điện thoại/E-mail:

84-4- 3351 9391

Bộ môn:

KTĐT-Khoa KTĐT

Học kỳ/Năm biên soạn: Kỳ 1/2012
www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 1


Giới thiệu môn học
• Tên môn học: Thiết kế logic số
• Số đvht:
4
• Phân bố thời gian:

–
–
–
–

Giảng lý thuyết
: tiết
Kiểm tra
: tiết
Thực hành, thực tập : BT lớn
Tự học : 80 giờ

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 2


Kiến thức môn học
• Môn học cung cấp cho sinh viên phương pháp
mô tả, thiết kế theo cấu trúc, RTL và hành vi các
hệ thống số dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng
• thiết kế mạch số tổ hợp
• thiết kế mạch số tuần tự
• máy trạng thái,
• hazard, phát hiện lỗi,...
• thử nghiệm thiết kế các hệ thống số sử dụng
những cấu kiện logic khả trình như CPLD,
FPGA.

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 3


Các công cụ
•
•
•
•
•
•

Xilinx ISE
Xilinx Webpack
Actel Libero
Altera Quartus
Modelsim
Các kít phát triển CPLD và FPGA

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 4


Trọng số các loại điểm kiểm tra:

•
•
•
•

Chuyên cần: 10%
Kiểm tra: 10%
Bài tập: 10%
Thi kết thúc
:70%

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 5


Tóm tắt nội dung
• CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ HỆ
THỐNG SỐ
• CHƯƠNG 2 – CẤU KIỆN LOGIC KHẢ TRÌNH (PLD).
• CHƯƠNG 3 – CĂN BẢN VỀ NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN
CỨNG VHDL
• CHƯƠNG 4 – PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LOGIC
DÙNG VHDL
• CHƯƠNG 5 – THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG SỐ ỨNG
DỤNG DÙNG VHDL

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 6


Tài liệu tham khảo
•
•
•
•
•
•
•
•

[1]. Volnei A. Pedroni, Circuit Design with VHDL, Massachusetts Institute of
Technology, 2004.
[2]. Pong P. Chu, RTL Hardware Design using VHDL – Coding for Efficiency,
Portability, and Scalability”, Wiley, ISBN 978-0-471-72092-8, 2006
[3] M. Morris Mano, Digital Design, Third Edition, Prentice Hall, 2002
[4]. VHDL for Programmable Logic by Kevin Skahill, Addison Wesley, 1996
[5]. The Designer's Guide to VHDL by Peter Ashenden, Morgan Kaufmann,
1996.
[6]. Analysis and Design of Digital Systems with VHDL by Dewey A., PWS
Publishing, 1993..
[7] Tài liệu các hãng, các phần mềm thiết kế mạch logic số, các dòng chip
của: Xilinx, Altera, Actel,…
[8] Tài liệu các hãng, các phần mềm thiết kế điện tử của: Altium, Cadence,
Mentor Graphic, Proteus,…

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 7


CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG
•
•
•
•
•
•
•
•

Giới thiệu chung
Quy trình phát triển hệ thống điện tử
Mô hình kiến trúc và các mức thiết kế hệ thống số
Tổng quan về các công nghệ thực hiện hệ thống số
Quy trình thiết kế vi điện tử
Vai trò của thiết kết vi điện tử sử dụng HDL
Lưu đồ thiết kế vi điện tử dùng HDL
Các phần mềm EDA hỗ trợ thiết kế logic dùng HDL

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 8


1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
• Hệ thống số đang là trung tâm của các hệ thống
điện tử.
• Mọi phát triển hiện nay đều dựa vào công nghệ
số.
• Trang bị kiến thức và kỹ năng thiết kế hệ thống
số là rất quan trọng đối với kỹ sư điện tử

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 9


1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
• Các phương thức nền tảng cho phát triển hệ thống số:
– Phát triển trên cơ sở rút gọn hàm logic, bảng trạng thái, máy
trạng thái, dùng các cấu kiện logic chuẩn chức năng cố định.
– Phát triển trên cơ sở dùng các hệ vi xử lý, vi điều khiển, bộ xử lý
tín hiệu số, và thực hiện ghép nối máy tính.
– Phát triển hệ thống số trên cơ sở thiết kế logic số:
• Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL mô tả được hệ thống số
cần thiết kế
• Thực hiện tổng hợp và thực hiện chúng trên các cấu kiện logic khả
trình PLD

• Hoặc chuyển sang các mức thiết kế vật lý, layout và thực hiện trên
các vi mạch số VLSI

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 10


• môn học Thiết kế logic số chủ yếu tập trung vào
hướng thứ 3
• là phương pháp thiết kế phổ biến
• phương pháp thiết kế trọng tâm mà sinh viên sử
dụng để phát triển các hệ thống số là Thiết kế
logic dùng HDL
• đòi hỏi SV phải có kiến thức nền tảng tổng hợp
tốt của cả hai hướng trên
• đòi hỏi SV phải có hiểu biết về hoạt động của
đối tượng được thiết kế

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 11


1.2 QUY TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ
• được thưc hiện trên cơ sở phát triển các hệ thống con

và ghép chúng với nhau
• chú ý ba điểm như sau trong quá trình thiết kế:
– Luôn luôn sử dụng chung:
– Không bao giờ từ bỏ bất cứ điều gì để thay đổi:
– Hầu hết có nhiều hơn một cách để giải quyết một vấn
đề

•

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 12


1.2 QUY TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ
• Quy trình phát triển một hệ thống số là quá trình
một thiết kế được phát triển từ những ý tưởng
ban đầu đến sự hiện thực hóa được một sản
phẩm.
• Quá trình phát triển một sản phẩm hệ thống số
có thể tiếp cận theo một trong hai hướng sau:
– Quy trình phát triển tuần tự
– Quy trình phát triển song song

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 13


1.2.1 Quy trình phát triển tuần tự
•
•
•
•
•

Xác định yêu cầu sản phẩm: Xác định các yều cầu,
tham số kỹ thuật cần phát triển cho sản phẩm.
Thiết kế: Tạo ra thiết kế ban đầu
Kiểm tra thiết kế: Kiểm tra chức năng của thiết kế ban
đầu có đúng yêu cầu không?
Chế mẫu: Tạo ra sản phẩm mẫu vật lý của thiết kế và
kiểm tra hoạt động của mẫu theo yêu cầu thiết kế.
Kiểm tra mẫu: Xác định xem liệu chức năng của thiết
kế có như kỳ vọng hay không và kiểm tra xem có xuất
hiện những vấn đề của thiết kế mà cần được giải
quyết hay không?

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 14


1.2.1 Quy trình phát triển tuần tự

•

•
•
•

Thiết kế lại: Dựa vào những vấn đề đã phát hiện ở
bước trên, thực hiện thiết kế lại sản phẩm để giải
quyết những vấn đề đó
Kiểm tra lại thiết kế: Kiểm tra chức năng của thiết kế
mới có đúng yêu cầu không?
Sản xuất sản phẩm: Khi thiết kế đã được kiểm tra
thành công, thì có thể sản xuất hoạt loạt sản phẩm
Kiểm tra sản phẩm: Các sản phẩm đã được sản xuất
dược kiểm tra để phát hiện lỗi xuất hiện trong quá
trình sản xuất.

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 15


1.2.2 Quy trình phát triển song song
• Các bước có thể tiến hành song song.
• mỗi bước từ ý tưởng thiết kế đến bước sản xuất
và kiểm tra được liên kết với nhau, cho phép
thông tin được chuyển qua lại giữa các bước
• Toàn bộ quá trình có cấu trúc dàn dàn trải

• cho phép nhiều vấn đề được giải quyết cùng
nhau
•

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 16


1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ THỰC
HIỆN HỆ THỐNG SỐ
• Sử dụng cấu kiện chuẩn
– Sử dụng cấu kiện logic chuẩn có ứng dụng/chức năng cố
định:
• các IC số chức năng cố định, công nghệ này có 2 họ cấu
kiện logic điển hình là TTL và CMOS.
• Chức năng của mỗi cấu kiện là cố định do nhà sản xuất tạo
ra
• người sử dụng chỉ thực hiện kết nối chúng với nhau để xây
dựng mạch ứng dụng

– Sử dụng lập trình để phát triển ứng dụng: Sử dụng các IC
số chức năng đa dụng
• Lập trình phần mềm: Phát triển hệ thống số dựa trên các

hệ vi xử lý hoặc vi điều khiển đa dụng, hoặc Bộ xử lý tín hiệu
số (DSPs)
• Lập trình/Cấu hình phần cứng :Phát triển hệ thống số dựa

trên lập trình phần cứng để cấu hình cho các cấu kiện logic
khả trình (PLD)

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 17


PLD (programble logic device)
• là một chip LSI có chứa nhiều cấu trúc logic
đồng nhất và các kết nối khả trình
• cho phép nhà thiết kế tạo tuỳ biến cho nó để
dùng cho bất kỳ ứng dụng đặc biệt nào,
• tức là nó có thể được người dùng lập trình lại
cấu hình phần cứng để thực hiện một chức năng
cần thiết cho ứng dụng của họ

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 18


Ưu điểm của PLD
•
•
•

•
•
•
•
•
•

Thời gian thiết kế ứng dụng ngắn.
Chi phí phát triển thấp.
Giảm thiểu được yêu cầu khoảng trống trên bảng mạch.
Giảm thiểu được yêu cầu về điện.
Bảo đảm tính bảo mật của thiết kế.
Tốc độ chuyển mạch nhanh hơn.
Mật độ tích hợp cao.
Chi phí sản xuất số lượng lớn thấp.
PLD cũng cho phép nhà thiết kế có nhiều phương tiện
linh động, có thể được lập trình lại trong vài giây

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 19


Công nghệ ASIC
• Công nghệ ASIC (Application specific Integrated
Circuit):
– Có 2 loại: Gate Arrays và Standard Cell
– Gate Arrays :

• cấu tạo từ mảng các logic cell cố định đã được sản xuất
trước.
• Mỗi logic cell gồm có vài cổng logic hoặc một Flip-Flop.
• Cần có một bước sản xuất cuối cùng để thực hiện tạo ra lớp
kết nối các logic cell này theo mẫu kết nối đã được tạo ra bởi
người sử dụng khi thực hiện một thiết kế xác định.

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 20


– Standard Cell: không có cấu trúc cố định
• nhà sản xuất tạo ra mặt nạ riêng để xây dựng IC dựa vào
những lựa chọn linh kiện của người sử dụng như các bộ
điều khiển, ALU, RAM, ROM, vi xử lý... từ thư viện standard
cell mà nhà sản xuất đã đưa ra.

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 21


Các công nghệ Logic số

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 22


3.Công nghệ thiết kế vi mạch số mật độ tích
hợp lớn
• Công nghệ thực hiện việc thiết kế vi mạch số ở
mức Transistor trên bề mặt của tinh thể bán dẫn,
• cho phép tạo ra vi mạch có chức năng mong
muốn,
• thường sử dụng để thiết kế các vi mạch đa
dụng có tính năng mạnh, và có phạm vi ứng
dụng lớn

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 23


Công nghệ SoC (System on Chip)
• Hệ thống trên một vi mạch, là một khái niệm
dùng để chỉ các hệ thống được xây dựng trên ý
tưởng tích hợp tất cả các thành phần của một
hệ thống máy tính lên trên một vi mạch đơn
• Hệ thống trên một vi mạch có thể bao gồm các
khối chức năng số, tương tự, tín hiệu kết hợp

(mixed-signal) và cả các khối tần số radio (RF).
• Ứng dụng điển hình của các hệ thống trên một
vi mạch là các hệ thống nhúng

www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 24


So sánh chung giữa các công nghệ logic số
• Các sự khác biệt
– Sự phức tạp khi sử dụng,
– thời gian thiết kế,
– cũng như độ phức tạp của ứng dụng.

• VLSI và SoC :
– có thể mất tới vài năm cho việc thiết kế và kiểm tra.
– này phù hợp cho việc phát triển những loại cấu kiện có số lượng
cao,hiệu năng cao nhất, đa dụng nhất

• ASIC:
– Giá thành và thời gian phát triển sản phẩm giảm hơn công nghệ
VLSI,
– tuy vậy vẫn cần thời gian và chi phí phát triển cho công đoạn
sản xuất cuối cùng ở nhà máy
– này thích hợp với phát triển các sản phẩm có số lượng và thời
gian sử dụng lớn
www.ptit.edu.vn

Thiết kế logic số

Trang 25