Bài giảng Thiết kế logic số (VLSI design) - Chương 1: Kiến thức chung về vi mạch số

Thiết kế logic số (VLSI design) 
Bộ môn KT Xung, số, VXL 
quangkien82@gmail.com 
https://sites.google.com/site/bmvixuly/thiet-ke-logic-so 
08/2012 
1.Thiết kế về mặt logic (chức năng) các khối vi mạch số cỡ vừa và cỡ lớn (LSI, VLSI) 
Đúng chức năng 
Có khả năng hiện thực hóa bằng vi mạch thật (Synthesizeable) 
2. Ứng dụng công nghệ FPGA để hiện thực hóa các thiết kế. 
Cách thức hiện thực hóa thiết kế trên FPGA – phần mềm tự động thiết kế. 
Cách thức tổ chức phần cứng cho FPGA để có thể đưa thiết kế vào ứng dụng thực tiễn. 
Mục đích & nội dung 
2 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Bài toán thiết kế vi mạch số 
Simple digital circuit (SSI, MSI) 
3 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Bài toán thiết kế vi mạch số 
Digital embedded system 
4 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Bài toán thiết kế vi mạch số 
Mức độ tích hợp: LSI, VLSI , SoC (vài ngàn đến hàng tỷ transitor). 
5 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Bài toán thiết kế vi mạch số 
Điều kiện làm việc 
	- Worst case (Temperature, EMF, pressure) 
	- Real-time computing 
6 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Bài toán thiết kế vi mạch số 
Khả năng tính toán: (Mflops –> Tflops), ASIC có thể thay thế hệ máy tính trong giải quyết những bài toán ứng dụng cụ thể. 
7 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
VLSI example: PU design 
8 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Chương I 
Các kiến thức chung (nhắc lại từ Điện Tử Số) 
HDL & Automation Design 
IC khả trình 
Chương II 
Ngôn ngữ VHDL 
Kỹ năng TK: Các khối MSI, SSI đơn giản đã biết trong ĐTS: cộng, dịch, thanh ghi, đếm FSM 
Chương III 
Các thuật toán và sơ đồ để thiết kế một số khối LSI thông dụng 
Kỹ năng TK: Các khối LSI, VLSI: CLA, nhân, chia số nguyên, số thực, có dấu và không dấu, Memory, cấu trúc CPU đơn giản. 
Bài tập lớn môn học 
Chương IV 
Công nghệ FPGA 
Thiết kế FPGA trên ISE 
Thiết kế hệ nhúng bằng FPGA 
Kỹ năng TK: Hiện thực hóa thiết kế ở các chương trứoc trên FPGA, lập trình giao tiếp bằng VHDL cho các ngoại vị đơn giản : UART, PS/2, I2C, SPI, VGA/LCD. 
Nội dung môn học 
9 /10 
Chương IV : Thiết kế mạch số trên FPGA quangkien82@gmail.com 
Tài liệu tham khảo 
Giáo trình Thiết kế logic số- Trịnh Quang Kiên, Lê Xuân Bằng HVKTQS -12-2011 
Lê Xuân Bằng - Kỹ thuật số (Tập 1) - NXB Khoa học kỹ thuật – Năm 2008 
Đỗ Xuân Tiến - Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly –NXB Khoa học kỹ thuật – Năm 2002 
Nguyễn Thúy Vân - Thiết kế logic mạch số - NXB Khoa học kỹ thuật - Năm 2005 
Nguyễn Linh Giang - Thiết kế mạch bằng máy tính –NXB Khoa học kỹ thuật - Năm 2005 
IEEE VHDL standard reference 2002 – Năm 2002 . 
Milos D. Ercegovac and Tomas Lang - Digital Arithmetic - San Francisco Morgan Kaufmann Publishers - 2004 
Douglas L Perry - VHDL Programming by Example 4th Edition - 2002 
INTERNET 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
S . S. Limaye Digital Design with VHDL – 2002 
Enoch O. Hwang - Microprocessor Design Principles and Practices with VHDL - 2004 
Mark Balch - Complete digital design - 2003 
Behrooz Parhami - Computer Arithmetic Algorithms and Hardware Designs – Oxford University Press - 2000 
Wakerly J.F - Digital design principles and practices - 1999 
Wai-Kai Chen - The VLSI Handbook, 2 nd Edition - University of Illinois - 2007 
Uwe Meyer-Baese -Digital Signal Processing with FPGA – Springer - 2007 
Xilinx - Spartan-3 Generation FPGA User Guide (ug331.pdf) 
Xilinx - Spartan-3E FPGA Family Datasheet (ds312.pdf) 
MIPS Technology - MIPS Instruction Set Reference Vol I - 2003 
Xilinx - Spartan 3A/3AN Starter Kit User Guide (ug334.pdf ) 
10 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Chương mở đầu 
Nội dung : Các khái niệm chung về vi mạch số. Các công nghệ thiết kế vi mạch số. Giới thiệu về các IC khả trình dạng SPLD. 
Thời lượng : 3 tiết bài giảng, không có thực hành. 
11 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Transitors 
TTL (BJT) 
MOSFET 
CMOS 
12 
Kiến thức chung về vi mạch số 
12 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
VLSI 
(~1000 000) 
LSI 
(~100 000) 
MSI 
(500) 
SSI 
(~50 
Kiến thức chung về vi mạch số 
Phân loại IC theo mật độ tích hợp 
13 
13 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-Logic gates. 
14 
Kiến thức chung về v i mạch số 
NOT gate (CMOS) 
Timing parameters of NOT gate 
14 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-Latch & Flip-flops 
15 
Kiến thức chung về v i mạch số 
15 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-Mạch tổ hợp 
Kiến thức chung về v i mạch số 
T 1 = T NOT + T AND_4 + T NOR + T AND_3 + T OR_2 + T Wire1 
T 2 = T NOT + T AND + T OR_4 + T AND_4 + T OR_4 + T Wire2 
16 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-Mạch tuần tự (dãy) – RTL 
Kiến thức chung về v i mạch số 
 T clk_min = T clk-q + T d2 + T sb + T skew 
17 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
- Các phương pháp mô tả vi mạch số 
Kiến thức chung về vi mạch số 
18 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Chương mở đầu: Kiến thức chung về vi mạch số 
Digital Design 
Manual Design 
74xx series 
40xx seriess 
Discrete component 
Automation Design 
PLD base 
SPLD 
PAL 
GAL 
PLA 
PROM 
CPLD 
FPGA 
Semi-custom ASIC 
Full custom ASIC 
Các dạng TK số 
19 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Chương mở đầu: Giới thiệu các IC khả trình 
PROM - 1956 
20 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
PAL, GAL -1970 
Chương mở đầu: Giới thiệu các IC khả trình 
21 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-Macrocell 
Giới thiệu các IC khả trình 
22 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-PLA -1975 
Giới thiệu các IC khả trình 
23 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-CPLD (MAX5000, XC9500) 
Giới thiệu các IC khả trình 
24 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
-FPGA – 1984 Xilinx 
Giới thiệu các IC khả trình 
25 /25 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Trắc nghiệm 
Câu 1: Những mục đích chính của môn học “Thiết kế logic số” 
Thiết kế chức năng cho các mạch số 
Thiết kế các vi mạch tích hợp mật độ cao 
Thiết kế các hệ thống số phức tạp trên FPGA 
Thiết kế về mặt chức năng cho các khối số và hiện thực hóa thiết kế trên công nghệ FPGA 
26 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Câu 2: Phần tử logic cơ bản tạo nên các mạch số là: 
Transitor 
Cổng logic 
Phần tử nhớ và các cổng logic 
Mạch tổ hợp và mạch dãy 
27 
Trắc nghiệm 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Câu 3: Lý do chính phương pháp mô tả mạch số bằng ngôn ngữ HDL ưu việt hơn các phương pháp khác : 
Thiết kế lưu trữ với dung lượng nhỏ và phổ biến 
Thiết kế được những khối số lớn và phức tạp, hoạt động ở tốc độ cao. 
Dễ tổ chức và kiểm tra với những thiết kế phức tạp bằng các công cụ hỗ trợ Thiết kế tự động (CAD Tools) 
Dễ học và dễ sử dụng với sự hỗ trợ của máy vi tính 
28 
Trắc nghiệm 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com 
Câu 4: Nguyên lý xây dựng PROM và các IC khả trình loại SPLD là : 
Ma trận cổng AND và ma trận cổng OR khả trình 
Ma trận cổng AND khả trình và ma trận cổng OR cố định 
Ma trận cổng AND và ma trận cổng OR khả trình 
Mọi hàm logic đều biểu diễn dưới dạng chuẩn tắc tuyển hoặc chuẩn tắc hội 
29 
Trắc nghiệm 
Chương I : Kiến thức chung về vi mạch số quangkien82@gmail.com