Tổng quan về hdl, vhdl, verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 TỔNG QUAN VỀ HDL, VHDL, VERILOG VÀ THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG 6 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HDL VERILOG. 6 1.1. Giới thiệu về HDL và verilog:. 6 1.1.1. Lịch sử phát triển HDL: 6 1.1.2. Giới thiệu về HDLs: 7 1.1.3. Verilog HDL: 7 1.2. Ngôn ngữ đặc tả phần cứng (HDL):. 8 1.3. Phương pháp luận thiết kế HDL:. 9 1.3.1. Design spelification ( thiết kế ý niệm):. 10 1.3.2. Thiết kế phân hoạch ( design partition):. 11 1.3.3. Design Entry:. 12 1.3.4. Mô phỏng và kiểm tra chức năng ( Simulation and function verification). 12 1.3.5. Thiết kế tích hợp và kiểm tra ( design integration and verification). 13 1.3.6. Presynthesis Sign – off:. 13 1.3.7. Tổng hợp mức cổng và ánh xạ công nghệ (Gate – level synthesis and technology mapping) 13 1.3.8. Thiết kế sau tổng hợp ( Post – synthesis design validation):. 14 1.3.9. Kiểm tra thời gian sau tổng hợp ( Post – synthesis timing verification):. 15 1.3.10. Kiểm tra sản phẩm và mô phỏng lỗi ( test generation and fault simulation). 16 1.3.11. Sắp đặt và nối dây ( placement ang routing). 16 1.3.12. Kiểm tra vật lý và điện ( Physical and electrical design rule checks). 17 1.3.13. Loại bỏ ký sinh ( Parasitic extraction). 17 1.3.14. Design sign – off:. 17 1.4. Mô hình cấu trúc và mô hình hành vi trong HDLs:. 18 1.5. Những nguy hiểm trong thiết kế Verilog:. 18 1.6. Mô hình cấu trúc cho mạch luận lý tổ hợp:. 19 1.6.1. Mô hình mạch tổ hợp. 19 1.6.2. Mô hình cấu trúc mạch tổ hợp. 19 1.6.3. Verilog primitives. 20 1.6.4. Mô hình cấu trúc trong Verilog. 21 1.6.5. Module ports. 22 1.6.6. Quy tắt trong Verilog. 22 1.6.7. Thiết kế từ trên xuống (top-down). 22 1.6.8. Binary full adder. 23 1.6.9. Thiết kế phân cấp và tổ chức mã nguồn. 23 1.6.10. Mạch cộng 16-bit ripple carry. 24 1.6.11. Cây phân cấp mạch cộng 16-bit ripple carry. 25 1.6.12. Hiện thực mạch cộng 16-bit ripple carry. 25 1.6.13. Vectors trong Verilog. 26 1.7. Mô phỏng luận lý, kiểm chứng thiết kế và phương pháp luận kiểm tra. 26 1.7.1. Các giá trị luận lý trong Verilog. 26 1.7.2. Phương pháp luận kiểm tra. 27 1.8. Thời gian trễ truyền lan. 28 1.8.1. Thời gian trễ truyền lan. 28 1.8.2. Các loại trễ lan truyền. 29 1.9. Mô hình bảng sự thật cho mạch luận lý tổ hợp và tuần tự với verilog. 29 1.9.1. Bảng sự thật trong verilog. 29 PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VHDL. 30 2.1. Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL. 30 2.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL. 32 2.2.1. Thực thế (entity) của mô hình. 32 2.2.2. Kiến trúc của mô hình. 34 PHẦN III: THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG 36 3.1. Ví dụ 1: Thiết kế mạch giải mã 3 sang 8. 37 3.2. Ví dụ 2 : Thiết kế mạch giải mã 4 sang 16. 43 KẾT LUẬN 48 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay các mạch tích hợp ngày càng thực hiện được nhiều chức năng hơn, do đó chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống như dùng tối thiểu hoá hàm Boolean hay dùng sơ đồ các phần tử không còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Hơn nữa các mạch thiết kế ra yêu cầu phải được thử nghiệm kỹ lưỡng trước khi đưa vào chế tạo hàng loạt. Mặt khác cần phải xây dựng một bộ tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu và thống nhất. Chúng ta đã làm việc với một số chương trình phần mềm hỗ trợ cho việc thực hiện mô tả mạch hay hiểu được cách thiết kế mạch. Ví dụ: Proteus, HDL,VHDL, Verilog Trong phần này chúng ta sử dụng hai ngôn ngữ phần cứng chuẩn công nghiệp là VHDL và Verilog. Cả hai ngôn ngữ này đều được sử dụng rộng rãi và đã được IEE chấp nhận. Dưới đây là bài viết : “Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng Verilog”. Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu một cách tổng quan nhất về HDL, VHDL, Verilog và biết cách thiết kế một bộ giải mã sử dụng Verilog, thông qua phần mềm Quatus II.

doc50 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 30/06/2013 | Lượt xem: 3679 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tổng quan về hdl, vhdl, verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Hà Nội 01- 2012 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ YYYYY YYYYY THỰC TẬP NÂNG CAO HDL Đề Tài: Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog Giảng viên hướng dẫn : Chử Đức Hoàng Sinh viên thực hiện : Phạm Tiến Đại Vũ Xuân Đạo Lê Tuấn Đạt Đinh Công Đạt Phùng Tiến Đạt Trần Hữu Long Lớp : Điện Tử 2AHN Nhóm : 6 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay các mạch tích hợp ngày càng thực hiện được nhiều chức năng hơn, do đó chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống như dùng tối thiểu hoá hàm Boolean hay dùng sơ đồ các phần tử không còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Hơn nữa các mạch thiết kế ra yêu cầu phải được thử nghiệm kỹ lưỡng trước khi đưa vào chế tạo hàng loạt. Mặt khác cần phải xây dựng một bộ tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu và thống nhất. Chúng ta đã làm việc với một số chương trình phần mềm hỗ trợ cho việc thực hiện mô tả mạch hay hiểu được cách thiết kế mạch. Ví dụ: Proteus, HDL,VHDL, Verilog…Trong phần này chúng ta sử dụng hai ngôn ngữ phần cứng chuẩn công nghiệp là VHDL và Verilog. Cả hai ngôn ngữ này đều được sử dụng rộng rãi và đã được IEE chấp nhận. Dưới đây là bài viết : “Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng Verilog”. Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu một cách tổng quan nhất về HDL, VHDL, Verilog và biết cách thiết kế một bộ giải mã sử dụng Verilog, thông qua phần mềm Quatus II. TỔNG QUAN VỀ HDL, VHDL, VERILOG VÀ THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HDL VERILOG. Giới thiệu về HDL và verilog: Lịch sử phát triển HDL: ISP (circa 1977) – dự án nghiên cứu CMU (Carnegie Mellon University) Mô phỏng nhưng không tổng hợp Abel (circa 1983) – được triển bởi Data-I/O Mục tiêu dùng cho các thiết bị luận lý khả lập trình Không tốt cho máy trạng thái Verilog ( circa 1985) – phát triển bởi Gateway ( now Cadence) Đặc tả được đưa ra từ 1985 Ban đầu được phát triển cho mô phỏng, tương tự C và Pascal Hiệu quả và dễ viết Berkeley phát triển công cụ tổng hợp vào thập niên 80 Được IEEE chuẩn hóa Verilog standardized (Verilog-1995 standard) Verilog-2001 standard VHDL (circa 1987) - DoD sponsored standard Dưa trên VHSIC phát triển bởi DARPA Tương tự như Ada (Nhấn mạnh vào tái sử dụng và bảo trì) Ngữ nghĩa phỏng mô rõ ràng Rất tổng quát nhưng dài dòng Được IEEE chuẩn hóa VHDL standardized (’87 and ’93) Cấu trúc nghiêm ngặt Giới thiệu về HDLs: HDLs (Hardware Description Languages) Không là một ngôn ngữ lập trình Tựa C Thêm những chức năng mô hình hóa, mô phỏng chức năng. Verilog vs. VHDL Các bước thiết kế bằng HDL Mô tả mạch từ khóa Biên dịch để kiểm tra cú pháp (syntax) Mô phỏng để kiểm tra chức năng của mạch Verilog HDL: Verilog là một ngôn ngữ lớn Có nhiều tính năng cho tổng hợp và mô phỏng phần cứng Có thể biểu diễn những đặc trưng mức thấp Transistor Có thể hoạt động như ngôn ngữ lập trình Cấu trúc lặp Cấu trúc điều khiển…. Các công cụ mô phỏng chấp nhận toàn bộ khái niệm của Verilog Các công cụ tổng hợp công chỉ chấp nhận một phần các khái niệm của Verilog Chỉ tập trung nghiên cứu một phần Sử dụng ở một mức thích hợp Tập trung trên những cấu trúc tổng hợp được Tập trung tránh những cấu trúc gây khi tổng hợp Ngôn ngữ đặc tả phần cứng (HDL): Là ngôn ngữ thuộc lớp ngôn ngữ máy tính ( computer language). Dùng để miêu tả cấu trúc và hoạt động của một vi mạch. Dùng mô phỏng, kiểm tra hoạt động của vi mạch. Biểu diễn hành vi theo thời gian và cấu trúc không gian của mạch. Bao gồm những ký hiệu biểu diễn thời trang và sự đồng thời ( time and concurrence). Ưu điểm: Dễ quản lý những mạch lớn và phức tạp. Uyển chuyển và độc lập với công nghệ. Cho phép tái sử dụng những thiết kế đã có sẵn. Mạch có thể dược tổng hợp tự động từ đặc tả. VerilogTM & VHDL. Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Theo chuẩn IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineerings). Được hỗ trợ bởi các công cụ tổng hợp ASIC (appilcationspecific integrated circuits) và FPGA (field-programmable gate arrays). Phương pháp luận thiết kế HDL: Kiểm tra: thiết kế đã đúng yêu cầu chưa? Ánh xạ đặc tả thành các hiện thực Chức năng: Hành vi I/O Mức thanh ghi (Kiến trúc) Mức lý luận (Cổng) Mức transistor (Điển tử) Timing: Waveform Behavior Dưới đây là lưu đồ thiết kế ASICs bằng HDL: Design spelification ( thiết kế ý niệm): Đặc tả chi tiết: Chức năng. Thời gian. Năng lượng tiêu hao. Biểu diễn: Đồ thị trạng thái ( state transation graph). Máy trạng thái (algorithmic state machine). Ngôn ngữ cấp cao: system C , superLog… Thiết kế phân hoạch ( design partition): Mạch lớn được phân chia thành các mạch nhỏ hơn. Mỗi mạch nhỏ này được đặc tả bằng HDL. Mỗi mạch nhỏ có thể được tổng hợp trong thời gian chấp nhận được. Phương pháp thiết kế từ trên xuống ( top – down design/ hierarchical design). Design Entry: Đặc tả thiết kế theo một dạng chuẩn Ngày nay dùng HDL. Mô hình hành vi (behavioral modeling). Được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Chỉ ra mạch sẽ thực hiện chức năng gì. Không cần chỉ ra xây dựng phần cứng như thế nào. Các bước thiết kế dùng mô hình hành vi: Tạo hành vi nguyên mẫu cho thiết kế. Kiểm tra chức năng: Sử dụng những công cụ tổng hợp tối ưu và ánh xạ thiết kế vào một công nghệ. Mô phỏng và kiểm tra chức năng ( Simulation and function verification). Quay về bước 3 nếu phát hiện lỗi. Ba bước tiến hành kiểm tra. Lập kế hoạch kiểm tra: chức năng nào cần kiểm tra và kiểm ra thế nào? Thiết kế mẫu kiểm tra ( testbench). Thực hiện kiểm tra. Thiết kế tích hợp và kiểm tra ( design integration and verification) Các mạch nhỏ được tích hợp lại và kiểm tra Chức năng: Cần có các testbench riêng kiểm tra chức năng ngõ nhập – xuất hoạt động của bus… Đây là bước quyết định và phải được thực hiện hoàn hảo để đảm bảo tính đúng đắn của quá trình tổng hợp. Presynthesis Sign – off: Bảo đảm tất cả các chức năng được thể hiện trong testbench. Bảo đảm những khác biệt giữa các chức năng biểu diễn bằng mô hình hành vi và thiết kế được giải quyết hoàn toàn. Sign – off được thực hiện sau khi tất cả các lỗi chức năng đã giải quyết xong. Tổng hợp mức cổng và ánh xạ công nghệ (Gate – level synthesis and technology mapping) Sử dụng công cụ tổng hợp để tạo ra biểu diễn luận lý tối ưu và thực hiện theo một công nghệ hiện có. Công cụ tối ưu loại bỏ những dư thừa và giảm diện tích mạch logic cần dùng để thực hiện. Kết quả sẽ được ánh xạ vào một FPGA: Netlist. Cơ sở dữ liệu. Thiết kế sau tổng hợp ( Post – synthesis design validation): Bộ so sánh được thực hiện bằng phần mềm hoặc bằng đồ họa. Tìm hiểu và giải quyết sự khác biệt một cách cẩn thận. Verilog behavioral description: Phần mô tả hành vi của verilog. Logic Synthesis: logic tổng hợp. Gate – level description: Phần mô tả mức cổng. Stimulus generation: máy kích thích. Testbench for post – synthesis design validation: Mẫu kiểm tra cho thiết kế sau tổng hợp. Response Comparation: Đáp ứng lại sự so sánh. Check signal: Kiểm tra tín hiệu. Kiểm tra thời gian sau tổng hợp ( Post – synthesis timing verification): Thời gian trên mạch phải phù hợp với thiết kế trên những đường then chốt (critical path). Bước này được lặp lại sau bước loại bỏ điện dung không mong muốn ( parasitic extraction) Thực hiện tổng hợp lại nếu thời gian không phù hợp với thiết kế. Thay đổi kích thước transitor. Thay đổi kiến trúc mạch. Thay đổi công nghệ. Kiểm tra sản phẩm và mô phỏng lỗi ( test generation and fault simulation). Sau khi chế tạo mạch tích hợp phải được kiểm tra tính đúng đắn ( lỗi sản xuất – không phải lỗi thiết kế). Có thể dùng lại những mẫu kiểm tra mô hình hành vi để kiểm tra sản phẩm sau khi chế tạo. Mô phỏng lỗi là quyết định một tập hợp các mẫu dùng để kiểm tra có các lỗi này hay không -> sử dụng phần mềm tạo thêm các mẫu thử. Sắp đặt và nối dây ( placement ang routing). Sắp xếp các linh kiện (cell) lên một vùng giới hạn và kết nối các đường tín hiệu giữa chúng. Chèn tín hiệu clock vào mạch sao cho không xảy ra lệch xung clock ( clock skew). Kiểm tra vật lý và điện ( Physical and electrical design rule checks). Layout vật lý của thiết kế phải được kiểm tra các ràng buộc. Độ dày vật liệu ( material width) Chồng lấp ( overlap) Tách biệt ( separation) + Kiểm tra điện: Fan – out Các tín hiệu không trỗn lẫn với nhau (compromise). Nhiễu. Tiêu hao năng lượng. Loại bỏ ký sinh ( Parasitic extraction) Điện dung ký sinh ( Parasitic capacitance) Không có trong thiết kế Ảnh hưởng xấu đến hoạt động của mạch Làm giảm băng thông Sử dụng phần mềm để tạo ra các kiểm tra chính xác về các đặc tính điện và thời gian ( electrical characteristics and timing performance). Design sign – off: Các ràng buộc được thỏa mãn. Đặc tả bao gồm hình dạng hình học cho quá trình sản xuất. Các tài nguyên được mở rộng để chip sản xuất ra thỏa mãn thiết kế về hiệu suất và chức năng. Mô hình cấu trúc và mô hình hành vi trong HDLs: Cấu trúc (Structural) chỉ tra cấu trúc phần cứng thật sự của mạch Mức trừu tượng thấp Các cổng cơ bản ( ví dụ and, or, not) Cấu trúc phân cấp thông qua các module Tương tự lập trình hợp ngữ Hành vi (Behavioral) chỉ ra hoạt động của mạch trên các bits Mức trừu tượng cao hơn Biểu diễn bằng các biểu thức (ví dụ out = (a & b) | c) Không phải tất cả các đặc tả hành đều tổng hợp được Không sử dụng: + - * / % > >= > << Những nguy hiểm trong thiết kế Verilog: Chương trình tuần tự, bộ tổng hợp có thể sẽ phải thêm phần nhiều chi tiết cứng Cần một bộ priority encoder Nếu song song những chương trình song, có thể có trạng thái không xác định Nhiều khối “always”, khối nào thực thi trước? Tạo ra nhiều trạng thái không dự dịnh trước if (x == 1) out = 0; if (y == 1) out = 1; // else out retains previous state? R-S latch! Không tính trước được số phần tử phần cứng x = x + 1 có thể cần RẤT NHIỀU phần tử phần cứng Mô hình cấu trúc cho mạch luận lý tổ hợp: Mô hình mạch tổ hợp Một mô hình Verilog của một mạch tóm tắt các mô tả chức năng bằng góc nhìn cấu trúc hay hành vi trên những mối quan hệ ngõ vào-ngõ ra Một mô hình cấu trúc là một cấu trúc kết nối (netlist) chứa Các cổng Các khối chức năng Một mô hình hành vi là Các biểu thức Boolean đơn giản Mô hình chuyển đổi mức thanh ghi ( Register Transfer Level – RTL) Một giải thuật Mô hình cấu trúc mạch tổ hợp Thiết kế cấu trúc tương tự như tạo ra một sơ đồ (schematic) Schematic Hình biểu diễn cổng logic, Ngõ vào ra, Các đường kết nối giữa các cổng. Mô hình cấu trúc HDL Danh sách các cổng cơbản và kết nối giữa chúng Các phát biểu chỉ ra ngõ vào-ra Verilog primitives Primitives là các đối tượng cơ bản có thể được sử dụng trong thiết kế 26 đối tượng chức năng được định nghĩa trước Mô hình cấu trúc trong Verilog Module Ví dụ: Module ports Giao tiếp với “môi trường” bên ngoài Kiểu của port quyết định chiều truyền liệu Một chiều (Unidirectional) input output Hai chiều (Bidirectional) inout Kiểu của module port phải được khai báo tường minh và không cần theo thứ tự xuất hiện trong port list Quy tắt trong Verilog Phân biệt chữ hoa thường (Case sensitive) Identifier: a-z, A-Z, 0-9, ‘_’ và ‘$’ Tên biến không được bắt đầu bằng ‘$’ hay ký số và có thể tối đa là 1024 ký tự Một phát biểu được kết thúc bằng ‘;’ Chú thích ‘//’ một dòng chú thích /*…*/ chú thích nhiều dòng Các identifiers có phạm vi nhất định Có thể viết các phát biểu trên một dòng hay nhiều dòng Thiết kế từ trên xuống (top-down) Hệ thống phức tạp được phân chia thành những đơn vị chức năng nhỏ hơn Dễ thiết kế Dễ kiểm tra Các module lồng nhau trong Verilog hỗ trợ thiết kế từ trên xuống Module tham khảo đến module khác được gọi là module “cha”, module được module khác tham khảo đến gọi là module “con” Độ sâu của các module lồng nhau không giới hạn Mỗi module con phải có tên duy nhất trong phạm vi module cha (trừ các primitives) Binary full adder Thiết kế phân cấp và tổ chức mã nguồn Top-level module là module ở cấp cao nhhất Module ở mức thấp nhất Chứa các primitives Các module không phân chia nhỏ hơn Tất cả các module được đặt trong một hay nhiều tập tin khác nhau Công cụ mô phỏng tích hợp các module từ các tập tin Mạch cộng 16-bit ripple carry Cây phân cấp mạch cộng 16-bit ripple carry. Hiện thực mạch cộng 16-bit ripple carry. Vectors trong Verilog. Một vector được biểu diễn bằng ngoặc vuông chứa dãy liên tiếp các bit sum[3:0] vector sum kích thước 4 bit Bit trái nhất là MSB Bit phải nhất là LSB Có thể truy xuất từng bit hay từng dãy bit trong vector sum[1] bit thứ 2 từ phải sang của sum sum[2:1] bit thứ 2 và 3 từ phải sang của sum sum[4] giá trị x (không xác định) Có thể gán, so sánh 2 vector với nhau Mô phỏng luận lý, kiểm chứng thiết kế và phương pháp luận kiểm tra. Các giá trị luận lý trong Verilog. Phương pháp luận kiểm tra. Kiểm tra mạch thực hiện đúng chức năng Kiểm tra ngẫu nhiên phức tạp và không chính xác Cần lập kế hoạch kiểm tra tỉ mỉ Kiểm tra mạch lớn Kiểm tra tất cả các trường hợp Mạch cộng 16 bit cần kiểm tra 223 trường hợp Kiểm tra phân cấp half_adder full_adder Add_rca_4 cần kiểm tra 29 trường hợp Chọn một số trường hợp để kiểm tra kết nối của các Add_rca_4 trong Add_rca_16 Kiểm tra theo chiều ngược so với cây phân cấp thiết kế Thời gian trễ truyền lan. Thời gian trễ truyền lan. Ngõ vào thay đổi ngõ ra không thay đổi ngay lập tức Các phần tử cơ bản của verilog có thời gian trễ là 0 Các vi mạch thực tế được sản xuất dựa trên các thư viện chuẩn được định nghĩa trước Người thiết kế chỉ quan tâm đến tính đúng đắn của mạch Sử dụng các công cụ tổng hợp để hiện thực các thiết kế thỏa mãn các ràng buộc thời gian ‘timescale / Chỉ thị biên dịch Chỉ ra đơn vị thời gian và độ chính xác thời gian trễ Phải được khai báo trước khi các module Ví dụ: Timecase Các loại trễ lan truyền. Trễ quán tính (inertial delay) Trễ truyền (transport delay) Gây ra do các dây nối 0.033ns/1cm Có thể bỏ qua wire #2 long_wire Mô hình bảng sự thật cho mạch luận lý tổ hợp và tuần tự với verilog. Bảng sự thật trong verilog. Table Ngõ ra phải có kiểu vô hướng (scalar) Dùng kí hiệu ‘?’ thay cho 0, 1, x Thứ tự các cột trong tương ứng với thứ tự trong khai báo input của module Mạch tổ hợp : Mạch tuần tự :: Ngõ ra phải được khai báo kiểu thanh ghi Dùng kí hiệu ‘-’ biểu diễn ngõ ra không thay đổi PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VHDL 2.1. Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL. VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ cao, là một loại ngôn ngữ mô tả phần cứng được phát triển cho chương trình VHSIC ( Very High Speed Itergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ. Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế. VHDL được phát triển như một ngôn ngữ độc lập không gắn với bất kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào. Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương pháp thiết kế trong khi chỉ sử dụng một ngôn ngữ duy nhất. Và khi đem so sánh với các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng khác đã kể ra ở trên ta thấy VHDL có một số ưu điểm hơn hẳn các ngôn ngữ khác: Thứ nhất là tính công cộng: 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. Thứ hai là khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết kế. VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp ví dụ phương pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện sẵn có. VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như sử dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên. Thứ ba là tính độc lập với công nghệ: 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. Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số cho đến mức cổng. VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức. Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết. Thứ năm là khả năng trao đổi kết quả: Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL. Các kết quả mô tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuân theo tiêu chuẩn VHDL. Cũng như một nhóm thiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của các hệ thống con trong một hệ thống lớn (trong đó các hệ con đó được thiết kế độc lập). Thứ sáu là khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế: VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó có thể được sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiều người. Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẻ thiết kế. Và nó cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn. 2.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL. Thông thường một mô hình VHDL bao gồm ba phần: thực thể, kiến trúc và các cấu hình. Đôi khi ta xử dụng các gói( packages) và mô hình kiểm tra hoạt động của hệ thống( testbench). 2.2.1. Thực thế (entity) của mô hình. Phần khai báo thực thể chỉ rõ TÊN của thực thể và liệt kê các lối vào và ra và có dạng chung như sau Entity tên_thực_thể is Generic (khai báo generic); Port (khai báo các tín hiệu vào ra); End tên_thực_thể; Một thực thể luôn bắt đầu với từ khóa entity, theo sau là tên của thực thể và từ khóa is. Rồi đến các khai báo cổng với từ khóa port. Một thực thể luôn kết thúc với từ khóa end và tên của thực thể. Tên thực thể là tên của thực thể do người dùng đặt. Các tín hiệu vào ra: tên của các tín hiệu do người dung đặt, ngăn cách với nhau bởi dấu phẩy, chỉ ra các tín hiệu nối với bên ngoài. Các chế độ của tín hiệu khai báo trong “port”: chỉ ra chiều của tín hiệu, có các mode sau: in: chỉ ra rằng tín hiệu là một tín hiệu vào. out: chỉ ra rằng tín hiệu là một tín hiệu ra khỏi thực thể và chỉ các thực thể khác dùng đến tín hiệu này mới có thể đọc giá trị của nó. buffer: tín hiệu là tín hiệu ra và giá trị của nó có thể được đọc cả ở bên trong thực thể. inout: tín hiệu có thể là tín hiệu vào hoặc tín hiệu ra. Ví dụ 1: ENTITY Adder IS -- declares the generic identifier n having a default value 4 GENERIC (n: INTEGER := 4); PORT ( -- the vector size is 3 downto 0 since n is 4 A, B: IN STD_LOGIC_VECTOR(n-1 DOWNTO 0); Cout: OUT STD_LOGIC; SUM: OUT STD_LOGIC_VECTOR(n-1 DOWNTO 0)); S: OUT STD_LOGIC); END Siren; 2.2.2. Kiến trúc của mô hình. Cấu trúc của nó như sau: ARCHITECTURE tên_architecture OF tên_entity IS [các phần khai báo:signal, component…] BEGIN [code] END tên_architecture; Trong kiến trúc mô hình chúng ta có thể khai báo tất cả mọi thứ liên quan tới chương trình, trong đó có các process, các chương trình con với lời gọi hàm component, và khai báo các signal và các câu lệnh “port map” để kết nối các thành phần con có trong kiến trúc. Nói chung cũng như ngôn ngũ C thì ở đây kiến trúc(architecture) là thân của chương trình của ta. Ví dụ 2 : -- using a FOR-GENERATE statement to generate four instances of the full adder -- component for a 4-bit adder LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY Adder4 IS PORT ( Cin: IN STD_LOGIC; A, B: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); Cout: OUT STD_LOGIC; SUM: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)); END Adder4; ARCHITECTURE Structural OF Adder4 IS COMPONENT FA PORT ( ci, xi, yi: IN STD_LOGIC; co, si: OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; SIGNAL Carryv: STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN Carryv(0) <= Cin; Adder: FOR k IN 3 DOWNTO 0 GENERATE FullAdder: FA PORT MAP (Carryv(k), A(k), B(k), Carryv(k+1), SUM(k)); END GENERATE Adder; Cout <= Carryv(4); END Structural; PHẦN III: THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ DÙNG VERILOG Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1 mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường  ít hơn mã ngõ ra. Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã. Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ, thiết kế bộ cộng. 3.1. Ví dụ 1: Thiết kế mạch giải mã 3 sang 8. Mạch giải mã 3 đường sang 8 đường bao gồm 3 ngõ vào tạo nên 8 tổ hợp trạng thái, ứng với mỗi tổ hợp trạng thái được áp vào sẽ có 1 ngõ ra được tác động. Từ bảng sự thật ta có thể vẽ được sơ đồ mạch logic của mạch giải mã trên Cấu trúc mạch giải mã 3 sang 8 Rút gọn hàm logic sử dụng mạch giải mã : Nhiều hàm logic  có ngõ ra là tổ hợp của nhiều ngõ vào có thể được xây dựng từ mạch giải mã kết hợp với một số cổng logic ở ngõ ra(mạch giải mã chính là 1 mạch tổ hợp nhiều cổng logic cỡ MSI). Mạch giải mã đặc biệt hiệu quả hơn so với việc sử dụng các cổng logic rời trong trường hợp có nhiều tổ hợp ngõ ra. Ví dụ sau thực hiện mạch cộng 3 số X, Y, Z cho tổng là S và số nhớ là C thực hiện bằng mạch giải mã : Giả sử mạch cộng thực hiện chức năng logic như bảng sau : Từ bảng cho phép ta xác định được các tổ hợp logic ngõ vào để S rồi C ở mức cao. S(x, y, z) =  (1,2,4,7) C(x, y, z) =  (3,5,6,7) x y z s c 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 Như vậy sẽ cần 1 cổng OR để nối chung các tổ hợp logic thứ 1, 2, 4, 7 để đưa ra ngõ S.Tương tự ngõ ra C cũng cần 1 cổng OR với ngõ vào là tổ hợp logic thứ 2, 5, 6, 7. Vậy mạch giải mã thực hiện bảng logic trên sẽ được mắc như sau : Phần code mạch giải mã 3 sang 8: module decoder_38 (data , code ,enable); output [7:0] data; input [2:0] code; input enable ; reg [7:0] data; always @(enable & data) begin data=0; if (enable) begin case(code) 0: data = 8'b00000001; 1: data = 8'b00000010; 2: data = 8'b00000100; 3: data = 8'b00001000; 4: data = 8'b00010000; 5: data = 8'b00100000; 6: data = 8'b01000000; 7: data = 8'b10000000; endcase end end endmodule Phần mạch thu được: Phần mạch mô phỏng: 3.2. Ví dụ 2 : Thiết kế mạch giải mã 4 sang 16. Phần code mạch giải mã 4 sang 16: module decoder ( binary_in , // 4 bit binary input decoder_out , // 16-bit out enable // Enable for the decoder ); input [3:0] binary_in ; input enable ; output [15:0] decoder_out ; reg [15:0] decoder_out ; always @ (enable or binary_in) begin decoder_out = 0; if (enable) begin case (binary_in) 4'h0 : decoder_out = 16'h0001; 4'h1 : decoder_out = 16'h0002; 4'h2 : decoder_out = 16'h0004; 4'h3 : decoder_out = 16'h0008; 4'h4 : decoder_out = 16'h0010; 4'h5 : decoder_out = 16'h0020; 4'h6 : decoder_out = 16'h0040; 4'h7 : decoder_out = 16'h0080; 4'h8 : decoder_out = 16'h0100; 4'h9 : decoder_out = 16'h0200; 4'hA : decoder_out = 16'h0400; 4'hB : decoder_out = 16'h0800; 4'hC : decoder_out = 16'h1000; 4'hD : decoder_out = 16'h2000; 4'hE : decoder_out = 16'h4000; 4'hF : decoder_out = 16'h8000; endcase end end endmodule Phần mạch thu được: Phần mạch mô phỏng: KẾT LUẬN Dưới sự hướng dẫn của thầy và qua phần tìm hiểu bài dưới đây chúng em đã có những hiểu biết thêm về “Tổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog “. Bài làm của chúng em có thể còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được chỉ bảo của thầy cũng như những đóng góp từ phía các bạn trong lớp. Mọi ý kiến đóng góp có thể trao đổi trực tiếp trên lớp hoặc xin gửi về địa chỉ: vudao89@gmail.com . Chân thành cảm ơn thầy cùng các bạn!

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docTổng quan về HDL, VHDL, Verilog và thiết kế bộ giải mã dùng verilog.doc
Luận văn liên quan