Khóa luận Thiết kế một máy dao động số có nhớ dựa trên công nghệ FPGA

i Tóm Tắt Nội Dung Khóa Luận Máy hiển thị sóng hay còn gọi là máy dao động số có nhớ (DSO) là một thiết bị không thể thiếu trong đo lường điều khiển. Cùng với sự phát triển của khoa khọc công nghệ mà ngày nay chúng ta có những máy hiện sóng có tính năng rất phong phú và kích thước cũng được giảm xuống đáng kể, bớt cồng kềnh và đặc biệt giá thành lại hạ xuống rất nhiều. Ngày nay công nghệ sản xuất FPGA rất phát triển nên khóa luận này em xin trình bày về cách thiết kế một máy dao động số có nhớ dựa trên công nghệ FPGA. Khóa luận được chia làm hai phần: Phần lý thuyết em xin trình bày một cách tổng quan nhất về công nghệ FPGA, giới thiệu sơ qua về các bước thực hiện trong FPGA. Phần thứ hai em xin trình bày về các loại máy dao động số có nhớ, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy dao động tương tự và máy dao động số có nhớ. Cuối cùng là phần em trình bày về các bước thiết kế một máy dao động số trên FPGA và một số kết quá thu được. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB ii Mục lục CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................................ iv Mở đầu ........................................................................................................................................ 1 Chương 1 .................................................................................................................................... 2 TỔNG QUAN VỀ FPGA .......................................................................................................... 2 1.1 FPGA LÀ GÌ? .................................................................................................................. 2 1.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI FPGA ................................................................................................ 3 1.3. ỨNG DỤNG .................................................................................................................... 3 1.4. CẤU TRÚC MỘT FPGA ................................................................................................ 4 1.4.1 Khối logic FPGA ....................................................................................................... 4 1.4.2 Các phần tử tích hợp sẵn ........................................................................................... 5 1.4.3 Quy trình thiết kế FPGA tổng quát. ........................................................................... 5 1.4.3.1 Mô tả ban đầu về thiết kế.................................................................................... 6 1.4.3.2 Thực thi .............................................................................................................. 8 1.4.3.3 Quá trình Nạp (download) và lập trình (program) .......................................... 10 1.5 TỔNG QUAN VỀ VHDL .............................................................................................. 10 1.5.1 Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL .................................................... 10 1.5.2 Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL ................................................ 12 1.5.2.1 Thực thế (entity) của mô hình .......................................................................... 12 1.5.2.2 Kiến trúc của mô hình ...................................................................................... 13 TỔNG QUAN VỀ OSCILLOSCOP ........................................................................................ 14 2.1 DAO ĐỘNG KÍ ĐIỆN TỬ ...................................................................................... 14 2.2 PHÂN LOẠI OSCILLOSCOP ....................................................................................... 15 2.3 CẤU TRÚC CỦA OSCILLOSCOP ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ ....................................... 16 2.3 CẤU TRÚC CỦA OSCILLOSCOP ĐIỆN TỬ SỐ ....................................................... 17 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ MỘT OSCILLOSCOP SỐ CÓ NHỚ ............................................... 22 3.1 CÁC THÀNH PHẦN TRONG THIẾT KẾ ................................................................... 23 3.1.1.Bộ nhớ ..................................................................................................................... 23 3.1.2 Bộ biến đổi tương tự - số ADC .............................................................................. 25 3.1.4 Điều khiển logic ...................................................................................................... 28 3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT ..................................................................................................... 32 3.2.1 Cấu hình để nạp vào FPGA .................................................................................... 32 3.2.2 Chế độ tiền trigger ................................................................................................... 33 3.2.3 Dò điểm trigger ........................................................................................................ 34 3.3.4 Bộ tạo xung .............................................................................................................. 36 3.3.6 Giao diện logic cổng song song ............................................................................... 37 3.3.7 Điều khiển ADC ...................................................................................................... 38 Chương 4 .................................................................................................................................. 39 CHƯƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN KIT DE2 .......................................................... 39 4.1 TỔNG QUAN VỀ KIT DE2 VÀ CHIP CYCLONE II .................................................. 39 4.2 CHƯƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG ............................................................................. 44 4.2.1. Chương trình chính điểu khiển DSO ...................................................................... 44 4.2.2 Chương trình điểu khiển logic cổng song song ....................................................... 46 Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB iii 4.2.3 Chương trình điểu khiển FIFO ................................................................................ 47 4.2.4 Chương trình tạo dạng xung chia theo tỉ lệ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 ....................... 49 4.2.4 Chương trình dò điểm trigger .................................................................................. 50 Kết luận .................................................................................................................................... 52 PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 53 Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 70 Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB iv CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC : Analog -to- Digital Converter ASIC : Application-Specific Integrated Circuit CPLD : Complex Programmable Logic Device DAC : Digital-to-Analog Converter DRAM : Dynamic Random Access Memory . DSO : Digital Storage Oscilloscop DSP : Digital Signal Processing. E2 : EEPROM. EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory. FIFO : First In First Out FPGA : Field-Programmable Gate Array HDL : Hardware Description Language I/O : Input/Output LAB : Logic Array Block. LE : logic Element. LUT : Look Up Table MAC : Multication and accumulation PC : Personal Computer PLA : Programmable Logic Array RAM : Random Access Memory ROM : Read-Only Memory SPLD : Simple Programable Devices. SRAM : Static Random Access Memory. VHDL : VHSIC hardware description language VHSIC : Very High Speed Itergrated Circuit Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB v WCLK : Write Clock. WE : Write Enable. WRST : Write Reset. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB vi Lời cảm ơn Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội, những người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt bốn năm học vừa qua tại nhà trường. Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thăng Long và CN Phan Văn Minh , những người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường, các thầy đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống, phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em khi ra trường làm việc thực tế. Em xin cảm ơn tới toàn thể cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử - vi hệ thống những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt hai năm qua. Em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Nguyễn Kiêm Hùng cùng toàn thể cán bộ làm việc trong phòng ” các hệ thống tích hợp thông minh” đã chỉ bào và tạo điện kiện cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu FPGA trong phòng. Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt là tập thể lớp K49ĐB, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong suốt những năm qua. Hà nội, ngày 27 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Thông 1 Mở đầu Dao động kí (Oscilloscop) là một thiết bị đo lường điện tử phổ biến nhất hiện nay, không giống như các loại máy đo khác chỉ cho ta các thông số của tín hiệu, Oscilloscop còn cho phép ta quan sát tức thời dạng của tín hiệu. Nhiệm vụ chính của một Oscilloscop là hiển thị một cách thật chính xác, chi tiết dạng tín hiệu dưới dạng hàm số của điện áp và thời gian. Ngoài ra một nhiệm vụ không kém phần quan trọng khác của oscilloscop là so sánh các dạng sóng khác nhau và đo lường mối quan hệ về thời gian và pha giữa chúng. Có thể nói quá trình phát triển của oscillscop gắn liền với quá trình phát triển của kĩ thuật điện tử. Mở đầu là oscilloscop tương tự, một vài thập niên gần đây là oscilloscop số, gần đây nhất là một số công ty đo lường hàng đầu thế giới vừa cho ra đời oscilloscop hỗn hợp giữa số và tương tự được tính hợp với các tính năng mạnh mẽ nhất thừa hưởng từ ngành công nghiệp máy tính. Thế kỉ 21 là thế kỉ của thông tin và kĩ thuật số với sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của các bộ vi xử lý. Bằng việc đưa sức mạnh kĩ thuật số vào thực tiễn, các bộ vi xử lý ngày một thay đổi cách sống của xã hội loài người. Khóa điện tử, máy điện thoại, nồi cơm điện…..của chúng ta đang ngày một thông minh hơn, mạnh mẽ và nhanh nhờ các bộ vi xử lý. Tất cả các ngành công nghiệp lớn như: viễn thông, điều khiển công nghiệp, sản xuất hàng tiêu dùng… đều ý thức được và sử dụng triệt để công nghệ mới và họ cũng vấp phải những vần đề mới cần giải quyết đó là các vấn đề liên quan tới tín hiệu và điều khiển số và tương tự của thế giới thực. Oscilloscop với vai trò là một thiết bị giám sát, đo kiểm phải đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe do các ngành công nghiệp này đắt ra. Với mục đích là tìm hiểu và thiết kế một oscilloscop số, khóa luận này trình bày và phân tính cấu tạo, nguyên lí hoạt động của các loại oscilloscop, các tính năng tiến tiến của chúng, đặc biệt là cách thiết kế một oscilloscop kĩ thuật số có nhớ dùng chip FPGA làm trung tâm điều khiển. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA 1.1 FPGA LÀ GÌ? FPGA (Field-Programmable Gate Array) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận: ¾ Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) ¾ Hệ thống mạch liên kết lập trình được ¾ Khối vào/ra (IO Pads) ¾ Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý... So sánh FPGA với ASIC và các vi mạch bán dẫn khác: ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) là một vi mạch IC được thiết kế dành cho một ứng dụng cụ thể. FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhưng nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thư viện logic thì FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu như những loại này, và hạn chế trong khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt hơn ở chỗ có thể tái 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. Còn nếu so sánh với các dạng vi mạch bán dẫn lập trình được dùng cấu trúc mảng phần tử logic như PLA, PAL, CPLD thì FPGA ưu việt hơn các điểm: ¾ Tác vụ tái lập trình của FPGA thực hiện đơn giản hơn. ¾ Khả năng lập trình linh động hơn ¾ 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 có trước nó. Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL, các hãng sản xuất FPGA lớn như Xilinx, Altera thường cung cấp các gói phần mềm và thiết bị phụ trợ cho quá trình Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 3 thiết kế, cũng có một số các hãng thứ ba cung cấp các gói phần mềm kiểu này như Synopsys, Synplify... Các gói phần mềm này có khả năng thực hiện tất cả các bước của toàn bộ quy trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế trên HDL (còn gọi là mã RTL). 1.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI FPGA 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 lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD. FPGA có khả năng chứa tới từ 100.000 đến hàng vài tỷ cổng logic, trong khi CPLD chỉ chứa từ 10.000 đến 100.000 cổng logic; con số này đối với PAL, PLA còn thấp hơn nữa chỉ đạt vài nghìn đến 10.000. CPLD được cấu trúc từ số lượng nhất định các khối SPLD (Simple programable devices, thuật ngữ chung 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 nhớ đồng bộ (clocked register). Cấu trúc này 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 vào yêu cầu bài toán. Kiến trúc của FPGA là kiến trúc mảng các 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 tối đa khả năng lập trình của các phần tử logic 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 độ cao, hay các bộ nhân cộng (multication and accumulation, MAC), thuật ngữ tiếng Anh là DSP slice dùng cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP. Ngoài khả năng tái cấu trúc vi mạch toàn cục, một số FPGA hiện đại còn hộ 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. 1.3. ỨNG DỤNG Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 4 Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không, vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), các hệ thống điều khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình phần cứng máy tính... Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính, ngoài ra nhờ mật độ cổng logic lớn 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. 1.4. CẤU TRÚC MỘT FPGA Cấu trúc tổng thể của một FPGA được minh họa ở hình sau. Hình 1: Cấu trúc tổng thế một FPGA 1.4.1 Khối logic FPGA Hình 2: Khối logic FPGA Phần tử chính của FPGA là các khối logic (logic block). Khối logic được cấu thành từ LUT và một phần tử nhớ đồng bộ flip-flop. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 5 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. Nếu nhìn cấu 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 LUT lên 6 chân. Cấu trúc này là nhằm tăng tốc các bộ số học logic. Hệ thống mạch liên kết là khối chuyển mạch của FPGA 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. 1.4.2 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 sử 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. 1.4.3 Quy trình thiết kế FPGA tổng quát. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 6 Hình 3: Quy trình thiết kế FPGA 1.4.3.1 Mô tả ban đầu về thiết kế Khi xây dựng một chip khả trình (FPGA) với ý nghĩa dành cho một ứng dụng riêng biệt, vì xuất phát từ mỗi ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống, sẽ đặt ra yêu cầu phải thiết kế IC thực hiện tối ưu nhất những ứng dụng đó. Bước đầu tiên của quy trình thiết kế này có nhiệm vụ tiếp nhận các yêu cầu của thiết kế và xây dựng nên kiến trúc tổng quát của thiết kế. * Mô tả thiết kế: Trong bước này, từ những yêu cầu của thiết kế và dựa trên khả năng của công nghệ hiện có, người thiết kế kiến trúc sẽ xây dựng nên toàn bộ kiến trúc tổng quan cho thiết kế. Nghĩa là trong bước này người thiết kế kiến trúc phải mô tả được những vấn đề sau: ¾ Thiết kế có những khối nào? ¾ Mỗi khối có chức năng gì? ¾ Hoạt động của thiết kế và của mỗi khối ra sao ? Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA Nguyễn Văn Thông K49ĐB 7 ¾ Phân tích các kỹ thuật sử dụng trong thiết kế và các công cụ, phần mềm hỗ trợ thiết kế. Một thiết kế có thể được mô tả sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng, như VHDL hay Verilog HDL hoặc có thể mô tả qua bản vẽ mạch (schematic capture). Một thiết kế có thể vừa bao gồm bản vẽ mạch mô tả sơ đồ khối chung, vừa có thể dùng ngôn ngữ HDL để mô tả chi tiết cho các khối trong sơ đồ. * Mô phỏng chức năng (Function simulation): sau khi mô tả thiết kế, người thiết kế cần mô phỏng tổng thể thiết kế về mặt chức năng để kiểm tra thiết kế có hoạt động đúng với các chức năng yêu cầu. * Tổng hợp logic (Logic Synthesis): tổng hợp logic là quá trình tổng hợp các mô tả thiết kế thành sơ đồ bố trí mạch (netlist). Quá trình chia thành 2 bước: chuyển đổi các mã RTL, mã H