Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 4: Thiết kế vi mạch số trên FPGA

Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 4: Thiết kế vi mạch số trên FPGA giới thiệu tổng quan về kiến trúc FPGA, kiến trúc chi tiết Xilinx FPGA Spartan-3E, quy trình thiết kế FPGA, một số ví dụ thiết kế trên FPGA và phần bài tập chương 4.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 4: Thiết kế vi mạch số trên FPGA Chương IV: Thiết kế vi mạch số trên FPGA1 Tổng quan về kiến trúc FPGA1.2 Khái niệm FPGA FPGA là công nghệ IC lập trình mới nhất và tiên tiến nhất hiện nay. Thuật ngữ Field-Programmable chỉ quá trình tái cấu trúc IC có thể được thực hiện bởi người dùng cuối, trong điều kiện bình thường, hay nói một cách khác là người kỹ sư lập trình IC có thể dễ dàng hiện thực hóa thiết kế của mình sử dụng FPGA mà không lệ thuộc vào một quy trình sản xuất hay cấu trúc phần cứng phức tạp nào trong nhà máy bán dẫn. Đây chính là một đặc điểm làm FPGA trở thành một công nghệ PLD được phát triển và nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Để có được khả năng đó, FPGA ra đời hoàn toàn là một công nghệ mới chứ không phải là một dạng mở rộng của các chip khả trình kiểu như PAL, PLA. Sự khác biệt đó thứ nhất nằm ở cơ chế tái cấu trúc FPGA, toàn bộ cấu hình của FPGA thường được lưu trong một bộ nhớ động (thông thường SRAM), quá trình tái cấu trúc được thực hiện bằng cách đọc thông tin từ RAM để lập trình lại các kết nối logic trong IC. Nói một cách khác cơ chế đó làm việc giống như phần mềm máy tính cũng được lưu trữ trong RAM và khi thực thi sẽ được đọc lần lượt nạp vào vi xử l{. Cũng như vậy việc lập trình lại cho FPGA cũng dễ dàng như lập trình lại phần mềm trên máy tính. Như vậy về mặt nguyên tắc thì quá trình khởi động của FPGA không diễn ra tức thì mà cấu hình từ SRAM phải được đọc sau đó mới diễn ra quá trình tái cấu trúc theo thông tin chứa trong SRAM. SRAM chỉ lưu trữ được trong trạng thái làm việc, nghĩa là có nguồn cấp, chính vì vậy để lưu giữ cấu hình cho FPGA thường phải dùng thêm một ROM ngoại vi. Đến những dòng sản phẩm FPGA gần đây thì các ROM ngoại vi này dần được thay thế bằng các ROM tích hợp sẵn, việc tích hợp này làm FPGA nạp cấu hình nhanh hơn nhưng cơ chế thực hiện vẫn phải thông qua một bộ nhớ SRAM như cũ. Ngoài khả năng đó điểm thứ hai làm FPGA khác biệt với các PLD thế hệ trước là FPGA có khả năng tích hợp logic với mật độ cao hơn hẳn, với số cổng logic tương đương lên tới hàng trăm nghìn, hàng triệuChương III -Thiết kế vi mạch số trên FPGA 1 cổng. Khả năng đó có được nhờ sự đột phá trong kiến trúc của FPGA. Nếu hướng mở rộng của CPLD tích hợp nhiều mảng PAL, PLA lên một chip đơn, trong khi bản thân các mảng này có kích thước lớn và cấu trúc không đơn giản nên số lượng mảng tích hợp nhanh chóng bị hạn chế, dung lượng của CPLD nhiều nhất cũng chỉ đạt được con số trăm nghìn cổng tương đương. Đối với FPGA thì phần tử logic cơ bản không còn là mảng PAL, PLA mà thường là các khối logic lập trình được cho 4 bit đầu vào và 1 đầu ra ( thường được gọi là LUT). Việc chia nhỏ đơn vị logic cho phép tạo một cấu trúc khả trình linh hoạt hơn và tích hợp được nhiều hơn số lượng cổng logic trên một chíp bán dẫn. Bên cạnh đó hiệu quả làm việc và tốc độ làm việc của FPGA cũng vượt trội so với các IC khả trình trước đó. Vì có mật độ tích hợp lớn và tốc độ làm việc cao nên FPGA có thể được ứng dụng cho lớp những bài toán số phức tạp đòi hỏi không những tốc độ cao mà còn nhiều tài nguyên logic. Hiện nay công nghệ FPGA đang được phát triển rộng rãi bởi nhiều công ty bán dẫn khác nhau. Dẫn đầu là Xilinx với các dòng sản phẩm như Virtex 3,4,5,6 và Spartan, Altera với Stratix, Cyclone, Arria, Bên cạnh đó còn có sản phẩm của Lattice Semiconductor Company, Actel, Achronix, BlueSilicon Tecnology… Khái niệm FPGA board, hay FPGA KIT là khái niệm chỉ một bo mạch in trên đó có gắn chíp FPGA và các phần tử khác như cổng giao tiếp, màn hình, led, nút bấm… và bao giờ cũng có phần giao tiếp với máy tính để nạp cấu hình cho FPGA. Ngoài ra board còn chứa các thiết bị ngoại vi được liên kết với các cổng vào ra của FPGA nhằm mục đích thử nghiệm. Tài nguyên logic của FPGA được thể hiện ở bảng so sánh sau: IC Transitor count Process Manufacture Pentium 2 7 500 000 0.35um Intel Pentium 4 42 000 000 180nm Intel Core 2 Duo 291 000 000 65nm Intel Six core Xenon 1 900 000 000 45nm Intel AMD K8 106 000 000 130nm AMD Virtex 4 1 000 000 000 90nm Xilinx Virtex 5 1 100 000 000 65nm XilinxChương III -Thiết kế vi mạch số trên FPGA 2 Starix IV 2 500 000 000 40nm Altera Virtex 6 ~2 600 ...