bg thiet ke logic so chuong 4 phuongphapthietkeso
DESCRIPTION
nbkjTRANSCRIPT
1
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
2
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
TS. Nguyễn Ngọc Minh
Khoa KTĐT1
3
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
NỘI DUNG CHÍNH CỦA CHƯƠNG
4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ MẠCH SỐ
4.2 MÔ HÌNH RTL
4.3 THIẾT KẾ MẠCH TỔ HỢP DÙNG VHDL
4.4 THIẾT KẾ MẠCH TUẦN TỰ CƠ BẢN DÙNG VHDL
4.5 MÁY TRẠNG THÁI HỮu HẠN FSM
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM
4.7 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOP-DOWM
4.8 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỒNG BỘ
4.9 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KHÔNG ĐỒNG BỘ
4
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ MẠCH SỐ
5
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1 MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HỆ THỐNG SỐ
6
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1 MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HỆ THỐNG SỐ
Mô hình hoạt động (Behavioral views): là mô hình mô tả hoạt động, chức năng của hệ thống dưới dạng mối quan hệ giữa đầu vào, đầu ra, và định thời mà không quan tâm đến cấu trúc bên trong của hệ thống.
+ Hình thức biểu diễn: được biểu diễn bởi mô tả chức năng, hoạt động của hệ thống bằng ngôn ngữ tự nhiên, giản đồ thời gian (sơ đồ định thời), phương trình logic, bảng trạng thái, lưu đồ giải thuật, đồ hình trạng thái.
+ Đây là mô hình có mức độ trừu tượng cao nhất, và thường rất thích hợp cho các mục đích mô phỏng, gỡ rối nhanh cho hệ thống.
7
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1 MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HỆ THỐNG SỐ
Mô hình cấu trúc (Structural views) : là mô hình mô tả cấu trúc bên trong của hệ thống gồm các thành phần con và các kết nối giữa chúng. Mô hình này giống như sơ đồ khối hay mạch nguyên lý của hệ thống.
+ Hình thức biểu diễn: được mô tả theo mô hình cấu trúc có thể gồm các cấu trúc cổng logic cơ bản, các Flip-Flop…
+ Kiểu mô tả này cũng độc lập với công nghệ thực hiện mạch, tuy nhiên để tăng tính tối ưu cho mạch, mô hình cấu trúc logic thường này thường sử dụng các cấu trúc logic đã được xây dựng sẵn, hoặc chọn trong thư viện của nhà cung cấp phù hợp với loại công nghệ sử dụng.
8
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1 MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HỆ THỐNG SỐ
Mô hình vật lý (Physical views): là mô hình mô tả đặc tính vật lý của hệ thống và thêm vào các thông tin chi tiết cho mô hình cấu trúc như xác định kích thước hay vị trí vật lý của các linh kiện trên bo mạch hay trên phiến bán dẫn, cũng như các đường dẫn vật lý của mối đường kết nối.
+ Hình thức biểu diễn: biểu diễn mạch in PCB của bo mạch hệ thống, layout của của IC…
+ Hệ thống số được mô tả ở mức độ chi tiết nhất, tới cấu trúc vật lý bán dẫn, cũng như cấu trúc bên trong những tài nguyên đã sẵn có trong cấu kiện, cách này tối ưu cho việc tổng hợp trên loại cấu kiện, công nghệ đã sử dụng.
9
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 CÁC MỨC ĐỘ TRỪU TƯỢNG TRONG MÔ TẢ HỆ THỐNG SỐ
10
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 CÁC MỨC ĐỘ TRỪU TƯỢNG TRONG MÔ TẢ HỆ THỐNG SỐ
Mô tả mức mạch điện (Circuit Level or Transistor Level): Đây là mức mô tả có mức độ trừu tượng thấp nhất. Hệ thống được mô tả theo mô hình cấu trúc sử dụng các cấu trúc cơ bản như Transistor, Điện trở, Tụ điện, … hay theo mô hình hoạt động sử dụng hệ phương trình vi phân.
+ Ở mức mô tả này hệ thống số được tính toán như một hệ thống tương tự, mà trong đó tín hiệu tín toán theo mức điện áp biến đổi theo gian và có giá trị trong khoảng liên lục. Hệ thống cũng có thể đươc mô tả theo mô hình vật lý sử dụng cấu trúc bán dẫn của các cấu kiện và kết nối giữa chúng.
11
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 CÁC MỨC ĐỘ TRỪU TƯỢNG TRONG MÔ TẢ HỆ THỐNG SỐ
Mô tả mức logic (Logic Lever or Gate Level): Hệ thống được mô tả sử dụng các cấu trúc cổng logic sơ bản như AND, OR, XOR, MUX, phần tử nhớ cơ bản như Flip-Flops… Tín hiệu được biểu diễn theo các mức logic ‘0’, ‘1’ và hoạt động vào- ra được tính toán theo hàm boolean.
+ Ở mức mô tả này số lượng cổng NAND 2 đầu tương đương trong mạch được sử dụng để đánh giá mức độ phức tạp của hệ thống.
12
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 CÁC MỨC ĐỘ TRỪU TƯỢNG TRONG MÔ TẢ HỆ THỐNG SỐ
Mô tả mức RTL (Register Transfer Level – Mức truyền đạt thanh ghi): Hệ thống được mô tả sử dụng các mô-đun chức cơ bản như: các bộ cộng, bộ so sánh, khối nhớ, thanh ghi, Mux, Demux… , hoạt động của hệ thống số được xác định bởi cách dữ liệu xử lý và chuyển đổi giữa các thanh ghi lưu trữ.
+ Mô tả theo mô hình hoạt động ở mức này sử dụng những mô tả chung để xác định các phép toán chức năng và định tuyến dữ liệu, và sử dụng máy trạng thái FSM để mô tả hoạt động của hệ thống. Đặc điểm quan trọng của mô tả mức RTL là sử dụng tín hiệu clock chung cho các cấu trúc nhớ. Mô hình vật lý cho mức mô tả RTL được gọi chung là floorplan. Nó rất hữu ích cho chung ta tìm ra những đường thấp nhất giữa các phần tử nhờ và xác định chu kỳ clock.
13
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 CÁC MỨC ĐỘ TRỪU TƯỢNG TRONG MÔ TẢ HỆ THỐNG SỐ
Mô tả mức hệ thống (System Level or Processor Level): là mô tả có mức trừu tượng cao nhất. Các khối cơ bản được sử dụng để xây dựng hệ thống là các khối IP (Intellectual Properties) như các bộ xử lý, bộ nhớ, giao tiếp bus,… Mô tả theo mô hình hoạt động ở mức này giống như chương trình lập trình theo giải thuật như các ngôn ngữ lập trình bao bồm các bước tính toán và truyền thông.
14
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
15
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Ví dụ: Mô tả theo mô hình cấu trúc
Mô hình cấu trúc mức hệ thống điển hình của hệ thống số. Trong đó hệ thống số được xây dựng từ các khối chính như Vi xử lý, Bộ nhớ, giao tiếp bộ nhớ,…
16
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Datapath(Execution
Unit)
Controller(Control
Unit)
Data Inputs
Data Outputs
Control Inputs
Control Outputs
Control Signals
StatusSignals
CPU
Datapath(Execution
Unit)
Controller(Control
Unit)
Data Inputs
Data Outputs
Control Inputs
Control Outputs
Control Signals
StatusSignals
CPU
+ Khối xử lý trung tâm (CPU) : Khối này gồm 2 thành phần:- Khối Đường dữ liệu (Datapath): Thực hiện các phép xử lý số liệu của hệ thống số, chúng thường gồm các khối thanh ghi, bộ đếm, ghép kênh, ALU – khối tính toán số học và logic....- Khối điều khiển (Control Unit): Chức năng điều khiển chính cho khối Datapath để thực hiện các bước xử lý số liệu như mong muốn.
ISA (Instruction set Architecture – Kiến trúc tập lệnh): Tập lệnh để lập trình hoạt động cho CPU. Thường chỉ có trong các hệ thống phức tạp, đa dụng như các bộ vi xử lý
Ví dụ: Mô tả theo mô hình hoạt động mức RTL
17
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Ví dụ: Mô tả theo mô hình cấu trúc mức RTL
18
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mô tả theo mô hình cấu trúc là mô tả các phần tử con bên trong hệ thống và sự kết nối của các phần tử con đó
Mô tả theo mô hình cấu trúc (tt)
Ví dụ: Viết VHDL mô tả theo mô hình cấu trúc một thanh ghi 4 bit được xây dựng từ 4 triger D
19
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1.2 Phương pháp mô tả theo mô hình hoạt động (Behavioral)
Mô hình hoạt động là mức độ mô tả trừu tượng nhất, cụ thể là mô tả theo chức năng của hệ thống
Đặc điểm của phương pháp này là nhập thiết kế nhanh, nhưng cấu trúc của phần cứng thường không rõ
Ví dụ: mô tả chức năng hệ thống là: Nếu mỗi khi có một sensor nào đó được kích hoạt, thì hệ thống kiểm tra mã bàn phím. Nếu sau 20 giây mà không có mã bàn phím nhập đúng nhập vào thì còi báo động sẽ được bật lên.
20
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1.2 Phương pháp mô tả theo mô hình hoạt động (Behavioral)
Ví dụ: mô tả chức năng hệ thống là: Nếu mỗi khi có một sensor nào đó được kích hoạt, thì hệ thống kiểm tra mã bàn phím. Nếu sau 20 giây mà không có mã bàn phím nhập đúng nhập vào thì còi báo động sẽ được bật lên.
entity Security_1 isport (Clk, Reset : in std_logic ; Keypad : in std_logic_vector (3 downto 0) ; Front_Door, Rear_Door, Window: in boolean ; Alarm_Siren : out boolean ) ;end Security_1 ;
architecture Behavioral of Security_1 is constant Delay_Period : time := 20 s;
begin process (Keypad,Front_Door,Rear_Door,Window) begin if (Front_Door or Rear_Door or Window ) then if (Keypad = “0011”) then Alarm_siren <= false ; else Alarm_Siren <= True after Delay_Period ; end if ; end if ; end process ;end Behavioral;
21
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.1.3 Phương pháp mô tả theo mô hình luồng dữ liệu RTL
a. Mô tả mạch logic tổ hợp
22
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
b. Mô tả mạch tuần tự
Tiến trình hoạt động theo clock có thể được mô tả thành tiến trình đồng bộ hoặc tiến trình không đồng bộ
23
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 MÔ HÌNH RTL
RTL-Register Tranfer Level là Hệ thống số được mô tả theo mô hình hoạt động ở mức truyền đạt thanh ghi.Mô hình RTL được xây dựng từ các cấu trúc:bộ nhớ, khối điều khiển, đường dữ liệu, điều khiển vào/ra…
Đồng bộ hoặc Không đồng bộ
Inputs: keyboard, mouse, wireless,
microphone
Outputs: LCD screen,
wireless, speakers
Memory
Control
unit Datapath
Input/Output
CPU
Kiểu mô tả này thường được dùng trong việc kiểm tra, mô phỏng hệ thống, cũng như cho việc tổng hợp với mức độ độc lập với công nghệ cao.
24
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Datapath(Execution
Unit)
Controller(Control
Unit)
Data Inputs
Data Outputs
Control Inputs
Control Outputs
Control Signals
StatusSignals
CPU
Datapath(Execution
Unit)
Controller(Control
Unit)
Data Inputs
Data Outputs
Control Inputs
Control Outputs
Control Signals
StatusSignals
CPU+ Khối xử lý trung tâm (CPU) : Khối này gồm 2 thành phần:- Khối Đường dữ liệu (Datapath): Thực hiện các phép xử lý số liệu của hệ thống số, chúng thường gồm các khối thanh ghi, bộ đếm, ghép kênh, ALU – khối tính toán số học và logic....- Khối điều khiển (Control Unit): Chức năng điều khiển chính cho khối Datapath để thực hiện các bước xử lý số liệu như mong muốn.
ISA (Instruction set Architecture – Kiến trúc tập lệnh): Tập lệnh để lập trình hoạt động cho CPU. Thường chỉ có trong các hệ thống phức tạp, đa dụng như các bộ vi xử lý
25
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Ví dụ - Mô hình cấu trúc mức RTL
26
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.2 MÔ HÌNH RTL (tt)
4.2.1 Khối Datapath
Datapath RTL gồm các khối thanh ghi và các khối mạch logic tổ hợp, được mô tả bằng các tiến trình tổ hợp (combinatorial process) và các tiến hoạt động theo clock (clocked process).
27
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mô tả thành 2 process độc lập cho mạch tuần tự và mạch tổ hợp độc lập
Kết hợp mạch tổ hợp và tuần tự trong một process
28
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3 THIẾT KẾ MẠCH TỔ HỢP DÙNG VHDL
Các mô hình cấu trúc lệnh tạo mạch tổ hợp :
-Các cấu trúc tập lệnh
-Testbench cho mạch
-Mô tả mạch logic cơ bản
-Bộ đệm- Mạch mã hóa, giải mã- Mạch ghép kênh- Mạch mạ hóa ưu tiên- Bộ cộng- Mạch kiểm tra chẳn lẽ- ALU
Mở đầu
29
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.1 Cấu trúc tập lệnh dùng cho mô tả mạch tổ hợp
Mạch logic tổ hợp có thể mô tả bằng các cấu trúc lệnh song song, tuy nhiên thường dùng các process tổ hợp. Khi sử dụng process tổ hợp tất cả các tín hiệu vào của mạch tổ hợp phải được đưa vào danh sách tín hiệu kích thích
30
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
G1 G2
G3
B
AC C<=A and B
...
Process 1
process (C,..)begin
Process 3
If C = ‘1’then
...
Process 2
C
CG1 G2
G3
B
AC C<=A and B
...
Process 1
process (C,..)begin
Process 3
If C = ‘1’then
...
Process 2
C
C
C<=A and B...
Process n
process (C,..)begin
Process n2
If C = ‘1’then
...
Process n1
C
C
process n
process (...
Rst
Sig1
Sig2
Process n4
Process n3C<=A and B...
Process n
process (C,..)begin
Process n2
If C = ‘1’then
...
Process n1
C
C
process n
process (...
Rst
Sig1
Sig2
Process n4
Process n3
Mô hình kết nối của các Process
31
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.2 Testbech cho mạch tổ hợp
Sơ đồ tổng quát chương trình thử Testbench đơn giản
32
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.2 Testbech cho mạch tổ hợp
Sơ đồ tổng chương trình thử Testbench đầy đủ
33
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.2 Testbech cho mạch tổ hợpTrường hợp 1: Viết mô tả để tạo ra dạng tín hiệu đơn a như hình vẽ dưới đây
34
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.2 Testbech cho mạch tổ hợp
Trường hợp 2: Viết mô tả xung clock 1, clock2 có chu kỳ 100 ns
35
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.2 Testbech cho mạch tổ hợp
Ví dụ tạo dạng sóng
36
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
architecture mux21 of mux21 issignal aout : STD_LOGIC;signal bout : STD_LOGIC;signal nots : STD_LOGIC;begin
aout <= nots and a;bout <= s and b;nots <= not(s);y <= bout or aout;
end mux21;
4.3.3 Mô tả mạch logic cơ bản
Ví dụ mô tả mạch Mux 2 sang 1 có sơ đồ mạch như sau:
nots
a
b
37
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.4 Mạch 3 trạng thái
38
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.5 Mạch giải mã 2:4Sử dụng cấu trúc lệnh song song
39
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.5 Mạch giải mã 3:8
40
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch giải mã 3:8 (tt)
41
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch giải mã LED 7 đoạn dùng “WHEN”
42
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch giải mã LED 7 đoạn dùng “Whit/Select/When”
43
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch mã hóa 8 sang 3 dùng WHEN/ELSE
44
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch mã hóa 8 sang 3 dùng WITH/SELECT/WHEN
45
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.6 Mạch Mux 4 sang 1
46
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 1: Mạch Mux 4 sang 1 dùng “WHEN/ELSE”
47
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 2: Mạch Mux 4 sang 1 dùng “WITH/SELECT/WHEN”
48
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 3: Mạch Mux 4 sang 1 dùng “IF”
49
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 4: Mạch Mux 4 sang 1 dùng “CASE”
50
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
end halfadd;architecture halfadd of halfadd isbegin
s <= a xor b;c <= a and b;
end halfadd;
4.3.7 MẠCH CỘNG BÁN PHẦN
51
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.7 Mạch cộng toàn phần 2 số NP 1 bit
52
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch cộng 2 số NP 4 bit
53
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch cộng toàn phần 2 số NP 8 bit
54
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch cộng toàn phần 2 số NP 8 bit (tt)
55
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.8 Mạch so sánh 2 số NP 8 bit
56
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.9 Mạch tạo bit parity chẵn từ dữ liệu 8 bit
57
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.9 Mạch tạo bit parity tổng quát
58
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.10 ALU
59
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.10 ALU (tt)
60
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
3.4.11 Mạch min/max :
61
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.3.12 Mạch chuyển đổi mã NP 4 bit sang Gray 4 bit
62
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4 THIẾT KẾ MẠCH TUẦN TỰ DÙNG VHDL
Tiến trình đồng bộ
Tiến trình không đồng bộ
63
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Xung CLK cạnh lên
Xung CLK cạnh xuống
64
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 1: Mô tả DFF sử dụng “PROCESS (clk,rst)”
65
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 2: Mô tả DFF sử dụng “PROCESS (clk)”
66
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Trường hợp 3: Mô tả DFF sử dụng “PROCESS (clk,rst,d)”
67
---- Flip-Flop T đơn giảnprocess (<clock>)begin if <clock>'event and <clock>=‘0' then <output> <= not(<output>); end if;end process;
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4.4 Flip-Flop T
----Flip-Flop T có ngõ resetprocess (<clock>, <reset>)begin if <reset>='1' then <output> <= '0'; elsif (<clock>'event and <clock>='1') then <output> <= not(<output>); end if;end process;
68
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4.5 THANH GHI n BIT
69
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Thiết kế thanh ghi dùng lệnh gán chân
70
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Thiết kế bộ đếm lên thập phân
71
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Thiết kế bộ đếm lên/xuống thập phân (tt)
72
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Bộ đếm nhị phân lùi 4 bit đầu ra Q [3:0] hoạt động với sườn âm clock, có nạp không đồng bộ giá trị cố định “1111” mức tích cực thấp:
73
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4.7 BỘ NHỚ R0M
74
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4.7 BỘ NHỚ RAM
75
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.4.7 BỘ NHỚ RAM (tt)
76Bài giảng Điện Tử Số
4.5 Máy trạng thái hữu hạn FSM4.5.1Mô
hình máy trạng thái
Mealy
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
www.ptit.edu.vn
77
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.5.2 Mô hình máy trạng thái
Moore
4.5.3 Mô hình máy trạng thái hỗn hợp Moore và Mealy
78
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
79
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Mạch đếm theo đồ hình trạng thái
80
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
81
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
82
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Ví dụ: Lập đồ hình trạng thái và viết chương trình VHDL mô tả bộ đếm lên/xuống 4 bit
Bấm vào đây xem đoạn chương trình VHDL
83
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
process (<clock>, <reset>) begin if <reset>='1' then <count> <= (others => '0'); elsif <clock>='1' and <clock>'event then if <clock_enable>='1' then if <load_enable>='1' then <count> <= <input>; else if <count_direction>='1' then <count> <= <count> + 1; else <count> <= <count> - 1; end if; end if; end if; end if;end process;
THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM UP/DOWM CO ĐIÊU
KHIỂN
84
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
Thiết kế bộ đếm Timer như sau:BÀI TẬP
85
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM (Algorithmic State Machine)
Lưu đồ giải thuật máytrạng thái (Algorithmicstate machine: ASM charts) là sự trừu tượnghóa hành vi của máy tuầntựCác thành phần của một ASM như sau:
Điều kiện
*** Mã trạng thái
Hộp trạng thái
Hộp xuất theo điều kiện
Danh sách xuất theo điều kiện
Đường ra đến khối ASM khác
Danh sách xuất
Tên trạng thái
86
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM (Algorithmic State Machine) (tt)
Ví dụ: kết hợp lưu đồ ASM với đường dữ liệu
87
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM (Algorithmic State Machine)
Lưu đồ trạng thái ASM hệ Moore cho mạch đếm
88
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM (Algorithmic State Machine)(tt)
Lưu đồ trạng thái ASM hệ Mealy cho mạch đếm
89
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.7 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOP- DOWN
90
CHƯƠNG 4- PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SỐ
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
4.7 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOP- DOWN
Mô hình thiết kế top_down cơ bản của mạch cộng 4 bit
* Mạch lớn được phân chia thành các mạch nhỏ hơn• Mỗi mạch nhỏ này được đặc tả bằng HDL• Mỗi mạch nhỏ có thểđược tổng hợp trong thời gian chấp nhận được
91
Câu hỏi
1. Trình bày nguyên lý bắt phím, thiết kế mạch bắt phím và viết mô tả bằng VHDL?
2. Thiết kế mạch quét và nhận dạng cho ma trận phím bấm (Keypad) 4x4?
3. Thiết kế mô hình đèn giao thông tại một ngã tư và viết mô tả bằng VHDL?
4. Thiết kế mạch điều khiển ma trận LED 8x8, và viết mô tả bằng VHDL?
5. Thiết kế bộ điều khiển truyền thông nối tiếp UART?6. Thiết kế bộ lọc FIR7. Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước
92
BÀI GIẢNG: THIẾT KẾ LOGIC SỐ
www.ptit.edu.vn
NỘI DUNG CHÍNH CỦA CHƯƠNG
4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ MẠCH SỐ
4.2 MÔ HÌNH RTL
4.3 THIẾT KẾ MẠCH TỔ HỢP DÙNG VHDL
4.4 THIẾT KẾ MẠCH TUẦN TỰ CƠ BẢN DÙNG VHDL
4.5 MÁY TRẠNG THÁI HỮ HẠN FSM
4.6 MÁY TRẠNG THÁI ASM
4.7 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOP-DOWM
4.8 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỒNG BỘ
4.9 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KHÔNG ĐỒNG BỘ