1 1 CÔNG NGHỆ FPGA I. Giới thiệu linh kiện logic khả trình II. Công nghệ lập trình III. Cấu trúc FPGA tổng quát IV. Cấu trúc FPGA hãng Xilinx V. Cấu trúc FPGA hãng Altera VI. Cấu trúc FPGA họ Stratix (Altera) VII. Ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog và VHDL VIII. Giới thiệu một số kit FPGA IX. Một số họ FPGA của các hãng X. Kếtluận 2 2 I. LINH KIE I. LINH KIE Ä Ä N LOGIC KHA N LOGIC KHA Û Û TRÌNH TRÌNH - - Tr Tr ư ư ơ ơ ù ù c c đ đ ây ây pha pha à à n n lơ lơ ù ù n n ca ca ù ù c c loa loa ï ï i i linh linh kie kie ä ä n n đ đ ie ie ä ä n n t t ử ử la la ø ø co co á á đ đ ònh ònh , , không không la la ä ä p p tr tr ì ì nh nh đư đư ơ ơ ï ï c c . . - - Ca Ca ù ù c c loa loa ï ï i i linh linh kie kie ä ä n n logic logic kha kha û û tr tr ì ì nh nh đ đ ơn ơn gia gia û û n n : EPROM, : EPROM, EEPROM, Flash ROM, PLD EEPROM, Flash ROM, PLD - - Đ Đ e e å å thua thua ä ä n n tie tie ä ä n n cho cho vie vie ä ä c c th th ử ử nghie nghie ä ä m m , , ta ta ï ï o o mẫu mẫu , , pha pha ù ù t t trie trie å å n n ứ ứ ng ng du du ï ï ng ng , , sa sa û û n n xua xua á á t t ơ ơ û û quy quy mô mô nho nho û û , , ng ng ư ư ơ ơ ø ø i i ta ta đ đ ã ã che che á á ta ta ï ï o o ra ra ca ca ù ù c c linh linh kie kie ä ä n n ( ( thie thie á á t t bò bò ) logic ) logic kha kha û û tr tr ì ì nh nh (Programmable Logic Devices), (Programmable Logic Devices), t t ứ ứ c c la la ø ø ca ca ù ù c c linh linh kie kie ä ä n n so so á á co co ù ù the the å å đư đư ơ ơ ï ï c c ca ca á á u u h h ì ì nh nh la la ï ï i i nhie nhie à à u u la la à à n n cho cho ca ca ù ù c c ứ ứ ng ng du du ï ï ng ng logic logic kha kha ù ù c c nhau nhau - - Go Go à à m m 2 2 loa loa ï ï i i ch ch í í nh nh : CPLD (Complex Programmable Logic : CPLD (Complex Programmable Logic Devices) Devices) va va ø ø FPGA (Field Programmable Gate Array) FPGA (Field Programmable Gate Array) - - Ca Ca ù ù c c hãng hãng sa sa û û n n xua xua á á t t FPGA/CPLD: ALTERA, XILINX, FPGA/CPLD: ALTERA, XILINX, ATMEL, QUICKLOGIC, ACTEL, ATMEL, QUICKLOGIC, ACTEL, … … 3 3 FPGA FPGA l l à à g g ì ì ? ?   FPGA FPGA l l à à m m ộ ộ t t vi vi m m ạ ạ ch ch ch ch ứ ứ a a c c á á c c logic logic cells. cells. C C á á c c logic cells logic cells th th ự ự c c hi hi ệ ệ n n c c á á c c m m ạ ạ ch ch logic logic v v à à đư đư ợ ợ c c k k ế ế t t n n ố ố i i v v ớ ớ i i nhau nhau b b ở ở i i ma ma tr tr ậ ậ n n k k ế ế t t n n ố ố i i v v à à chuy chuy ể ể n n m m ạ ạ ch ch l l ậ ậ p p tr tr ì ì nh nh đư đư ợ ợ c c . .   FPGA FPGA l l à à t t ậ ậ p p h h ợ ợ p p c c á á c c ph ph ầ ầ n n t t ử ử r r ờ ờ i i r r ạ ạ c c đư đư ợ ợ c c k k ế ế t t n n ố ố i i theo theo m m ộ ộ t t c c á á ch ch chung chung . . 4 4 A. NGUYÊN LY A. NGUYÊN LY Ù Ù ANTIFUSE: ANTIFUSE: Hình 1: Cấu trúc Antifuse (hãng Actel) (a) Phần giao nhau (b) Hình vẽ đơn giản (c) Antifuse hoạt động như 1 công tắc Antifuse: cầu chì nghòch Difussion: khuyếch tán Lập trình bằng dòng điện 1. Cấu trúc Antifuse: 2. Ưu khuyết điểm: • Kích thước nhỏ • Quy trình chế tạo khác với công nghệ CMOS II. CÔNG NGHỆ LẬP TRÌNH 5 5 B. NGUYÊN LY B. NGUYÊN LY Ù Ù TE TE Á Á BA BA Ø Ø O O SRAM: SRAM: Hình 2: Cấu trúc tế bào SRAM (hãng Xilinx) 1. Cấu trúc tế bào SRAM 2. Ưu khuyết điểm • Tái sử dụng và nâng cấp thiết kế dễ dàng. Cập nhật và thay đổi hệ thống bằng tái cấu hình phần cứng trực tiếp. Công nghệ CMOS • Dữ liệu bò mất khi nguồn cung cấp bò ngắt. Kích thước lớn hơn antifuse 6 6 C. NGUYÊN LY C. NGUYÊN LY Ù Ù UVEPROM VA UVEPROM VA Ø Ø EEPROM EEPROM Hình 3: Cấu trúc transistor EPROM (hãng Xilinx) 1. Nguyên lý hoạt động Transistor EPROM 2. Ưu khuyết điểm 9 Tái lập trình không cần bộ nhớ ngoài. Diện tích nhỏ 9 Không tái cấu hình trực tiếp trên mạch 7 7 III. CA III. CA Á Á U TRU U TRU Ù Ù C FPGA TO C FPGA TO Å Å NG QUA NG QUA Ù Ù T T Caáu truùc FPGA goàm 3 phaàn: Logic Blocks (LBs), I/O Blocks (IOB), Interconnection 8 8 IV. CA IV. CA Á Á U TRU U TRU Ù Ù C FPGA HAÕNG XILINX C FPGA HAÕNG XILINX Caáu truùc FPGA haõng Xilinx Caáu truùc FPGA Spartan II haõng Xilinx 9 9 Spartan IIE Spartan IIE •Làmộthọ linh kiệnFPGA của hãng Xilinx 10 10   G G ồ ồ m m c c á á c c kh kh ố ố i i : : • • CLB: CLB: M M ộ ộ t t CLB CLB g g ồ ồ m m 4 4 - - logic logic - - cell, Logic cell cell, Logic cell g g ồ ồ m m 2 LUT 2 LUT gi gi ố ố ng ng nhau nhau , , m m ỗ ỗ i i LUT LUT g g ồ ồ m m 4 4 - - ngõ ngõ - - v v à à o, o, t t í í n n hi hi ệ ệ u u đi đi ề ề u u khi khi ể ể n n v v à à FF FF - - D. D. M M ỗ ỗ i i CLB CLB g g ồ ồ m m hai hai b b ộ ộ đi đi ề ề u u khi khi ể ể n n ngõ ngõ ra ra 3 3 tr tr ạ ạ ng ng th th á á i i (BUFT). (BUFT). M M ỗ ỗ i i BUFT BUFT c c ó ó chân chân đi đi ề ề u u khi khi ể ể n n v v à à ngõ ngõ v v à à o o đ đ ộ ộ c c l l ậ ậ p p . . [...]... trúc Logic array block Cấu trúc LE 18 V CẤU TRÚC FPGA HÃNG ALTERA Cấu trúc FPGA hãng Altera gồm: Logic Element / Look up Tables Programmable Interconnect Array I/O Block Cấu trúc CPLD họ Flex10K 19 VI CẤU TRÚC FPGA HỌ STRATIX 1 CẤU TRÚC HỌ STRATIX: - Gồm các LAB, Interconnection, các khối bộ nhớ và các khối DSP - Cấu trúc 2 chiều : hàng và cột, dùng công nghệ kết nối MultiTrack - Các chuỗi kết nối hàng... USB Ports, JTAG, VGA www.nuhorizons.com 34 PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ FPGA Xilinx: Xilinx ISE Foundation 7.1 http://www.xilinx.com Altera: Maxplus II, Quartus II (Tài liệu sử dụng ng Maxplus II đã được đăng trong phần tin CMS Diễn đàn điện tử), www.altera.com ), Các phần mềm hỗ trợ FPGA không phụ thuộc hãng sản xuất như FPGA Advantage (Mentor Graphics): Leonardo Spectrum, ModelSim,… Matlab, Labview,…... giống ngôn ngữ C Chính đặc điểm này mà nó được sử dụng khá rộng rãi ngày nay Tại Việt Nam, công ty Renesas cũng sử dụng ngôn ngữ này trong việc thiết kế 30 VIII GIỚI THIỆU MỘT SỐ KIT FPGA Kit Stratix EP1S25 (Altera) của hãng Parallax + 144 chân I/O + Bộ dao động xung clock 50MHz + Nguồn 3.3V cho I/O và 1.5V cho lõi FPGA + Cổng nối tiếp chuẩn 9 chân + Các chân nối JTAG www.parallax.com 31 Kit UP2 của Altera... tả phần cứng được phát triển nhằm mục đích mô phỏng, tạo mẫu, thiết kế, kiểm tra và làm tài liệu cho các hệ thống số + Tuy nhiên ngày nay có hai ngôn ngữ được sử dụng rất phổ biến, đó là : Verilog HDL và VHDL + VHDL (Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language) là ngôn ngữ mô tả phần cứng được công nhận tiêu chuẩn IEEE từ năm 1987 Nó là ngôn ngữ có đầy đủ sức mạnh cho việc thiết... hàng và cột của LAB Mỗi IOE gồm 1 bộ đệm 2 chiều, 6 thanh ghi cho các ngõ vào/ra thanh ghi và điều khiển - Các khối DSP - Khối PLLs 20 Cấu trúc FPGA họ Stratix (hãng Altera) 21 Cấu trúc LAB họ Stratix (hãng Altera) 22 Cấu trúc LUT họ Stratix (hãng Altera) 23 2 TÀI NGUYÊN KẾT NỐI HỌ STRATIX: - Kết nối giữa các LE, bộ nhớ, DSP và chân I/O - Kết nối hàng gồm: + Kết nối trực tiếp giữa các LAB và các khối... giữa tín hiệu Clock ngõ vào và các xung Clock ngõ vào bên trong, giảm tối đa sự trì hỗn, tạo sự đồng bộ và tiết kiệm năng lượng Mỗi DLL nối hai mạng Clock tồn cục 12 V CẤU TRÚC FPGA HÃNG ALTERA Cấu trúc CPLD MAX7000 Cấu trúc FPGA hãng Altera gồm: Logic Element / Look up Tables Programmable Interconnect Array I/O Block Cấu trúc MAX7000 gồm: • Logic Array Block • Macrocells • Programmable Interconnect... Khối bộ nhớ: + RAM 2-port đơn giản, RAM 1 port, FIFO, ROM, thanh ghi dòch Khối bộ nhớ gồm 3 khối RAM: M512, M4K, M-RAM 2 Khối PLLs: (Phase Lock Loop) + Cấu trúc phân cấp xung Clock + Kết hợp các nguồn tài nguyên xung Clock với tổng hợp tần số chính xác được cung cấp bởi các PLL nhanh và tiên tiến tạo thành giải pháp quản lý xung Clock hoàn chỉnh 3 Khối DSP: (Digital Signal Processing) + Dùng trong lọc...• Đi dây: Cơng nghệ SRAM, General Routing Matrix (GRM) Local routing: I/O Routing: General Purpose Routing: Dedicated Routing: Global Routing: • IOB: tín hiệu vào qua 1 bộ đệm, tín hiệu ra qua bộ đệm 3 trạng thái, theo . CÔNG NGHỆ FPGA I. Giới thiệu linh kiện logic khả trình II. Công nghệ lập trình III. Cấu trúc FPGA tổng quát IV. Cấu trúc FPGA hãng Xilinx V. Cấu trúc FPGA. ALTERA, XILINX, FPGA/ CPLD: ALTERA, XILINX, ATMEL, QUICKLOGIC, ACTEL, ATMEL, QUICKLOGIC, ACTEL, … … 3 3 FPGA FPGA l l à à g g ì ì ? ?   FPGA FPGA l l à à