Bài giảng Thiết kế logic số - Chương 1 - Hoàng Văn Phúc

TS. Hoàng Văn Phúc 
Bộ môn KT Xung số - Vi xử lý 
https://sites.google.com/site/phucvlsi/teaching 
phuchv@mta.edu.vn 
02/2017 
Thiết kế logic số 
(Digital logic design) 
Mục đích, yêu cầu 
Mục đích chung: Trang bị kiến thức về thiết kế, kiểm tra các 
mạch logic số, các thành phần của hệ thống điện tử số. 
1.Thiết kế logic (chức năng) các khối mạch số (LSI, VLSI) 
 Đúng chức năng 
 Có khả năng hiện thực hóa bằng vi mạch thật 
(Synthesizeable) 
 Một số kỹ thuật tối ưu thiết kế cơ bản 
2. Hiện thực hóa các thiết kế trên FPGA 
 Cách thức hiện thực hóa thiết kế trên FPGA dùng phần 
mềm tự động thiết kế (EDA) 
 Cách thức tổ chức phần cứng cho mạch FPGA để ứng 
dụng vào thực tiễn 
 Yêu cầu: Nắm được kiến thức cơ bản, có khả năng thiết 
kế các mạch số chức năng cỡ vừa 2 
Hệ thống ứng dụng ICT 
3 
 ICT: Information and communication technology 
(Công nghệ thông tin và truyền thông) 
Hệ thống IoT 
4 
 IoT: Internet of things 
Vi mạch số (digital) và tương tự (Analog) 
continuous discrete 
block design 
circuit design 
physical design 
(layout) 
Analog 
Digital 
base on Transistor, 
capacitor, resistor,  
base on logic cells 
5 
Mô hình trừu tượng các hệ thống số 
(Digital Systems Abstract Model) 
6 
n+ n+ 
S 
G 
D 
+ 
DEVICE 
CIRCUIT 
GATE 
MODULE 
SYSTEM 
Mô hình trừu tượng các hệ thống tương tự 
(Analog Systems Abstract Model) 
7 
Bài toán thiết kế mạch số (1) 
 Simple digital circuit (SSI, MSI) 
8 
Bài toán thiết kế mạch số (2) 
9 
Digital embedded system 
Bài toán thiết kế mạch số (3) 
10 
 Mức độ tích hợp: LSI, VLSI , SoC (vài ngàn đến hàng tỷ 
transistor). 
Bài toán thiết kế mạch số (4) 
11 
Bài toán thiết kế mạch số (5) 
12 
 Khả năng tính toán: (Mflops Tflops), ASIC có thể thay thế 
máy tính trong giải quyết những bài toán ứng dụng cụ thể 
Chương 1 
•Các kiến thức chung (nhắc lại từ Điện Tử Số) 
•HDL & Automation Design 
•IC khả trình 
Chương 2 
•Ngôn ngữ VHDL 
•Kỹ năng TK: Các khối MSI, SSI đơn giản đã biết trong ĐTS: 
cộng, dịch, thanh ghi, đếm FSM 
Chương 3 
•Các thuật toán và sơ đồ để thiết kế một số khối LSI thông 
dụng 
•Kỹ năng TK: Các khối LSI, VLSI: CLA, nhân, chia số 
nguyên, số thực, có dấu và không dấu, Memory, cấu trúc 
CPU đơn giản 
•Bài tập thiết kế 
Chương 4 
• Công nghệ FPGA 
• Thiết kế FPGA trên ISE 
• Thiết kế hệ nhúng bằng FPGA 
• Kỹ năng TK: Hiện thực hóa thiết kế ở các chương trước 
trên FPGA, lập trình giao tiếp bằng VHDL cho các ngoại vị 
đơn giản : UART, PS/2, I2C, SPI, VGA/LCD 
13 
Thảo luận chuyên đề 
14 
 VHDL coding style 
 FPGA based design methods 
 Digital system design 
Tài liệu tham khảo 
 David Money Harris and Sarah L.Harris, Digital Design and Computer 
Architecture, 2007 
 M. Morris Mano, Digital_Design, 4th Edition 
 M. Morris Mano, Digital Logic And Computer Design, 3rd Edition 
 Giáo trình Thiết kế logic số- Trịnh Quang Kiên, Lê Xuân Bằng HVKTQS - 
Năm 2011 
 Lê Xuân Bằng - Kỹ thuật số (Tập 1) - NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 
 Đỗ Xuân Tiến - Kỹ thuật Vi xử lý và lập trình Assembly - NXB Khoa học kỹ thuật 
- Năm 2002 
 IEEE VHDL standard reference 2002 
 Milos D. Ercegovac and Tomas Lang - Digital Arithmetic - San Francisco 
Morgan Kaufmann Publishers - 2004 
 Douglas L Perry - VHDL Programming by Example 4th Edition - 2002 
 INTERNET (e.g.  
 Uwe Meyer-Baese -Digital Signal Processing with FPGA – Springer - 2007 
 Xilinx - Spartan-3 Generation FPGA User Guide (ug331.pdf) 
 Xilinx - Spartan-3E FPGA Family Datasheet (ds312.pdf) 
 MIPS Technology - MIPS Instruction Set Reference, Vol I, 2003 15 
Chương 1 
16 
 Nội dung: Các khái niệm chung về vi mạch số. Các 
công nghệ thiết kế vi mạch số. Giới thiệu về các IC 
khả trình. 
 Thời lượng: 3 tiết bài giảng 
The First Computer 
17 
The Babbage
Difference Engine
(1832)
25,000 parts
cost: £17,470
ENIAC - The first electronic computer (1946) 
18 
The Transistor Revolution 
19 
First transistor 
Bell Labs, 1948 
The First Integrated Circuits (IC) 
20 
Bipolar logic 
1960’s 
ECL 3-input Gate 
Motorola 1966 
 Intel 4004 Micro-Processor 
21 
1971 
1000 transistors 
1 MHz operation 
Intel Pentium (IV) microprocessor 
22 
Transistor count: 
184,000,000 
Clock Speed: 
1.30 GHz to 3.80 GHz 
23 
Số transistor: 2,270,000,000 
Clock Speed: 3.2 GHz to 3.6 GHz 
Luật Moore 
24 
 1965: Gordon Moore phát biểu rằng số lượng transistor 
trên một chip đơn sẽ tăng gấp đôi sau 18 đến 24 tháng. 
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
9
5
9
1
9
6
0
1
9
6
1
1
9
6
2
1
9
6
3
1
9
6
4
1
9
6
5
1
9
6
6
1
9
6
7
1
9
6
8
1
9
6
9
1
9
7
0
1
9
7
1
1
9
7
2
1
9
7
3
1
9
7
4
1
9
7
5
L
O
G
2
 O
F
 T
H
E
 N
U
M
B
E
R
 O
F
C
O
M
P
O
N
E
N
T
S
 P
E
R
 I
N
T
E
G
R
A
T
E
D
 F
U
N
C
T
IO
N
Electronics, April 19, 1965. 
Transistor Counts 
25 
1,000,000 
100,000 
10,000 
1,000 
10 
100 
1 
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 
8086 
80286 
i386 
i486 
Pentium® 
Pentium® Pro 
K 1 Billion Transistors 
Source: Intel 
Projected 
Pentium® II 
Pentium® III 
Courtesy, Intel 
26 
Công nghệ CMOS 180nm là gì? 
Minimal channel 
length is 180 nm 
27 
Qui trình công nghệ chế tạo IC loại CMOS 
28 
Phòng sạch (Clean room) 
29 
Phân loại IC theo mật độ tích hợp: 
30 
1963: Bipolar TTL Logic Series 7400 
1968: CMOS Logic series 4000 
SSI (Small Scale Integration) : <100 transistors (1963) 
MSI (Medium Scale Integration) : 100-300 transistors (1970) 
LSI (Large Scale Integration) : 300-30K transistors (1975) 
 1974: 1K-bit RAM (4K transistors) 
 1978: uP Intel 8086 : (29K transistors) 
VLSI (Very Large Scale Integration) : 30K-1M transistors (1980) 
 1986: 1M-bit RAM (>1M transistors) 
 1989: uP Intel 80846 (>1M transistors) 
ULSI (Ultra Large Scale Integration) : >1M transistors (1990) 
 2000: uP Intel Pentium 4 (40 M transistors) 
WSI (Wafer Scale Integration) : chip that uses the entire wafer 
GSI (Giga Scale Integration) : >1G transistors (2010) 
 2007: 16G-bit RAM 
 2008: Intel Core 2 Quad (820 M transistors) 
31 
Tham số thời gian của các cổng logic 
NOT gate (CMOS) 
 Trễ lan truyền Tpd: thời gian tối thiểu từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự 
thay đổi của đầu vào X tới khi có thay đổi xác định tại đầu ra Y (khi đầu 
ra Y ổn định giá trị) 
 Tcd (Contamination delay): khoảng thời gian từ thời điểm xuất hiện 
sự thay đổi của đầu vào X cho tới khi đầu ra Y bắt đầu xảy ra sự mất 
ổn định 
32 
Q
Q
SET
CLR
D
Tsetup Thold
Tclk_q
CLK
Qout
Din
Tham số thời gian của Latch & Flip-flops 
33 
- Mạch tổ hợp: 
T1 = TNOT + TAND_4 + TNOR + TAND_3 + TOR_2 + TWire1 
T2 = TNOT + TAND + TOR_4 + TAND_4 + T OR_4 + TWire2 
Đường tới hạn (critical path): Đường truyền dữ liệu 
gây ra trễ lớn nhất trong mạch 
34 
- Mạch tuần tự (mạch dãy) : 
Q
Q
SET
CLR
D
Q
Q
SET
CLR
D
Combinational 
logic 1
Combinational 
logic 2
Combinational 
logic 3
Td1 Tsa Tclk-q Td2 Tsb
Tskew
Tclk-q Td3
 Tclk_min = Tclk-q + Td2 + Tsb + Tskew 
35 
- Các phương pháp mô tả vi mạch số 
Schematic 
(Sơ đồ nguyên lý) 
HDL 
(Ngôn ngữ mô tả phần cứng) 
Các thông số đặc trưng của mạch số 
36 
 Tốc độ 
 Độ trễ (delay) 
 Tài nguyên tiêu tốn 
 Kích thước (area) 
 Hiệu năng (performance) 
 Công suất tiêu thụ 
 Điện áp cung cấp 
 Năng lượng tiêu thụ (Energy) 
  
Digital Design 
Manual 
Design 
74xx series 40xx seriess 
Discrete 
component 
Automation 
Design 
PLD based 
SPLD 
PAL GAL PLA PROM 
CPLD FPGA 
Semi-custom 
ASIC 
Full custom 
ASIC 
Các dạng thiết kế số: 
37 
Giới thiệu các IC khả trình: 
38 
-PROM (1956) 
x
x
x
x
x x
xx
x
x y z w
T2
a b c
Mảng OR lập trình được
Mảng AND cố định
T1
T3
T4
T5
x
x x
xx
T6
T7
T8
x
x
39 
- PAL (1970) 
x
x
x
x x
xx
x
x y z w
T2
a b c
Mảng OR cố định
Mảng AND lập trình được
T1
T3
T4
T5
x
x
x
x
x
x x
x x
x
x
x
x
macrocell macrocellmacrocellmacrocell
Macrocell 
GAL: Một dạng cải tiến của PAL với nguyên lý lập trình kiểu EEPROM 
40 
- Macrocell: 
Q
Q
SET
CLR
D
ENB
ENB
Mux2
0
1
Mux4
0
1
3
2
IO
programmable
S0 S1
41 
- PLA (1975) 
x
x
x
x
x x
xx
x
x y z w
T2
a b c
Mảng OR lập trình được
Mảng AND lập trình được
T1
T3
T4
T5
x
x
x
x
x
x x
x x
x
x
x
x
x
macrocell macrocell macrocellmacrocell
Macrocell 
42 
- CPLD (MAX5000, XC9500): 
Programmable 
Interconnect matrix
Logic block
Logic block
Logic block
Logic block
Logic block
Logic block
Logic block
Logic block
43 
- FPGA – 1984 (Xilinx): 
LOGIC BLOCK
LOGIC BLOCK
LOGIC BLOCK..
LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK..
LOGIC BLOCK LOGIC BLOCK
LOGIC BLOCK..
IO_PAD
IO_PAD
IO_PAD
IO
_
P
A
D
IO
_
P
A
D
IO_PAD IO_PAD
IO_PAD
IO
_
P
A
D
IO
_
P
A
D
IO
_
P
A
D
..
..
.
.
IO
_
P
A
D
IP_COREs, RAM, 
ROM...
Interconnect 
wires
Hệ thống nhúng (embedded system) trên FPGA 
Source: Internet 44 
System on board 
System on chip 
(SoC) 
Câu hỏi thảo luận (Chuẩn bị cho BG2) 
45 
1. Ngôn ngữ VHDL là gì? 
2. Điểm khác biệt so với các ngôn ngữ lập trình khác? 
3. Tại sao cần có các loại mô tả VHDL khác nhau? 
4. Làm thế nào để xây dựng một chương trình VHDL cho 
một mạch số chức năng cụ thể?