Giới thiệu ngôn ngữ mô phỏng phần cứng VHDL- phần 1


Hiện nay các mạch tích hợp ngày càng thực hiện được nhiều chức năng hơn, do đó chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống như dùng tối thiểu hoá hàm Boolean hay dùng sơ đồ các phần tử không còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Hơn nữa các mạch thiết kế ra yêu cầu phải được thử nghiệm kỹ lưỡng trước khi đưa vào chế tạo hàng loạt.

Hơn nữa cần phải xây dựng một bộ tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu và thống nhất. Vì thế người ta thường sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng làm phương tiện thiết kế, mô phỏng thử nghiệm các hệ thống số.

Bài báo này sẽ giới thiệu về một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng thông dụng hiện nay; Ðó là ngôn ngữ mô phỏng phần cứng dùng cho mạch tích hợp tốc độ cao (Very high speed Intergrated Circuit Hardware Description Language).

I – Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL).
1. Các phương pháp thiết kế truyền thống.

a/ Phương pháp thiết kế dùng hàm Boolean.

Tất cả các mạch dựa trên các phần tử logic cơ bản gồm cổng logic và các mạch flip-flop đều có thể thiết kế bằng các hàm Boolean. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để tối thiểu hoá hàm Boolean nhằm tăng tính hiệu quả sử dụng các phần tử logic, chẳng hạn như phương pháp dùng bìa cácnô. Về mặt lý thuyết bất kỳ hệ thống số nào cũng có thể biểu diễn dưới dạng các hàm Boolean. Nhưng việc tối thiểu hoá cũng như xử lý hàng nghìn hàm logic rõ ràng là không thực tế. Trong khi các yêu cầu thiết kế hệ thống hiện nay đòi hỏi tới hàng nhiều nghìn hàm Boolean.

ngonngu.jpg (12236 bytes)

Hình 1. Minh hoạ cho phương pháp thiết kế bằng hàm Boolean.

b/ Phương pháp thiết kế dựa trên sơ đồ (là sự mở rộng của phương pháp thiết kế bằng hàm Boolean.)

Trong phương pháp này, người thiết kế có thể sử dụng thêm các mạch chức năng thông dụng khác ngoài các phần tử cơ bản là cổng và flip-flop. Như vậy, phương pháp này cho phép thiết kế thiết kế hệ thống một cách có cấu trúc. Phương pháp thiết kế dựa trên sơ đồ được dùng phổ biến và có rất nhiều phần mềm thiết kế cung cấp cho người thiết kế một giao diện thiết kế đồ hoạ thuận tiện. Trong nhiều năm phương pháp này là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp chế tạo phần cứng số.

ngonngu1.jpg (19077 bytes)

Hình 2. Minh hoạ cho phương pháp thiết kế dựa trên sơ đồ.

c/ Nhược điểm của các phương pháp thiết kế truyền thống.

Mặc dù có ưu điểm là dễ hiểu và dễ sử dụng, phương pháp thiết kế dùng hàm Boolean và phương pháp thiết kế dựa trên sơ đồ có một số nhược điểm. Nhược điểm lớn nhất của các phương pháp này là chúng chỉ mô tả hệ thống dưới dạng mạng các phần tử nối với nhau. Nhìn vào một hệ thống được mô tả bằng hai phương pháp trên (dưới dạng hàm Boolean hay dạng sơ đồ) ta không thể lập tức chỉ ra được các chỉ tiêu và chức năng chung nhất của hệ thống. Ðể thiết kế một hệ thống bằng phương pháp truyền thống, người thiết kế cần phải đi qua hai bước thực hiện hoàn toàn thủ công: đó là chuyển từ các yêu cầu về chức năng của hệ thống sang biểu diễn hệ thống bằng hàm Boolean, sau đó chuyển từ hàm Boolean sang sơ đồ mạch của hệ thống. Cũng tương tự khi cần hiểu được một hệ thống người phân tích cần phân tích sơ đồ mạch của hệ thống chuyển nó thành các hàm Boolean sau đó mới lập lại được các chức năng, hoạt động của hệ thống. Và các bước nói trên hoàn toàn phải thực hiện thủ công không có bất kỳ sự trợ giúp nào của máy tính. ở đây người thiết kế chỉ có thể sử dụng máy tính làm công cụ hỗ trợ trong việc vẽ sơ đồ mạch của hệ thống (dùng công cụ CAE – Computer Aided Tool) và chuyển từ sơ đồ mạch sang công cụ tổng hợp mạch vật lý (dùng công cụ Synthesis).

Một nhược điểm khác của phương pháp thiết kế truyền thống là sự giới hạn trong độ phức tạp của hệ thống. Phương pháp dùng hàm Boolean chỉ có thể dùng để thiết kế các hệ thống lớn nhất biểu diễn bởi vài trăm hàm. Phương pháp dựa trên sơ đồ chỉ có thể dùng để thiết kế lớn nhất chứa tới 6000 phần tử.

2.Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL).

Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng giải quyết được nhược điểm lớn nhất của các phương pháp thiết kế trước đây. Nếu các phương pháp cũ đòi hỏi phải chuyển đổi từ mô tả hệ thống (các chỉ tiêu về chức năng của hệ thống) sang tập hợp các hàm logic bằng tay thì bước chuyển đổi đó hoàn toàn không cần thiết khi dùng ngôn ngữ mô phỏng phần cứng. Hầu hết các công cụ thiết kế dùng ngôn ngữ mô phỏng phần cứng đều cho phép sử dụng biểu đồ trạng thái (finite-state-machine) cho các hệ thống tuần tự cũng như cho phép sử dụng bảng chân lý cho hệ thống tổng hợp. Việc chuyển đổi từ các biểu đồ trạng thái và bảng chân lý sang mã ngôn ngữ mô phỏng phần cứng được thực hiện tự động. Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng được dùng nhiều để thiết kế cho các thiết bị logic lập trình được (PLD-Programmable Logic Device) từ loại đơn giản đến các loại phức tạp như ma trận cổng lập trình được (Field Programmable Gate Array).

Theo DLBKHN.COM.VN

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s