Đồ án Sử dụng ngôn ngữ VHDL xây dựng chuyển mạch không gian đơn giản

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN GVHD : ThS.TRẦN HOÀNG QUÂN SVTH : NGUYỄN VƯƠNG NAM NGUYỄN ĐÌNH THI LỚP : ĐHĐT2B KHÓA : 2006 - 2010 TP. Hồ Chí Minh, Ngày 07 Tháng 07 Năm 2010 LỜI MỞ ĐẦU Xu hướng hiện nay của thế giới là phát triển mạnh công nghệ bán dẫn.Một Chip có thể tích hợp trên nó nhiều cổng logic có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ngày nay ngành công nghệ chế tạo phần cứng luôn có những đột phá không ngừng. Từ các mạch điện đơn giản đến các mạch số, mạch tích hợp, kiến trúc mạch trở nên ngày một phức tạp hơn. Nhờ những ưu điểm hơn hẳn so với các phương pháp phân tích, mô hình hoá, thiết kế mạch số kiểu truyền thống mà phương pháp sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL-Hard ware Description Languages) đang trở thành một phương pháp thiết kế các hệ thống điện tử số phổ biến trên toàn thế giới. Đối với em là sinh viên ngành điện tử viễn thông với luận văn tốt nghiệp của mình. Việc xác định cho mình một đề tài thiết thực và gắn liền với chuyên ngành của mình là một điều cần thiết. Nên em đã chọn đề tài “Sử dụng ngôn ngữ VHDL xây dựng chuyển mạch không gian đơn giản”, đề tài này sẽ xây dựng ứng dụng chuyển mạch tổng đài đơn giản. Bước đầu tìm hiểu ngôn ngữ VHDL, kiểm tra bằng Test bench của phần mềm chuyên dụng XiLinx và cuối cùng là nạp vào KIT để kiểm tra. Bài luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1: Tìm hiểu về chuyển mạch trong tổng đài Chương 2: Tìm hiểu về ngôn ngữ VHDL Chương 3: Giới thiệu Kit Spartan 3E và công cụ ISE 9.2i Chương 4: Thiết kế mạch và nạp Kit Trong quá trình thực hiện đề tài này, do còn hạn chế về kiến thức và thời gian nên không tránh được những thiếu sót. Chúng em kính mong quý thầy cô thông cảm và bỏ qua đồng thời chúng em cũng mong nhận được những góp ý và chỉ bảo thêm của quý thầy cô. LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện tử trường ĐH Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt quá trình học. Đặc biệt là thầy Trần Hoàng Quân đã tận tình chỉ dẫn cho chúng em trong quá trình làm và hoàn thành đồ án này. Đồng cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em học tập và trau dồi kiến thức. Xin cảm ơn các bạn cùng lớp đã có ý kiến đóng góp cho nhóm trong quá trình tìm hiểu và làm đồ án. Do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong nhận được ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn, và tạo lập cho chúng em có một cơ sở nhìn nhận về khả năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn đấu tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Vương Nam Nguyễn Đình Thi NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Khóa: 2006 - 2010 Lớp: ĐHĐT2B GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Ngày…..tháng…..năm 2010 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Khóa: 2006 - 2010 Lớp: ĐHĐT2B ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Ngày….. tháng….. năm 2010 Giáo viên phản biện MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUYỂN MẠCH TRONG TỔNG ĐÀI 1.1. Thực trạng tình hình mạng viễn thông ............................................................. 1 1.2. Mô hình mạng viễn thông ................................................................................. 1 1.3. Lịch sử và xu hướng phát triển của hệ thống tổng đài .................................... 2 1.3.1. Sơ lược về lịch sử kỹ thuật tổng đài ........................................................... 2 1.3.2. Xu hướng phát triển ................................................................................... 4 1.4. Phân loại tổng đài điện tử .................................................................................. 4 1.4.1. Phân loại theo phương thức điều khiển..................................................... 5 1.4.2. Phân loại theo vị trí .................................................................................... 5 1.4.3. Phân loại theo tín hiệu ............................................................................... 6 1.5. Các loại chuyển mạch kênh............................................................................... 6 1.5.1. Chuyển mạch tín hiệu tương tự .................................................................. 6 1.5.2. Chuyển mạch tín hiệu số ............................................................................ 7 1.5.3. Chuyển mạch tín hiệu quang ...................................................................... 7 1.6. Chuyển mạch tương tự ...................................................................................... 7 1.7. Chuyển mạch số ................................................................................................. 8 1.7.1. Nguyên tắc chung........................................................................................ 8 1.7.2. Trường chuyển mạch không gian .............................................................. 8 1.7.2.1. Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian ................. 8 1.7.2.2. Nguyên lý hoạt động..........................................................................10 1.7.2.3. Chuyển mạch song song ....................................................................11 1.7.3. Trường chuyển mạch thời gian ................................................................13 1.7.3.1. Khái niệm chung ................................................................................13 1.7.3.2. Trường chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu ra .............. 14 1.7.3.2.1. Cấu tạo .........................................................................................14 1.7.3.2.2. Nguyên lý làm việc .....................................................................14 1.7.3.3. Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào ........................ 16 1.7.3.3.1. Cấu tạo .........................................................................................16 1.7.3.3.2. Nguyên lý hoạt động ...................................................................16 1.7.3.4. Trễ trong chuyển mạch thời gian ......................................................17 1.7.3.5. Đặc tính không tổn thất .....................................................................17 1.7.4. Trường chuyển mạch ghép .......................................................................17 1.7.4.1. Khái niệm về trường chuyển mạch ghép ..........................................17 1.7.4.2. Trường chuyển mạch TST ................................................................17 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ VHDL 2.1. Giới thiệu về VHDL ........................................................................................20 2.2. Giới thiệu công nghệ và ứng dụng thiết kế mạch bằng VHDL ....................21 2.2.1 Ứng dụng của công nghệ thiết kế mạch bằng VHDL ..............................21 2.2.2 Quy trình thiết kế mạch bằng VHDL ........................................................ 22 2.2.3. Công cụ EDA ............................................................................................ 23 2.2.4. Chuyển mã VHDL vào mạch .................................................................... 23 2.3. Cấu trúc mã ......................................................................................................26 2.3.1. Các đơn vị VHDL cơ bản .........................................................................26 2.3.2. Khai báo Library ......................................................................................26 2.3.3. Entity ( Thực thể) ......................................................................................28 2.3.4. Architecture ( Cấu trúc) ...........................................................................29 2.4. Kiểu dữ liệu ...................................................................................................... 33 2.4.1. Các kiểu dữ liệu tiền định nghĩa .............................................................. 33 2.4.2. Các kiểu dữ liệu người dùng định nghĩa .................................................36 2.4.3. Các kiểu con (Subtypes) ...........................................................................37 2.4.4. Mảng (Arrays) ...........................................................................................37 2.4.5. Mảng cổng ( Port Array) ..........................................................................38 2.4.6. Kiểu bản ghi (Records) .............................................................................38 2.4.7. Kiểu dữ liệu có dấu và không dấu ( Signed and Unsigned) ...................39 2.4.8. Chuyển đổi dữ liệu ....................................................................................39 2.4.9. Tóm tắt ....................................................................................................... 40 2.5. Toán tử và thuộc tính ....................................................................................... 40 2.4.1. Toán tử....................................................................................................... 40 2.4.1.1 Toán tử gán .......................................................................................... 41 2.4.1.2 Toán tử Logic ...................................................................................... 41 2.4.1.3 Toán tử toán học ................................................................................. 41 2.4.1.4 Toán tử so sánh ................................................................................... 41 2.4.1.5 Toán tử dịch ........................................................................................ 42 2.4.2. Thuộc tính .................................................................................................. 42 2.4.2.1.Thuộc tính dữ liệu ............................................................................... 42 2.4.2.2. Thuộc tính tín hiệu ............................................................................. 43 2.4.3. Thuộc tính được định nghĩa bởi người dùng .......................................... 43 2.4.4. Chồng toán tử............................................................................................ 44 2.4.5. Generic ...................................................................................................... 44 2.5. Mã song song ................................................................................................... 45 2.5.1. Song song và tuần tự ................................................................................ 45 2.5.1.1.Mạch tổ hợp và mạch dãy .................................................................. 45 2.5.1.2. Mã song song và mã tuần tự ............................................................. 46 2.5.2. Sử dụng các toán tử ..................................................................................46 2.5.3. Mệnh đề WHEN ........................................................................................47 2.5.4. GENERATE ...............................................................................................47 2.5.5. BLOCK ......................................................................................................48 2.5.5.1.Simple BLOCK ...................................................................................48 2.5.5.2. Guarded BLOCK ...............................................................................48 2.6. Mã tuần tự ........................................................................................................49 2.6.1. PROCESS ..................................................................................................49 2.6.2. Signals và Variables .................................................................................49 2.6.3. IF ................................................................................................................ 50 2.6.4. WAIT .......................................................................................................... 50 2.6.5. CASE .......................................................................................................... 51 2.6.6. LOOP ......................................................................................................... 51 2.6.7. Bad Clocking ............................................................................................. 52 2.6.8. Sử dụng mã tuần tự để thiết kế các mạch tổ hợp .................................... 52 2.7. Signal và Variable............................................................................................ 52 2.7.1. CONSTANT ............................................................................................... 53 2.7.2. SIGNAL ..................................................................................................... 53 2.7.3. VARIABLE ................................................................................................. 54 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU KIT SPARTAN 3E VÀ CÔNG CỤ ISE 9.2i 3.1. Các thành phần của KIT .................................................................................. 55 3.2. Sơ đồ chân của XC3S500E .............................................................................56 3.3. Bộ tạo dao động trên KIT ................................................................................56 3.4. Các nút chuyển, nút nhấn, Led........................................................................57 3.5. Cấp nguồn ........................................................................................................59 3.6. Cấu hình FPGA ................................................................................................59 3.6.1. Nạp trực tiếp vào FPGA thông qua cổng JTAG hay cổng USB ............ 61 3.6.2. Nạp vào Platform Flash PROM XCF04S (4Mbit), rồi cấu hình cho FPGA ở chế độ Master Serial Mode .................................................................. 62 3.6.2.1. Tạo file bitstream (.bit) cho FPGA ................................................... 62 3.6.2.2. Tạo file cấu hình cho PROM ............................................................ 64 3.6.2.3. Nạp chương trình vào PROM ...........................................................67 3.7. Tổng quan cấu trúc SPARTAN - 3E .............................................................. 70 3.7.1. Input/Output Blocks (IOBs) : các khối vào ra ........................................ 70 3.7.2. Configurable Logic Blocks (CLBs) : Khối chức năng logic .................. 71 3.7.3. Block RAM : Khối nhớ ............................................................................. 72 3.7.4. Dedicated Multipliers : Bộ nhân chuyên dụng ....................................... 72 3.7.5. Digital Clock Managers (DCMs) : Bộ quản lí xung Clock .................... 73 3.7.6. Interconnect : Các kết nối ........................................................................ 74 3.8. Sơ lược về ISE 9.2 i ......................................................................................... 74 3.8.1. Tạo một Project......................................................................................... 74 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH VÀ NẠP KIT 4.1. Ý tưởng thiết kế mạch ..................................................................................... 94 4.2. Thiết kế mạch ................................................................................................... 94 4.3. Cấu trúc mạch và code chương trình ..............................................................96 4.3.1. Cấu trúc mạch ...........................................................................................96 4.3.2. Code chương trình ....................................................................................98 4.3.3. Kết quả mô phỏng bằng Test Bench ..................................................... 103 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH, BẢNG Chương 1: