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

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.



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