SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN

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

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:

Hình 1.1 Các thành phần mạng viễn thông

Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch số

Hình 1.3 Cấu tạo của trường chuyển mạch không gian

Hình 1.4 Chuyển mạch song song

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mạch không gian thực tế

Hình 1.6a Tổng thể

Hình 1.6b Mô hình chuyển mạch thời gian

Hình 1.7 Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra

Hình 1.8 Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào

Hình 1.9 Trường chuyển mạch TST

Hình 1.10 Mô hình chuyển mạch có 4 PCM vào và 4 PCM ra

Chương 2:

Hình 2.1 Tóm tắt quy trình thiết kế VHDL

Hình 2.2.a Sơ đồ tổng quát về bộ cộng đầy đủ

Hình 2.2.b Bảng chân lý của bộ cộng đầy đủ

Hình 2.3 Mã thiết kế bộ cộng

Hình 2.4.a Các ví dụ về sơ đồ mạch có thể có ứng với mã như hình 2.3 Hình 2.4.b: Kết quả mô phỏng bộ cộng được thiết kế theo hình 2.3 Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của một đoạn mã VHDL

Hình 2.6 Các phần cơ bản của một Library

Hình 2.7 Các chế độ tín hiệu

Hình 2.8 Cổng NAND

Hình 2.9 Sơ đồ của triger RS

Hình 2.10 Minh họa scalar (a), 1D (b), 1Dx1D (c), và 2D (d)

Hình 3.1 Sơ đồ chân của XC3S500E

Hình 3.2 Bộ tạo dao động trên Kit

Hình 3.8 Cài đặt thuộc tính cho Bitstream Generator

Hình 3.9 Set CCLK Configuration Rate under Configuration Options

Hình 3.10 Double-Click Generate Programming File

Hình 3.11 Double-Click Generate PROM, ACE, or JTAG File

Hình 3.12 Double-Click PROM File Formatter

Hình 3.13 Choose the PROM Target Type, the, Data Format, and File Location Hình 3.14 Format và config PROM

Hình 3.15 PROM Formatting Completed

Hình 3.16 Click Operations -> Generate File to Create the Formatted PROM File

Hình 3.17 PROM File Formatter Succeeded

Hình 3.18 Switch to Boundary Scan Mode

Hình 3.19 Assign the PROM File to the XCF04S Platform Flash PROM

Hình 3.20 Program the XCF04S Platform Flash PROM

Hình 3.21 Select XCF04S Platform Flash PROM

Hình 3.22 PROM Programming Options

Hình 3.23 CLB Locations

Hình 3.24 Spartan 3E Family Architecture

Hình 3.25 Principle Ports and Functions of Dedicated Multiplier Blocks Hình 3.26 DCM Functional Blocks and Associated Signals

Bảng 3-1 Cài đặt Jumper ở chế độ cấu hình FPGA

Chương 4:

Hình 4.1 Ma trận chuyển mạch không gian

Hình 4.2 Chuyển mạch không gian 4*4

Hình 4.2 Ngõ vào A-X thông thoại

Hình 4.3 Ngõ vào A-X, B-Z tích cực

Hình 4.4 Ma trận chuyển mạch 4 ngõ tích cực

Hình 4.6 Mô phỏng chuyển mạch 4*4

Hình 4.7 Mô phỏng tổng đài 8*8

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 1

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUYỂN MẠCH TRONG TỔNG ĐÀI 1.1 Thực trạng tình hình mạng viễn thông

Trao đổi thông tin là một nhu cầu cần thiết và thiết yếu hàng ngày Khi các mối quan hệ kinh tế - xã hội ngày càng phát triển thi nhu cầu đó ngày càng tăng cao Các thông tin được trao đổi rất đa dạng về hình thức như thoại, văn bản, số liệu, hình ảnh và rất phong phú về cách trao đổi Chúng có thể trao đổi trực tiếp qua giao tiếp, đối thoại và cũng có thể được thực hiện một cách gián tiếp qua thư

từ, điện thoại, điện tín… Thông tin viễn thông theo nghĩa rộng có thể hiểu là hình thức trao đổi thông tin từ xa bao gồm cả bưu chính, điện tín và điện báo… và cả các hình thức thông tin đại chúng quảng bá

các mạng truyền thông Sự phát triển mạnh mẽ của hạ tầng truyền thông trong một

số năm gần đây đã tạo ra các cuộc cách mạng về khoa học công nghệ và kỹ thuật chuyển mạch là một phần của sự phát triển đó

1.2 Mô hình mạng viễn thông

Hình 1.1 Các thành phần mạng viễn thông

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 2

Phần mềm: Hỗ trợ các thành phần trên hoạt động có hiệu quả

Khái niệm chuyển mạch: Là sự thiết lập của một kết nối cụ thể từ một lối

vào đến một lối ra mong muốn trong một tập hợp các lối vào và ra cho đến khi nào đạt được yêu cầu truyền tải thông tin Nhằm mục đích thiết lập đường truyền thông tin qua mạng theo cấu trúc cố định hoặc biến động.Quá trình chuyển mạch được thực hiện tại các nút mạng

Trong mạng chuyển mạch gói các nút mạng thường được gọi là thiết bị định tuyến hay bộ định tuyến

Trong mạng chuyển mạch kênh các nút mạng thường gọi là hệ thống chuyển mạch hay tổng đài

1.3 Lịch sử và xu hướng phát triển của hệ thống tổng đài

1.3.1 Sơ lược về lịch sử kỹ thuật tổng đài

Kỹ nghệ tổng đài điện tử đã bắt đầu được chú ý từ những năm 1940, và cho tới ngày nay nó càng được phát triển ngày càng hoàn thiện hơn

Năm 1938, hãng ERICSSON (Thụy Điển) đã có phát minh đầu tiên về trường chuyển mạch điện thoại dùng đèn điện tử cơ khí

Năm 1943, hãng BELL (Hà Lan) thiết kế hệ thống tổng đài có bộ chọn điện cơ khí kiểu quét, làm việc theo nguyên lý cận điện tử

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 3

Năm 1945, hãng CGCT (Pháp) đã thiết kế tổng đài điện tử đầu tiên theo nguyên lý chuyển mạch thời gian

Năm 1947, hãng PHILIPS (Hà Lan) thiết kế tổng đài điện tử dùng đèn điện

Năm 1957, hãng CGCT (Pháp) đã sản xuất hàng loạt tổng đài cở nhỏ 20 số dùng trên các tàu chiến Loại tổng đài này sử dung các mạch điện điều khiển bằng xuyến từ và trường chuyển mạch bằng điốt

Năm 1959, hãng BELL (Mỹ) đã đưa thiết kế đầu tiên về hê thống thông tin hợp nhất PCM ESSEX và mẫu thực nghiệm đã được đưa ra khai thác thử

Năm 1960, hội nghị quốc tế đầu tiên về các vấn đề liên quan đến tổng đài điện tử được tổ chức, cứ 3 năm tổ chức 1 lần

Năm 1962, hãng SIEMENS (Đức) đã khai thác tổng đài điện tử thông dụng ESM Ở Anh đã cho sản xuất và khai thác thử tổng đài chuyển mạch thời gian Tiệp Khắc đã cho sản xuất các tổng đài điện tử cơ quan loại nhỏ

Năm 1963, hãng STANDARD ELEKTRIK LOREN (Đức) đã sản xuất và đưa vào sử dụng tổng đài cận điện tử thông dụng đầu tiên HEGOL

Năm 1965, hãng BELL (Mỹ) đưa vào khai thác tổng đài thương mại đầu tiên ESS-1

Năm 1966, hãng ERICSSON (Thụy Điển) đã đưa vào khai thác tổng đài điện tử thương mại AXE

Năm 1967, hãng BELL (Hà Lan) khai thác tổng đài điện tử 10C

Từ năm này trở đi, kỹ thuật tổng đài điện tử đã có bước nhảy vọt rất lớn cả

về công nghệ chế tạo, kỹ thuật chuyển mạch và kỹ thuật điều khiển Nhiều hãng

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 4

nổi tiếng và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển như: Pháp, Mỹ, Nhật Bản,

Hà Lan, Thụy Điển đã đi sâu vào nghiên cứu và sản xuất thành công nhiều loại tổng đài điện tử hiện đại

1.3.2 Xu hướng phát triển

Cũng công nghệ điện tử, công nghệ thông tin nói chung thì công nghệ thiết

bị chuyển mạch đã và đang có những bước phát triển nhảy vọt Trong thời gian tới

kỹ thuật chuyển mạch tập trung vào những vấn đề sau:

- Tiếp tục hoàn thiện độ an toàn, rút gọn cấu trúc phần cứng, phát triển thêm các dịch vụ mới

- Hoàn thiện các phần mềm để đảm bảo an toàn cho vận hành, bảo trì và cho người sử dụng

- Tiếp tục phát triển cao phần mềm ứng dụng mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ

- Phát triển theo hướng hoàn chỉnh ISDN (Integrated Services Digital Network) và mở rộng phạm vi sử dụng B-ISDN (Broadband ISDN – Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng) Tăng cường thông tin theo công nghệ ATM (Asynchronous Transfer Mode – Phương thức truyền không đồng bộ), đáp ứng nhu cầu dịch vụ đa phương tiện

- Tiếp tục hoàn thiện các tổng đài theo công nghệ chuyển mạch quang để sớm đưa ra các tổng đài thương mại

1.4 Phân loại tổng đài điện tử

Phân loại theo phương thức chuyển mạch

- Chuyển mạch phân kênh theo không gian: Các tiếp điểm chuyển mạch là các linh kiện điện tử 2 trạng thái: đèn điện tử, transistor, IC Loại này vẫn còn đang sử dụng

- Chuyển mạch phân kênh theo thời gian: Đang sử dụng

- Chuyển mạch phân kênh theo tần số: Hiện thời không được sử dụng trong viễn thông

- Chuyển mạch phân kênh theo bước sóng (Chuyển mạch quang): Đang nghiên cứu để sử dụng trong tương lai

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 5

- Chuyển mạch số: Sử dụng nguyên lý PCM (Pulse Code Modulation – Điện xung mã) Đây là phương thức phù hợp cho hệ thống thông tin hợp nhất và

đa dịch vụ, hệ thống thông tin số, truyền số liệu Xét về kinh tế và kỹ thuật thì đây

là phương thức ưu việt nhất trong giai đoạn hiện nay

1.4.1 Phân loại theo phương thức điều khiển

Việc điều khiển trong tổng đài điện tử được chia làm 2 loại:

Tổng đài điện tử điều khiển phân tán: Gồm có các thiết bị nhận dạng, ghi phát riêng biệt các thiết bị điều khiển đều được điện tử hoá

Tổng đài điện tử điều khiển tập trung (điều khiển bằng chương trình): Ở loại này việc điều khiển tập trung ở khối xử lý trung tâm (CPU) Thiết bị CPU này

sẽ thông qua các thiết bị giao tiếp ngoại vi điều hành mọi hoạt động của tổng đài

Về mặt cấu trúc logic thì thiết bị điều khiển có thể chia làm 2 loại:

Điều khiển theo chương trình lưu trữ sẵn (SPC-Stored Program Control) Điều khiển theo chương trình được lập ra tức thời bởi các mạch điện logic

1.4.2 Phân loại theo vị trí

Dựa vào vị trí, hiện nay có 4 loại tổng đài:

 Tổng đài quốc tế

 Tổng đài chuyển tiếp quốc gia

 Tổng đài chuyển tiếp vùng

 Tổng đài nội hạt

Tên gọi quốc tế của một số loại tổng đài sau:

Tổng đài cửa ngõ quốc tế (Gateway Exchange): Dùng để chọn hướng và chuyển mạch các cuộc gọi vào mạng quốc tế để nối các quốc gia với nhau, có thể chuyển tải cuộc gọi quá giang

Tổng đài đường dài TE (Toll Exchange): Dùng để kết nối các tổng đài ở các tỉnh với nhau, chuyển mạch các cuộc gọi đường dài trong nước

Tổng đài nội hạt LE (Local Exchange): Được đặt ở trung tâm huyện tỉnh và

sử dụng tất cả các loại trung kế

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 6

Tổng đài nông thôn (Rural Exchange): Được sử dụng ở các xã, khu dân cư đông, chợ và có thể sử dụng tất cả các loại trung kế

Tổng đài cơ quan PABX: Được sử dụng trong các cơ quan, khách sạn và thường sử dụng trung kế CO-Line (Central Office)

Các loại tổng đài trên dù là loại tổng đài nào thì chúng cũng phải đảm đương các tính năng: báo hiệu, xử lý báo hiệu, tính cước, điều khiển, bảo dưỡng, quản lý mạng lưới và tổng đài

1.4.3 Phân loại theo tín hiệu

Phân loại theo cách này gồm có:

1.5 Các loại chuyển mạch kênh

1.5.1 Chuyển mạch tín hiệu tương tự

Được sử dụng trong các tổng đài tương tự dùng để kết cấu thành hệ thống chuyển mạch tổng đài Trong các tổng đài tương tự và tổng đài số nó được sử dụng trong các hối tập trung thuê bao tương tự trước khi đưa vào các thiết bị biến đổi A/D, D/A

Quá trình xử lý gọi hay quá trình thiết lập một tuyến vật lý từ thuê bao gọi đến thuê bao bị gọi được điều khiển bởi thiết bị điều khiển trung tâm Tuyến vật lý này chỉ dàng riêng cho từng cuộc gọi trong suốt thời gian tiến hành cuộc gọi đó Tất cả các tín hiệu trên tuyến này điều ở dạng tương tự

Ở tổng đài tương tự, trường chuyển mạch không gian có cấu trúc kiểu phân tầng, được hình thành bởi các ma trận Do vậy quá trình khai thác sẽ có tổn thất nội bộ do mỗi kênh điều được bố trí một khe thời gian dành cho nó

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 7

1.5.2 Chuyển mạch tín hiệu số

Tổng đài số sử dụng kỹ thuật chuyển mạch số Các tín hiệu truyền dẫn qua trường chuyển mạch này đều ở dạng số (tín hiệu của các cuộc gọi đã được mã hóa thành tín hiệu PCM) Để chuyển mạch giữa chúng thì cần phải thực hiện chuyển đổi khe thời gian giữa các kênh thoại từ đầu vào đến đầu ra của các trường chuyển mạch

Có 2 dạng chuyển mạch số: Chuyển mạch thời gian và chuyển mạch không gian Hệ thống chuyển mạch thường có cấu trúc ghép hợp của chuyển mạch không gian và thời gian

1.5.3 Chuyển mạch tín hiệu quang

1.6 Chuyển mạch tương tự

Ưu nhược điểm của chuyển mạch tương tự:

Qua nghiên cứu về hệ chuyển mạch tương tự ta thấy chúng còn tồn tại những hạn chế:

- Trường chuyển mạch có cấu trúc phân tầng, nhiều tầng nên quá trình khai thác sẽ bị tổn thất lớn, đồng thời việc khắc phục ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phần

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 8

1.7 Chuyển mạch số

1.7.1 Nguyên tắc chung

Trước khi đưa vào thiết bị chuyển mạch số, tín hiệu của các thuê bao được chuyển từ dạng tương tự thành dạng tín hiệu số và được ghép vào các tuyến PCM Công việc này được tiến hành ở khối tập trung thuê bao (TTTB)

Mỗi tuyến PCM tải m tín hiệu của m thuê bao khác nhau Vì vậy đầu vào của thiết bị chuyển mạch số sẽ có n tuyến PCM chứ không phải là tín hiệu các kênh riêng lẻ như trong thiết bị tương tự

1.7.2 Trường chuyển mạch không gian

1.7.2.1 Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian

Trường chuyển mạch (TCM) không gian số có cấu trúc kiểu ma trận

giao điểm của các hàng và cột là những tiếp điểm chuyển mạch điện tử kiểu các cổng logic AND, thường là mạch cổng 3 trạng thái Một đầu vào của cổng được

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 9

nhớ điều khiển

Mỗi phần tử chuyển mạch trong cột được gắn với một mã nhị phân tương

Hình 1.3 Cấu tạo của trường chuyển mạch không gian

Ở mỗi cột, các tiếp điểm được nói tới một bộ nhớ điều khiển để đưa các tín hiệu điều khiển vào các cổng AND Số lượng các cột nhớ bằng số lượng các cột tíếp điểm Mỗi cột nhớ điều khiển có số lượng ô nhớ bằng số lượng các khe thời gian của các PCM vào

+ Khối ma trận chuyển mạch

Khối ma trận chuyển mạch được cấu trúc dưới dạng ma trận hai chiều gồm các cổng đầu vào và các cổng đầu ra, trên các cổng là các tuyến PCM có chu kỳ khung 125µs Các điểm nối trong ma trận là các phần tử logic không nhớ (thông thường là các mạch AND) Một ma trận có (N) cổng đầu vào và (M) cổng đầu ra trở thành ma trận vuông khi N=M

+ Khối điều khiển khu vực

Khối điều khiển khu vực gồm một số khối thiết bị như:

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 10

- Bộ nhớ điều khiển kết nối CMEM (Control MEMory) lưu trữ các thông tin điều khiển theo chương trình ghi sẵn cho ma trận chuyển mạch, nội dung thông tin trong CMEM sẽ thể hiện vị trí tương ứng của điểm kết nối cần chuyển

- Bộ giải mã địa chỉ DEC (DECode) chuyển các tín hiệu điều khiển mã nhị phân thành các tín hiệu điều khiển cổng cho phần tử kết nối AND

- Bộ đếm khe thời gian TS.C (Time Slot Counter) nhận tín hiệu đồng hồ từ đồng hồ hệ thống cấp các xung đồng bộ cho bộ điều khiển theo đồng bộ của các tuyến PCM vào và tuyến PCM ra

- TS.C đưa tín hiệu đồng bộ vào bộ chọn (SEL) để đồng bộ quá trình ghi dịch địa chỉ và tác vụ ghi đọc của bộ nhớ CMEM

1.7.2.2 Nguyên lý hoạt động

Trường chuyển mạch không gian cho phép chuyển mạch từ TSj của PCM đầu vào tới TSj cùng tên của mọi PCM khác ở đầu ra Để làm được điều đó, ở các cột nhớ điều khiển người ta chia ra các ô nhớ

Mỗi ô nhớ gắn liền với một khe thời gian đầu vào Số thứ tự của nó được đánh từ 00 đến 31 nếu các tuyến PCM đầu vào là loại 32 khe thời gian

Thực tế thường các PCM từ 32 đến 1024 khe thời gian Để tiến hành điều khiển đấu nối cho một tuyến đầu vào tới một tuyến đầu ra nào đó thì cần phải thao tác tiếp điểm số lượng tương ứng là giao điểm của hàng và cột đó Do vậy mà mỗi tiếp điểm chuyển mạch hàng cột được địa chỉ hoá bởi một địa chỉ nhị phân Địa chỉ này được ghi ở bộ nhớ điều khiển Khi một tiếp điểm nào đó thao tác thì nó chỉ duy trì mở cổng trong một khoảng thời gian bằng một khe thời gian Các địa chỉ nhị phân có kích thước từ mã địa chỉ x bit sao cho 2x = n , với n là số tiếp điểm trong cột, chính là các PCM đầu vào

Để chuyển mạch cho một khe thời gian nào đó của PCM đến chính khe thời gian đó của PCM khác đầu ra, thì ô nhớ có thứ tự cùng khe thời gian đó được bộ điều khiển trung tâm lấy ra và ghi địa chỉ của tiếp điểm chuyển mạch là giao điểm của hang và cột chứa khe thời gian đó

Ví dụ:

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 11

Cần chuyển mạch cho TS7/X1 tới TS7/Y3 thì cột nhớ số 3 được ghi ra, ô nhớ số 7 được ghi địa chỉ của tiếp điểm số 1 ở dạng nhị phân “00001” Trong trường hợp như vậy, cứ mỗi khe thời gian TS7 đến thì bộ nhớ lại làm việc căn cứ vào nội dung của “00001” nó đưa ra lệnh điều khiển để điều khiển tiếp điểm số 1của cột số 3 thông mạch và khoảng thời gian TS7 thì X1 được nối đến Y3

Các cột nhớ điều khiển được thao tác một cách lần lược, tức là lần lược nội dung của các ô nhớ trong đó được gọi ra Vì vậy việc đánh địa chỉ của các ô nhớ được thực hiện cũng phải tuần tự tương ứng với thứ tự các khe thời gian đầu vào Nội dung của mỗi ô nhớ chỉ được đọc ra và tạo tín hiệu điều khiểncho tiếp điểm chuyển mạch tương ứng mở chỉ trong một khe thời gian Sau đó tiếp điểm đóng hoặc tiếp tục thao tác mở nhưng phục vụ cho khe thời gian tiếp theo

Sau một chu kỳ đọc kéo dài từ 32-1024 khe thời gian, nó lại quay về để mở tiếp điểm cho khe thời gian bắt đầu Một tiếp điểm nào đó duy trì mở cho một khe thời gian nào đó được lặp đi lặp lại mỗi khung và cho đến khi kết thúc cuộc gọi thông thường một cuộc gọi kéo dài khoảng 1 triệu khung

Trường chuyển mạch không gian cho tín hiệu số chỉ tiến hành chuyển mạch cho một PCM đầu vào đến một PCM đầu ra nào đó nhưng vẫn giữ nguy6n khe thời gian Một tiếp điểm có thể sử dụng đấu nối cho nhiều cuộc gọi, vì vậy hiệu suất sử dụng các tiếp điểm khá cao Để giải phóng một cuộc đấu nối thì thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển khoá nội dung của ô nhớ tương ứng với khe thời gian dành cho cuộc gọi Như vậy trong khoảng thời gian của chu kỳ quét sau khe thời gian đó thì tiếp điểm tương ứng không được mở

1.7.2.3 Chuyển mạch song song

Ở các tổng đài điện tử số thường trường chuyển mạch không gian sử dụng nguyên tắc chuyển mạch song song các bit trong mỗi khe thời gian để tiết kiệm các tiếp điểm chuyển mạch Sơ đồ chức năng được mô tả ở hình 1.4

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 12

Hình 1.4 Chuyển mạch song song

Theo nguyên lý chuyển mạch song song, các tuyến vào trước khi đưa tới trường chuyển mạch thì được biến đổi từ nối tiếp thành song song cho các bit thuộc 1 byte, bởi thiết bị chuyển đổi có 1 mạch dây vào và 8 mạch dây ra 8 bit nối tiếp của mõi TS đầu vào được chuyển đổi thành 8 bit song song trên 8 mạch dây

ra Vậy ở mạch 8 dây ra để duy trì tốc độ là 2048 kbit/s thì số kênh được ghép sẽ tăng lên gấp 8 lần, tức là nếu mỗi dây vào có 32 kênh thì mỗi chùm đầu ra có 32 x

8 = 256 kênh Như vậy, ở mạch 8 dây đầu ra dẫn tới trường chuyển mạch không gian có thể xem là một tuyến PCM ở dạng bit song song chứa 8 dây Trong trường hợp như vậy mỗi tiếp điểm trong trường chuyển mạch được thay bằng một nhóm 8 tiếp điểm, 8 tiếp điểm này thực hiện chuyển mạch cho một kênh chỉ trong thời gian 1 bit, nhưng 8 tiếp điểm làm việc đồng thời Xem hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mạch không gian thực tế

Giả sử cần phải chuyển mạch không gian qua trường chuyển mạch cho 40 PCMi loại 32 TS tới PCMo/32TS, thì trong trường hợp nếu để chuyển mạch ở dạng nối tiếp ở phần nguyên lý đã xét ta phải tốn thêm 40 x 40 = 1600 tiếp điểm còn trường hợp chuyển mạch song song thì chỉ cần 40/8 x 40/8 x 8 = 200 tiếp

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 13

điểm, lúc này số tuyến PCMi và PCMo giảm đi 8 lần Điều này có ý nghĩa lớn về kinh tế và kỹ thuật điều khiển

1.7.3 Trường chuyển mạch thời gian

1.7.3.1 Khái niệm chung

Khối chuyển mạch khe thời gian được thực hiện chuyển đổi khe thời gian sao cho mỗi khe mỗi khe thời gian đầu vào tiếp cận được bất kỳ khe thời gian nào đó

ở đầu ra Để làm nhiệm vụ đó bộ chuyển mạch thời gian cần phải có chức năng lưu trữ và phân phối tin cho các khe thời gian Muốn vậy nó phải được cấu trúc từ

có một bộ nhớ trong bộ nhớ tiếng nói và một ô nhớ trong bộ nhớ điều khiển dành cho một khe thời gian đầu vào và đầu ra Trong bất kỳ thời gian nào khi mà khe thời gian ra (đích) rỗi thì luôn luôn có logic để đấu nối giữa đầu vào với đầu ra và như vậy ta thấy trường chuyển mạch có tính chất tiếp thông hoàn toàn

Việc đọc và ghi tin từ các mẫu tin trong khe thời gian đầu vào và đưa vào

bộ nhớ tiếng nói nào và đọc nó vào khe thời gian nào ở PCMo là tuỳ thuộc vào nguyên tắc điều khiển, tức là nguyên tắc dựa vào địa chỉ trong các bộ nhớ điều khiển dưới sự giám sát và điều khiển của bộ nhớ trung tâm Mô hình chung được

mô tả ở hình 1.6

Hình 1.6a Tổng thể

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 14

Hình 1.6b Mô hình chuyển mạch thời gian

Có 2 loại trường chuyển mạch thời gian được sử dụng rộng rãi:

 Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu vào

 Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra

1.7.3.2 Trường chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu ra

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 15

Hình 1.7 Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra

Bộ điều khiển trung tâm quyết định nội dung của các ô nhớ trong bộ nhớ tiếng nói sẽ được đọc vào khe thời gian nào của PCM đầu ra Mỗi ô nhớ của bộ nhớ điều khiển được lien kết chặt chẽ với khe thời gian tương ứng của PCMo và

nó chứa địa chỉ của 1 khe thời gian nào đó của PCMi cần đấu nối tới khe thời gian

có địa chỉ được ghi trong ô nhớ có số thứ tự của khe thời gian đó

Ví dụ:

Cần chuyển mạch cho TS4/PCMi tới TS6/PCMo Trong trường hợp này,tổ hợp mã nằm ở TS4/PCMi được ghi vào ô nhớ “04” của bộ nhớ tiếng nói Đồng thời ô nhớ “06” của bộ nhớ điều khiển được ghi địa chỉ của khe thời gianTS4 dưới dạng nhị phân “00100” Số lượng bit trong mỗi ô nhớ tuỳ thuộc vào số lượng khe thời gian của PCM vào và ra Nếu có 32 TS thì sử dụng 5 bit địa chỉ Căn cứ vào nội dung địa chỉ trong ô nhớ thông qua bus địa chỉ nó sẽ phát lệnh đọc nội dung của ô nhớ tiếng nói có địa chỉ tương ứng “00100” vào khe thời gian cần thiết (đích – “06”) ở đầu ra

Bộ nhớ điều khiển và tuyến PCM ra hoạt động tuần tự và gắn bó với nhau, tức là khi khe thời gian TS0 đến thì ô “00” của bộ nhớ điều khiển được dòthử nội dung, tương tự cho các khoảng thời gian còn lại, cho tới khe cuối cùng TS31 Cứ sau một khoảng thời gian là 1 khe thời gian thì bộ nhớ điều khiển lại nhảy một bậc cứ mỗi khung thời gian thì mỗi ô được dò thử một lần, và mỗi lần dò thì một

tổ hợp mã ở bộ nhớ tiếng nói được đọc ra một lần, cứ như vậy cho đến khi cuộc gọi kết thúc thì các ô nhớ tương ứng được giải phóng

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 16

1.7.3.3 Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào

- Bộ đếm khe thời gian là bộ đếm kiểu Module

Hình 1.8 Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào

1.7.3.3.2 Nguyên lý hoạt động

Theo phương thức này thì quá trình ghi các tổ hợp mã trong các khe thời gian của tuyến PCMi vào ô nhớ của bộ nhớ tin được thực hiện có điều khiển, còn việc đọc chúng vào các khe thời gian của tuyên PCMo được tiến hành tuần tự Để thực hiện điều đó mỗi ô nhớ điều khiển được gắn liền với mỗi khe thời gian của PCM vào theo thứ tự

Hoạt động của bộ nhớ điều khiển được tiến hành tuần tự theo thứ tự của khe thời gian đầu vào, tức là ở thời điểm xuất hiện TS0 của PCMi thì bộ điều khiển trung tâm tiến hành dò thử ô nhố “00”, tương tự cho đến hết ô nhớ TS31 Cứ sau một khoảng thời gian là 1 khe thời gian thì bộ nhớ điều khiển lại nhảy một bậc Mỗi lần dò thì bộ điều khiển trung tâm sã đọc nội dung ô nhớ đó, nội dung đó

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 17

chính là địa chỉ của ô nhớ tiếng nói mà mẫu tin cần được ghi vào đo độ tương ứng với khe thời gian tại thời điểm đó

1.7.3.4 Trễ trong chuyển mạch thời gian

Quá trình chuyển đổi khe thời gian từ PCMi tới PCMo thường xuất hiện hiện tượng trễ thời gian Thời gian trễ cực tiểu là 1TS và cực đại là (n-1)TS; với n

là số khe thời gian của hệ thống Trong quá trình chuyển đổi khe, việc chuyển giao các mẫu tin phải được tiến hành trong khoảng thời gian của 1 khung Việc xuất hiện trễ không ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống vì mức độ trễ tối đa là 125µs thì tai người không phân biệt được, và nó chỉ xảy ra ở thời điểm xuất hiện mẫu tin đầu

1.7.3.5 Đặc tính không tổn thất

Trong các bộ chuyển mạch thời gian, mỗi khe thời gian đầu vào và đầu ra, mỗi ô nhớ của bộ nhớ tiếng nói và bộ nhớ điều khiển được dnàh để ghi mẫu tiếng nói và địa chỉ riêng biệt Vì vậy trong quá trình khai thác sẽ không có tổn thất do bản thân trường chuyển mạch gây ra

Tuy nhiên, vẫn có những cuộc gọi không thành công vì những lý do khác, hoặc là do thuê bao bận hay sự cố, hay tổn thất cuộc gọi do bộ tập trung thuê bao gây ra Nhưng rõ ràng với tổng đài điện tử thì tổn thất rất thấp, thường chỉ khoảng 2/1000

1.7.4 Trường chuyển mạch ghép

1.7.4.1 Khái niệm về trường chuyển mạch ghép

Để tránh những tổn thất (phức tạp, tốn nhiều chi phí, gây tổn thất nội bộ trong quá trình khai thác, khối lượng ô nhớ quá lớn gây phức tạp cho quá trình điều khiển…) do trường chuyển mạch không gian và thời gian thuần tuý gây ra

Thông thường ở các tổng đài điện tử số để giảm tổn thất chung, nhất là ở các tầng ra thì thường dùng bộ chuyển mạch thời gian kết nối bộ chuyển mạch không gian tạo thành trường chuyển mạch ghép: TST Có những tổng đài dùng TSST, còn những tổng đài bình thường chỉ dùng ST…

1.7.4.2 Trường chuyển mạch TST

Trường chuyển mạch TST bao gồm một khối chuyển mạch không gian có kích

thước (n x n) và 2 khối chuyển mạch thời gian ở đầu vào và đầu ra

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 18

Mỗi khối chuyển mạch thời gian có n bộ chuyển mạch Mỗi bộ chuyển mạch

có m khe thời gian, mỗi khe đều có 1 ô nhớ trong bộ nhớ tiếng nói và 1 ô nhớ trong bộ nhớ điều khiển

Ở tổng đài nội hạt, các tầng chuyển mạch trong các tuyến PCM thường có cấu trúc “gập”- đầu ra nối với đầu vào Ở tổng đài chuyển tiếp, trường chuyển mạch không “gập” Còn các tổng đài điện tử ngày nay có cấu trúc cho cả nội hạt và chuyển tiếp nên trường chuyển mạch có “gập” và không “gập”

Hình 1.9 Trường chuyển mạch TST

Khối chuyển mạch không gian sử dụng ma trận 4 x 4; phần chuyển mạch thời gian đầu vào có 4 chuyển mạch thời gian IT0 -> IT3; còn đầu ra sử dụng OT0 -> OT3 Trong trường chuyển mạch loại này thường sử dụng các khe thời gian của tuyến PCM trung gian Số lượng khe thời gian của các tuyến PCM trung gian bằng

số lượng khe thời gian của các tuyến PCM vào Như vậy, từ các ITi nối tới “S” và

từ “S” tới OTi đều bằng các tuyến PCM trung gian

Hình 1.10 Mô hình chuyển mạch có 4 PCM vào và 4 PCM ra

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 19

Giả sử thuê bao chủ gọi được phân phối khe thời gian TS4 của PCMi0, và thuê bao bị gọi được phân phối cho khe thời gian TS6 của PCMi3 Trong quá trình chuyển mạch qua các bộ chuyển mạch thời gian để chuyển tiếp tới bộ chuyển mạch không gian và ngược lại thường dùng các khe thời gian trung gian

Giả sử:

- TS10: khe thời gian trung gian cho hướng từ chủ gọi đến bị gọi

- TS11: khe thời gian trung gian cho hướng từ bị gọi đến chủ gọi

Quá trình chuyển mạch được thực hiện như sau:

Từ khe thời gian TS4/PCMi0 qua IT0 nó được chỉ đến khe thời gian TS10/PCM trung gian 0 Qua chuyển mạch không gian, PCM “0” được nối tới PCM3, nhưng đầu vào OT3 vẫn giữ nguyên tại TS10 Khi qua chuyển mạch thời gian OT3 tin ở TS10 được chuyển tới khe thời gian TS6 của tuyến PCMo3 được đưa tới phía thu của khối tập trung thuê bao về thuê bao bị gọi

Để đấu nối tuyến truyền tiếng nói của thuêu bao bị gọi tới thuê bao chủ gọi thì cần thiết phải chuyển khe thời gian TS6 của tuyên PCMi3 dành cho thuê bao bị gọi tới khe thời gian TS4 của PCMo “0” dành cho thuê bao chủ gọi

Quá trình đấu nối trước hết thực hiện qua IT3 tới khe thời gian TS11 của PCM trung gian thứ 3, qua chuyển mạch không gian nó được chuyển tới đầu vào của PCM trung gian 0 (OT0) nhưng vẫn là TS11 Qua OT0 nó được chuyển tin vào TS4 của PCMo “0”, và mẫu tiếng nói tại đây được thuê bao chủ gọi tiếp nhận

IT làm việc theo nguyên lý chuyển mạch đầu ra

OT làm việc theo nguyên lý chuyển mạch đầu vào

Nếu hướng A-B chọn khe thời gian trung gian là i, thì hướng B-A chọn khe thời gian trung là đối xứng (n/2) + i

Thí dụ: Hệ 32 khe thời gian sẽ có:

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 20

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ VHDL 2.1 Giới thiệu về VHDL

VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ rất cao, là một loại ngôn ngữ mô tả phần cứng được phát triển dùng cho trương trình VHSIC( Very High Speed Itergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế Ngôn ngữ VHDL được ba công ty Intermetics, IBM và Texas Instruments bắt đầu nghiên cứu phát triển vào tháng 7 năm 1983 Phiên bản đầu tiên được công bố vào tháng 8-1985 Sau đó VHDL được đề xuất để tổ chức IEEE xem xét thành một tiêu chuẩn chung Năm

1987 đ đưa ra tiêu chuẩn về VHDL( tiêu chuẩn IEEE-1076-1987)

VHDL được phát triển để giải quyết các khó khăn trong việc phát triển, thay đổi và lập tài liệu cho các hệ thống số VHDL là một ngôn ngữ độc lập không gắn với bất kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương pháp thiết kế trong khi chỉ

sử dụng một ngôn ngữ duy nhất Và khi đem so sánh với các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng khác ta thấy VHDL có một số ưu điểm hơn hẳn là:

VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống

thiết kế:

VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp ví dụ phương pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện sẵn có VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như sử dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 21

VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được

áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế

- Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng:

VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số cho đến mức cổng VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết

Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL Các kết quả mô tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuân theo tiêu chuẩn VHDL Cũng như một nhóm thiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của các hệ thống con trong một hệ thống lớn (trong đó các

hệ con đó được thiết kế độc lập)

- Thứ sáu là khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế:

VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó có thể được sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiều người Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẻ thiết kế Và nó cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn

2.2 Giới thiệu công nghệ và ứng dụng thiết kế mạch bằng VHDL

2.2.1 Ứng dụng của công nghệ thiết kế mạch bằng VHDL

Hiện nay 2 ứng dụng chính và trực tiếp của VHDL là các ứng dụng trong các thiết bị logic có thể lập trình được (Programmable Logic Devices – PLD) (bao gồm các thiết bị logic phức tạp có thể lập trình được và các FPGA - Field Programmable Gate Arrays) và ứng dụng trong ASICs(Application Specific Integrated Circuits)

Khi chúng ta lập trình cho các thiết bị thì chúng ta chỉ cần viết mã VHDL một lần, sau đó ta có thể áp dụng cho các thiết bị khác nhau (như Altera, Xilinx,

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 22

Atmel,…) hoặc có thể để chế tạo một con chip ASIC Hiện nay, có nhiều thương mại phức tạp (như các vi điều khiển) được thiết kế theo dựa trên ngôn ngữ VHDL

2.2.2 Quy trình thiết kế mạch bằng VHDL

Như đề cập ở trên, một trong số lớn các ứng dụng của VHDL là chế tạo các mạch hoặc hệ thống trong thiết bị có thể lập trình được (PLD hoặc FPGA) hoặc trong ASIC Việc chế tao ra vi mạch sẽ được chia thành 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1:

Chúng ta bắt đầu thiết kế bằng viết mã VHDL Mã VHDL này sẽ được lưu vào file có đuôi là vhd và có tên cùng với tên thực thể M VHDL sẽ được mô tả ở tầng chuyển đổi thanh ghi

Hình 2.1 Tóm tắt quy trình thiết kế VHDL

- Giai đoạn 2: Giai đoạn chế tạo:

Bước đầu tiên trong quá trình chế tạo là biên dịch Quá trình biên dịch sẽ chuyển

mã VHDL vào một netlist ở tầng cổng Bước thứ 2 của quá trình chế tạo là tối ưu Quá trình tối ưu được thực hiện trên netlist ở tầng cổng về tốc độ và phạm vi

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 23

Trong giai đoạn này, thiết kế có thể được mô phỏng để kiểm tra phát hiện những lỗi xảy ra trong quá trình chế tạo

- Giai đoạn 3:

Là giai đoạn ghép nối đóng gói phần mềm Ở giai đoạn này sẽ tạo ra sự sắp xếp vật lý cho chip PLD/FPGA hoặc tạo ra mặt nạ cho ASIC

2.2.3 Công cụ EDA

Các công cụ phục vụ cho quá trình thiết kế vi mạch sẽ là:

- Công cụ Active – HDL: Tạo mã VHDL và mô phỏng

- Công cụ EDA (Electronic Design Automation): là công cụ tự động thiết kế

mạch điện tử Công cụ này được dùng để phục vụ cho việc chế tạo, thực thi và mô phỏng mạch sử dụng VHDL

- Công cụ cho đóng gói: Các công cụ này sẽ cho phép tổng hợp mã VHDL vào

các chip CPLD/FPGA của Altera hoặc hệ ISE của Xilinx, for Xilinx’s PLD/FPGA chips)

2.2.4 Chuyển mã VHDL vào mạch

Một bộ cộng đầy đủ được mô tả trong hình dưới đây:

Hình 2.2.a Sơ đồ tổng quát về bộ cộng đầy đủ

Trong đó, a, b là các bit vào cho bộ cộng, cin là bit nhớ Đầu ra s là bit tổng, cout là bit nhớ ra Hoạt động của mạch được chỉ ra dưới dạng bảng chân lý:

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 24

Hình 2.2.b Bảng chân lý của bộ cộng đầy đủ

Bit s và cout được tính như sau:

Từ công thức tính s và cout ta viết đoạn mã VHDL như dưới đây:

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 25

Hình 2.4.a Các ví dụ về sơ đồ mạch có thể có ứng với mã như hình 2.3

Trong trường hợp này, nếu mục đích công nghệ của chúng ta là thiết bị logic có thê lập trình được (PLD, FPGA), thì 2 kết quả cho cout thoả mãn là ở hình (b) và

hình (c) (cout = a.b + a.cin + b.cin ) Còn nếu mục đích công nghệ là ASIC, thì

chúng ta có thể sử dụng hình (d) Hình (d) sử dụng công nghệ CMOS với các tầng transistor và các mặt nạ phủ

Bất cứ một cái mạch nào được tao ra từ mã, thì những thao tác của nó sẽ luôn luôn được kiểm tra ở mức thiết kế, như ta đã chỉ ra ở hình 1 Tất nhiên, chúng ta cũng có thể kiểm tra nó ở tầng vật lý, nhưng sau đó những thay đổi là rất tai hại Hình dưới đây là mô phỏng kết quả của đoạn chương trình đã viết ở trên cho mạch bộ cộng đầy đủ ở hình 2.3

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 26

Hình 2.4.b: Kết quả mô phỏng bộ cộng được thiết kế theo hình 2.3

2.3 Cấu trúc mã

Trong chương này, chúng ta mô tả các phần cơ bản có chứa cả các đoạn Code nhỏ của VHDL: các khai báo LIBRARY, ENTITY và ARCHITECTURE

2.3.1 Các đơn vị VHDL cơ bản

Một đọan Code chuẩn của VHDL gồm tối thiểu 3 mục sau:

- Khai báo LIBRARY: chứa một danh sách của tất cả các thư viện được sử dụng trong thiết kế Ví dụ: ieee, std, work, …

- ENTITY: Mô tả các chân vào ra (I/O pins) của mạch

- ARCHITECTURE: chứa mã VHDL, mô tả mạch sẽ họat động như thế nào Một LIBRARY là một tập các đọan Code thường được sử dụng Việc có một thư viện như vậy cho phép chúng được tái sử dụng và được chia sẻ cho các ứng dụng khác Mã thường được viết theo các định dạng của FUNCTIONS, PROCEDURES, hoặc COMPONENTS, được thay thế bên trong PACKAGES và sau đó được dịch thành thư viện đích

2.3.2 Khai báo Library

- Để khai báo Library, chúng ta cần hai dạng mã sau, dạng thứ nhất chứa tên thư viện, dạng tiếp theo chứa một mệnh đề cần sử dụng:

Chương 2: Tìm hiểu ngôn ngữ VHDL 27

- standard (from the std library), and

- work (work library)

Hình 2.5 Các thành phần cơ bản của một đoạn mã VHDL

Hình 2.6 Các phần cơ bản của một Library

Các khai báo như sau:

LIBRARY ieee; Dấu chấm phẩy (;) chỉ thị

USE ieee.std_logic_1164.all; kt của một câu lệnh

LIBRARY std; hoặc một khai báo.một dấu 2 gạch

USE std.standard.all; ( )để bắt đầu 1 chú thích

LIBRARY work;

USE work.all;

Các thư viện std và work thường là mặc định, vì thế không cần khai báo chúng, chỉ có thư viện ieee là cần phải được viết rõ ra