Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý nhanh dữ liệu (Luận văn thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ FPGA

VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 08 năm 2015

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ FPGA

Trang 3

I

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Quang Huy

Trang 4

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là bố mẹ, anh, chị và vợ tôi những người luôn hết mình yêu thương, dùi dắt và ủng hộ tôi trong cuộc sống

Cuối cùng tôi xin cảm ơn ban lãnh đạo Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghệ ITS Việt Nam, các anh chị em đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi tham gia

và hoàn thành khóa học Tôi xin cảm ơn các bạn của tôi, những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến thiết thực trong quá trình học tập và thực hiện luận văn./

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2015

Sinh Viên Thực hiện

Nguyễn Quang Huy

Trang 5

III

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH V BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU VI

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG 4

1.1 Lịch sử ra đời của FPGA 4

1.2 Quy trình thiết kế FPGA tổng quát 11

1.3 Ứng dụng của FPGA 15

1.4 Một số ngôn ngữ lập trình cho PFGA 15

1.4.1 Ngôn ngữ VHDL 16

1.4.2 Cấu trúc mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL 18

1.4.3 Ngôn ngữ Verilog 22

1.4.4 Phương pháp kiểm tra trong Verilog 23

1.5 Môi trường lập trình cho FPGA 23

1.5.1 Phần mềm ISE của hãng Xilinx 24

1.5.2 Phần mềm Quartus II của hãng Altear 27

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ FPGA VÀ BÀI TOÁN XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU 30

2.1 Các thế mạnh của các ngôn ngữ đặc tả phần cứng 30

Trang 6

IV

2.2 Các kỹ thuật xử lý nhanh dữ liệu 31

2.3 Kỹ thuật Pipeline trong công nghệ FPGA 33

2.4 Tổ chức Pipeline trong lập trình cho FPGA 35

2.5 Pipeline cho bài toán nhân 2 số trên FPGA 36

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG FPGA XỬ LÝ NHANH DỮ LIỆU 42

3.1 Lựa chọn công cụ thử nghiệm 42

3.2 Bài toán nhân 2 số nguyên đơn giản 45

3.3 Bài toán nhân 2 số nguyên sử dụng kỹ thuật Pipeline 48

3.4 Đánh giá kết quả 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc tổng thể một FPGA

Hình 1.2: Khối logic FPGA

Trang 7

V

Hình 1.3: Bộ dồn kênh F5 và F6

Hình 1.4: Sơ đồ khối của khối lặp xóa độ giữ chậm

Hình 1.5: Sơ đồ khối “Mô đun logic thích nghi” ALM

Hình 1.6: Quy trình thiết kế FPGA

Hình 1.7: Cấu trúc process

Hình 1.8: Sơ đồ khối của testbench

Hình 1.9: Giao diện phần mềm ISE

Hình 1.10: Các lựa chọn tạo Project với Virtex4

Hình 1.11: Thiết lập thời gian đếm tiến, lùi cho counter

Hình 1.12: Giao diện phần mềm Quartus II

Hình 2.1: Kỹ thuật Pipeline

Hình 2.2: Mô hình tổ chức Pipeline

Hình 2.3: Phép nhân 2 số A x B = Y

Hình 2.4: Thực thi phép nhân 2 số A x B = Y

Hình 2.5: Pipeline cho phép nhân 2 số A x B = Y

Hình 2.6: Mô hình Pipeline cho phép nhân 2 số A x B = Y

Hình 2.7: Pipeline cho phép nhân 2 số A x B = Y

Hình 3.1: Tạo Project mới

Hình 3.2: Lựa chọn ngôn ngữ VHDL

Hình 3.3 Thiết kế bộ nhân 2 số

Hình 3.4 Kết quả thực hiện 250 x 15 = 3750

Hình 3.5: Các tham số input, output của LPM_MULT

Hình 3.6: Kết quả thực hiện phép nhân 250 x 15 = 3750

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh

FPGA : Field-Programmable Gate Array

Trang 8

VI

DSP : Digital Signal Processing

RAM : Ramdom Access Memory

ROM : Read – only Memory

DLL : Delay Locked Loop

ADC : Analog-to-Digital Converter

ASIC : Application-Specific Integrated Circuit

CPLD : Complex Programmable Logic Device

DAC : Digital - to - Analog Converter

DRAM : Dynamic Ramdom Access Memory

EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read – Only Memory FIFO : First In First Out

HDL : Hardware Description Language

I/O : Input/Output

LAB : Logic Array Block

LUT : Look Up Table

PLA : Programmable Logic Array

SPLD : Simple Programmable Devices

SRAM : Static Ramdom Access Memory

VHDL : VHSIC hardware description language

VHSIC : Very High Speed Itergrated Circuit

Trang 9

1

LỜI MỞ ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ công nghệ thông tin và kĩ thuật số với sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của các bộ vi xử lý Bằng việc đưa sức mạnh kỹ thuật số vào thực tiễn, các bộ vi xử lý ngày một thay đổi cách sống của loài người Các vật dụng như máy tính, máy tính bảng, điện thoại, của chúng ta đang ngày càng thông minh hơn, mạnh mẽ và nhanh hơn nhờ các bộ vi xử lý Trong đó công nghệ

FPGA xuất hiện như một giải pháp cơ bản cho vấn đề tranh thủ thời gian để đưa ra

thị trường và tránh rủi ro tài chính trong quá trình nghiên cứu sản phẩm của công nghệ điện tử FPGA là loại thiết bị khả trình (PLD) tiên tiến nhất hiện nay của nghành công nghệ chế tạo IC chuyên biệt mà vẫn được gọi là ASIC

Với sự phát triển của công nghệ thông tin như hiện nay thì việc nghiên cứu

về công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý dữ liệu nhanh ngày càng được qua tâm hơn FPGA mới nhất hiện đang được biết đến với rất nhiều tính năng cao cấp và mạnh mẽ Với việc tích hợp thêm một số lượng lớn các thiết bị logic lập trình được cũng như bộ nhớ với dung lượng lên tới Megabits, FPGA có thể hỗ trợ các nhân xử

lý, DSP, và nhiều bộ thu phát nhúng với tốc độ tới hàng gigabit/s [11]

Sự ra đời của rất nhiều bộ thu phát tốc độ cao trong một FPGA có một ý nghĩa rất lớn “các I/O tốc độ cao ra đời đánh dấu một cột mốc rất lớn đối với chúng ta” Các bộ thu phát tốc độ Gigabit, được ghép nối với các tài nguyên xử lý dồi dào Giờ đây có thể giải quyết các ứng dụng với tốc độ truyền cao hơn rất nhiều Các nhà sản xuất thiết bị nhận thấy rằng FPGA hấp dẫn bởi nhiều nguyên nhân Nó đem lại cho thiết bị sự linh hoạt và khả năng tùy biến cao và đó là thuộc tính quan trọng mà các hãng tìm kiếm nhằm mang đến sự khác biệt cho sảm phẩm

và giúp đưa sản phẩm tới thị trường nhanh hơn FPGA có thể tùy biến linh động, một FPGA cùng với một bộ thu phát quang cho phép hỗ trợ nhiều giao thức Ví dụ: Ethernet hoặc SONET/SDH Tùy thuộc vào firmware được tải xuống FPGA Tính

Trang 10

2 chất linh hoạt như vậy sẽ tránh được việc phải thay đổi các bộ thu phát quang hoặc thậm chỉ cả card đường dây

Chính vì vậy, yêu cầu lựa chọn, so sánh, đánh giá các công nghệ FPGA và ứng dụng xử lý dữ liệu nhanh là một đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn

cao Với lý do đó, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ FPGA và ứng dụng

xử lý nhanh dữ liệu” cho luận văn tốt nghiệp Thạc Sỹ của mình

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Công nghệ FPGA: các lĩnh vực ứng dụng, các công cụ phát triển

 Kỹ thuật xử lý nhanh dữ liệu Pipeline

 Ứng dụng bài toán mô phỏng xử lý dữ liệu nhanh

Những nội dung nghiên cứu chính

- Tổng quan về công nghệ FPGA

- Công nghệ FPGA và bài toán xử lý nhanh dữ liệu

Trang 11

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	1,24 MB
File đính kèm	Luận văn Full.rar (1 MB)