Bài tập thực hành - Thiết kế bộ đếm nhị phân & LFSR môn VLSI | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài 1. Yêu Cầu Chung
- Viết ặc tả kỹ thuật cho thiết kế (Specification):
o Sơ ồ tổng quan tín hiệu vào – ra (Input – Output Block Diagram) o Sơ ồ kiến trúc chi tiết của
thiết kế mức RTL (Architecture) o Sơ ồ timing (Timing Diagram) mô tả ầy ủ các chức năng và trường hợp xảy ra
- Triển khai thiết kế (thiết kế RTL), sử dụng ngôn ngữ Verilog hoặc SystemVerilog
- Kiểm thử thiết kế (Kiểm thử RTL) bằng phương pháp kiểm thử trực tiếp. Yêu cầu kiểm thử ầy ủ các
chức năng và trường hợp có thể xảy ra.
- Tổng hợp thiết kế, kiểm thử kết quả tổng hợp ược (Kiểm thử Netlist):
o Thiết kế sau khi tổng hợp gồm bao nhiêu cell? Nhận biết chức năng của từng cell.
o Kiểm thử Netlist cho kết quả mô phỏng trùng khớp với kiểm thử RTL
- Vẽ ầy ủ Stick Diagram cho các cổng logic cơ bản ược sử dụng trong thiết kế o Ít break od/poly, tối
thiểu số ường kết nối o Output ngắn, thẳng o Tín hiệu ngắn gọn, không cắt nhau o Nhiều ường
Power nhất có thể o Tính thẩm mỹ (nhìn sạch ẹp, màu rõ ràng nếu có), stick kèm theo mạch nguyên lý + các path sharing,
- Vẽ Layout o Layout ầy ủ cho từng cell cơ bản
▪ Đúng chuẩn template của standard cell
▪ Chỉ ược dùng cao nhất ến Metal 2
▪ Đảm bảo ầu ủ các tiêu chí ã nêu ở phần Stick Diagram
▪ LVS, mạch phải úng logic cho từng cell cơ bản
▪ DRC, ã sửa hết lỗi DRC cho từng cổng logic cơ bản o Layout Mạch Top (Toàn bộ thiết kế)
▪ Mạch top yêu cầu nhỏ nhất có thể (xếp khít, không có khoảng trống giữa 2 cell cạnh
nhau), cố gắng bố trí theo hình vuông
▪ Các cell không ược è lên nhau, chỉ ược tiếp xúc bởi layer bbox (id/datatype: 108;0)
▪ Dùng cao nhất ến Metal 5, càng dùng ít layer metal càng tốt
▪ Không ược i metal vượt khỏi vùng bbox mà ược hợp bởi bbox của các cel khi i dây trên mạch top ▪ Pass LVS ▪ Pass DRC Dolphin Technology Inc. Company Confidential 1 lOMoAR cPSD| 59703641
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài
2. Công Cụ Tham Khảo
- Chạy mô phỏng: iVerilog, gtkwave - Chạy tổng hợp: Yosys - Vẽ Layout: DLayout 3. Đề Bài
3.1. Đề Bài 01 – Bộ Đếm 3-bit nhị phân dti_bincnt_ckprn
Thiết kế bộ ếm nhị phân 3-bit dti_bincnt_ckprn với các ầu vào – ra, và chức năng như sau:
Bảng 1. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_bincnt_ckprn Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn dương của clock này reset_n 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức thấp count_to 3
Input Giá trị cần ếm, là một số nguyên không dấu load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn dương của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn dương clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 2. Quy tắc ếm dti_bincnt_ckprn load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0 Giảm 1 ơn vị 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 0 và giữ
nguyên cho tới lần load tiếp theo. Dolphin Technology Inc. Company Confidential 2
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài
3.2. Đề Bài 02 – Bộ Đếm 3-bit nhị phân dti_bincnt_ckprp
Thiết kế bộ ếm nhị phân 3-bit dti_bincnt_ckprp với các ầu vào – ra, và chức năng như sau:
Bảng 3. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_bincnt_ckprp Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn dương của clock này reset 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức cao count_to 3
Input Giá trị cần ếm, là một số nguyên không dấu load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn dương của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn dương clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 4. Quy tắc ếm dti_bincnt_ckprp load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0 Giảm 1 ơn vị 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 0 và giữ
nguyên cho tới lần load tiếp theo.
3.3. Đề Bài 03 – Bộ Đếm 3-bit nhị phân dti_bincnt_cknrn
Thiết kế bộ ếm nhị phân 3-bit dti_bincnt_cknrn với các ầu vào – ra, và chức năng như sau:
Bảng 5. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_bincnt_cknrn Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk_n 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn âm của clock này reset_n 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức thấp count_to 3
Input Giá trị cần ếm, là một số nguyên không dấu load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn âm của clock ầu vào. Dolphin Technology Inc. Company Confidential 3 lOMoAR cPSD| 59703641
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn âm clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 6. Quy tắc ếm dti_bincnt_cknrn load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0 Giảm 1 ơn vị 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 0 và giữ
nguyên cho tới lần load tiếp theo.
3.4. Đề Bài 04 – Bộ Đếm 3-bit nhị phân dti_bincnt_cknrp
Thiết kế bộ ếm nhị phân 3-bit dti_bincnt_cknrp với các ầu vào – ra, và chức năng như sau:
Bảng 7. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_bincnt_cknrp Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk_n 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn âm của clock này reset 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức cao count_to 3
Input Giá trị cần ếm, là một số nguyên không dấu load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn âm của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn âm clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 8. Quy tắc ếm dti_bincnt_cknrp load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0 Giảm 1 ơn vị 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị Dolphin Technology Inc. Company Confidential 4
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 0 và giữ
nguyên cho tới lần load tiếp theo.
3.5. Đề Bài 05 – Bộ Đếm 4-bit LFSR dti_lfsrcnt_ckprn
Thiết kế bộ ếm LFSR 4-bit dti_lfsrcnt_ckprn với các ầu vào – ra, và chức năng như sau: Bảng 9.
Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_lfsrcnt_ckprn Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn dương của clock này reset_n 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức thấp count_to 4
Input Giá trị cần ếm, khác 0 (0 là giá trị cấm) load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn dương của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Sử dụng a thức P(x) = x4 + x3 + 1
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn dương clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 10. Quy tắc ếm dti_lfsrcnt_ckprn load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0
Chuyển ến trạng thái tiếp theo 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 4’b1111 và
giữ nguyên cho tới lần load tiếp theo. Dolphin Technology Inc. Company Confidential 5 lOMoAR cPSD| 59703641
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài
3.6. Đề Bài 06 – Bộ Đếm 4-bit LFSR dti_lfsrcnt_ckprp
Thiết kế bộ ếm LFSR 4-bit dti_lfsrcnt_ckprp với các ầu vào – ra, và chức năng như sau: Bảng
11. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_lfsrcnt_ckprp Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn dương của clock này reset 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức cao count_to 4
Input Giá trị cần ếm, khác 0 (0 là giá trị cấm) load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn dương của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Sử dụng a thức P(x) = x4 + x3 + 1
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn dương clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 12. Quy tắc ếm dti_lfsrcnt_ckprp load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0
Chuyển ến trạng thái tiếp theo 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 4’b1111 và
giữ nguyên cho tới lần load tiếp theo.
3.7. Đề Bài 07 – Bộ Đếm 4-bit LFSR dti_lfsrcnt_cknrn
Thiết kế bộ ếm LFSR 4-bit dti_lfsrcnt_cknrn với các ầu vào – ra, và chức năng như sau: Bảng
13. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_lfsrcnt_cknrn Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk_n 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn âm của clock này reset_n 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức thấp count_to 4
Input Giá trị cần ếm, khác 0 (0 là giá trị cấm) load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Dolphin Technology Inc. Company Confidential 6
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn âm của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Sử dụng a thức P(x) = x4 + x3 + 1
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn âm clock theo quy tắc trong bảng sau:
Bảng 14. Quy tắc ếm dti_lfsrcnt_cknrn load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0
Chuyển ến trạng thái tiếp theo 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 4’b1111 và
giữ nguyên cho tới lần load tiếp theo.
3.8. Đề Bài 08 – Bộ Đếm 4-bit LFSR dti_lfsrcnt_cknrp
Thiết kế bộ ếm LFSR 4-bit dti_lfsrcnt_cknrp với các ầu vào – ra, và chức năng như sau:
Bảng 15. Mô tả tín hiệu Input – Output của bộ ếm dti_lfsrcnt_cknrp Tên Tín Hiệu Độ Rộng Chiều Mô Tả clk_n 1
Input Clock, mạch tuần tự hoạt ộng ồng bộ theo sườn âm của clock này reset 1
Input Reset không ồng bộ, tích cực mức cao count_to 4
Input Giá trị cần ếm, khác 0 (0 là giá trị cấm) load 1
Input Nạp giá trị cần ếm count_en 1 Input Cho phép ếm done 1
Output Cờ báo hiệu hoàn thành việc ếm Yêu cầu chức năng:
- Mạch ồng bộ hoạt ộng theo sườn âm của clock ầu vào.
- Đầu ra done ược chốt bằng Flip Flop (Nói cách khác, done ược nối trực tiếp với ầu ra Q hoặc QN của 1 Flip Flop).
- Sử dụng a thức P(x) = x4 + x3 + 1
- Giá trị của bộ ếm, tạm gọi là count, ược nạp mới hoặc thay ổi giá trị tại sườn âm clock theo quy tắc trong bảng sau: Dolphin Technology Inc. Company Confidential 7 lOMoAR cPSD| 59703641
Bài T ậ p Th ự c Hành VLSI Đề Bài
Bảng 16. Quy tắc ếm dti_lfsrcnt_cknrp load count_en done count 1’b1 x x
Nạp mới, giá trị nạp ược xác ịnh bởi count_to 1’b0 1’b1 1’b0
Chuyển ến trạng thái tiếp theo 1’b0 1’b1 1’b1 Giữ nguyên giá trị 1’b0 1’b0 x Giữ nguyên giá trị Chú ý: x = don’t care
- Trước khi có load = 1, cờ done giữ giá trị 1’b0. Cờ done bật lên 1’b1 cùng lúc với count = 4’b1111 và
giữ nguyên cho tới lần load tiếp theo. Dolphin Technology Inc. Company Confidential 8