Chào mừng bạn đến với khóa học “Thiết Kế và Mô Phỏng Vi Mạch Số Đơn Giản: Từ Lý Thuyết Đến Thực Hành”! Ngày nay, vi mạch số là thành phần không thể thiếu trong hầu hết các thiết bị điện tử, từ những thiết bị đơn giản như đồng hồ đeo tay đến những hệ thống phức tạp như máy tính và điện thoại thông minh. Khóa học này được thiết kế để cung cấp cho bạn kiến thức nền tảng và kỹ năng thực hành trong việc thiết kế, mô phỏng và hiện thực hóa các vi mạch số đơn giản, giúp bạn bước đầu làm quen với lĩnh vực thiết kế vi mạch đầy tiềm năng.
I. NỘI DUNG CHÍNH (MAIN CONTENT):
Khóa học bao gồm các nội dung chính sau:
Phần 1: Tổng Quan về Thiết Kế Vi Mạch Số và Ngôn Ngữ Verilog
Phần 2: Thiết Kế Mạch Tổ Hợp với Verilog
Phần 3: Thiết Kế Mạch Tuần Tự với Verilog
Phần 4: Mô Phỏng và Kiểm Tra Thiết Kế với ModelSim
Phần 5: Giới Thiệu về FPGA và Triển Khai Thiết Kế (Tùy chọn)
II. NỘI DUNG ĐƯỢC HỌC (LEARNING OUTCOMES & SCHEDULE):
Khóa học được thiết kế với thời lượng 40 giờ, bao gồm lý thuyết, bài tập, thực hành trên phần mềm và triển khai trên kit FPGA (tùy chọn). Dưới đây là nội dung chi tiết và thời gian học dự kiến cho từng phần:
Phần 1: Tổng Quan về Thiết Kế Vi Mạch Số và Ngôn Ngữ Verilog (6 giờ)
1.1. Giới Thiệu về Thiết Kế Vi Mạch Số (2 giờ)
Khái niệm về vi mạch số và các loại vi mạch số.
Vai trò của vi mạch số trong các hệ thống điện tử và cơ điện tử.
Quy trình thiết kế vi mạch số cơ bản.
Giới thiệu về các công cụ EDA (Electronic Design Automation) cho thiết kế vi mạch.
1.2. Giới Thiệu về Ngôn Ngữ Verilog (2 giờ)
Lịch sử phát triển và các đặc điểm chính của ngôn ngữ Verilog.
Cấu trúc cơ bản của một module Verilog.
Các kiểu dữ liệu, toán tử và biểu thức trong Verilog.
1.3. Làm Quen với Môi Trường Thiết Kế và Mô Phỏng (2 giờ)
Giới thiệu về phần mềm ModelSim và Quartus Prime.
Tạo project, compile và simulate thiết kế Verilog trong ModelSim.
Thực hành viết code Verilog cho các mạch đơn giản và mô phỏng.
Bài lab: Viết code Verilog cho mạch AND, OR, NOT và mô phỏng với ModelSim.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Phần 2: Thiết Kế Mạch Tổ Hợp với Verilog (10 giờ)
2.1. Các Cổng Logic Cơ Bản và Biểu Thức Logic (2 giờ)
Ôn tập về các cổng logic cơ bản (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Biểu diễn các hàm logic bằng biểu thức Boolean và bảng chân trị.
Tối thiểu hóa hàm logic sử dụng các định lý đại số Boolean và bảng Karnaugh.
2.2. Thiết Kế Các Mạch Tổ Hợp Cơ Bản bằng Verilog (4 giờ)
Thiết kế bộ mã hóa (Encoder) và bộ giải mã (Decoder).
Bài lab: Thiết kế bộ mã hóa 8-to-3 và bộ giải mã 3-to-8 bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Thiết kế bộ dồn kênh (Multiplexer) và bộ phân kênh (Demultiplexer).
Bài lab: Thiết kế bộ dồn kênh 4:1 và bộ phân kênh 1:4 bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Thiết kế bộ so sánh (Comparator).
Bài lab: Thiết kế bộ so sánh 2 số nhị phân 4-bit bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
2.3. Thiết Kế Bộ Cộng/Trừ (Adder/Subtractor) (4 giờ)
Thiết kế bộ cộng bán phần (Half Adder), bộ cộng toàn phần (Full Adder) bằng Verilog.
Bài lab: Thiết kế bộ cộng toàn phần 4-bit bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Thiết kế bộ cộng/trừ nhiều bit bằng Verilog.
Bài lab: Thiết kế bộ cộng/trừ 8-bit bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Ứng dụng của bộ cộng/trừ trong các hệ thống số.
Phần 3: Thiết Kế Mạch Tuần Tự với Verilog (10 giờ)
3.1. Giới Thiệu về Mạch Tuần Tự và Flip-Flop (2 giờ)
Phân biệt mạch tuần tự và mạch tổ hợp.
Giới thiệu về các loại Flip-Flop (RS, D, JK, T).
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và bảng trạng thái của từng loại Flip-Flop.
3.2. Thiết Kế Thanh Ghi (Register) với Verilog (3 giờ)
Thiết kế các loại thanh ghi (nối tiếp, song song).
Thiết kế thanh ghi dịch (Shift Register).
Ứng dụng của thanh ghi trong lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Bài lab: Thiết kế thanh ghi 4-bit và thanh ghi dịch bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
3.3. Thiết Kế Bộ Đếm (Counter) với Verilog (3 giờ)
Thiết kế các loại bộ đếm (đồng bộ, không đồng bộ, lên, xuống).
Thiết kế bộ đếm nhị phân, bộ đếm BCD.
Ứng dụng của bộ đếm trong các hệ thống số.
Bài lab: Thiết kế bộ đếm đồng bộ 4-bit và bộ đếm BCD bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
3.4. Thiết Kế Máy Trạng Thái Hữu Hạn (FSM) với Verilog (2 giờ)
Giới thiệu về FSM và phân loại (Moore, Mealy).
Thiết kế FSM bằng Verilog dựa trên sơ đồ trạng thái hoặc bảng trạng thái.
Thực hành thiết kế FSM cho các ứng dụng điều khiển đơn giản.
Bài lab: Thiết kế FSM điều khiển đèn giao thông bằng Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog.
Phần 4: Mô Phỏng và Kiểm Tra Thiết Kế với ModelSim (8 giờ)
4.1. Xây Dựng Testbench với Verilog (3 giờ)
Giới thiệu về testbench và vai trò trong kiểm tra thiết kế.
Cách viết testbench bằng Verilog.
Tạo các vector kiểm tra (test vectors) để kiểm tra toàn diện chức năng của mạch.
Thực hành viết testbench cho các mạch tổ hợp và tuần tự.
Bài lab: Viết testbench cho các thiết kế Verilog đã thực hiện ở các phần trước.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog, Testbench.
4.2. Sử Dụng ModelSim để Mô Phỏng Thiết Kế (3 giờ)
Hướng dẫn chi tiết về cách sử dụng ModelSim để mô phỏng thiết kế Verilog.
Thao tác biên dịch, nạp thiết kế, chạy mô phỏng và quan sát dạng sóng.
Thực hành mô phỏng các mạch số đã thiết kế.
Bài lab: Mô phỏng các thiết kế Verilog đã viết ở các phần trước với ModelSim.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog, Testbench.
4.3. Gỡ Lỗi và Tối Ưu Hóa Thiết Kế (2 giờ)
Sử dụng các công cụ debug trong ModelSim để tìm và sửa lỗi trong thiết kế.
Phân tích dạng sóng để phát hiện các vấn đề về logic và thời gian.
Tối ưu hóa code Verilog để cải thiện hiệu suất và giảm tài nguyên sử dụng.
Bài lab: Gỡ lỗi và tối ưu hóa các thiết kế Verilog.
Phần mềm: ModelSim.
Ngôn ngữ: Verilog, Testbench.
Phần 5: Giới Thiệu về FPGA và Triển Khai Thiết Kế (Tùy chọn) (6 giờ)
5.1. Tổng Quan về FPGA và Quy Trình Thiết Kế (2 giờ)
Giới thiệu về kiến trúc FPGA và các loại FPGA.
Quy trình thiết kế FPGA từ RTL đến cấu hình.
Giới thiệu về các công cụ thiết kế FPGA (Quartus Prime).
5.2. Sử Dụng Quartus Prime để Tổng Hợp và Triển Khai Thiết Kế (2 giờ)
Giới thiệu về các công cụ trong Quartus Prime (Synthesis, Place & Route, Timing Analysis, Programmer).
Cấu hình thiết kế cho kit DE10-Lite.
Thực hiện quá trình tổng hợp, implementation và tạo file cấu hình.
Bài lab: Tổng hợp và triển khai thiết kế bộ cộng 4-bit lên kit DE10-Lite.
Phần mềm: Quartus Prime.
Thiết bị: Kit DE10-Lite.
Ngôn ngữ: Verilog.
5.3. Nạp Thiết Kế Xuống Kit DE10-Lite và Kiểm Tra (2 giờ)
Kết nối kit DE10-Lite với máy tính.
Sử dụng Quartus Prime Programmer để nạp thiết kế xuống FPGA.
Kiểm tra hoạt động của thiết kế trên phần cứng thực tế.
Bài lab: Nạp thiết kế đã triển khai xuống kit DE10-Lite và kiểm tra hoạt động.
Phần mềm: Quartus Prime.
Thiết bị: Kit DE10-Lite.
Ngôn ngữ: Verilog.
III. BẠN SẼ BIẾT GÌ SAU KHI HỌC XONG? (KNOWLEDGE GAINED):
Sau khi hoàn thành khóa học, học viên sẽ có khả năng:
Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các mạch tổ hợp và tuần tự.
Thành thạo ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog để thiết kế mạch số.
Thiết kế và hiện thực các mạch tổ hợp cơ bản (bộ mã hóa, giải mã, dồn kênh, phân kênh, cộng, trừ, so sánh…).
Thiết kế và hiện thực các mạch tuần tự cơ bản (Flip-Flop, thanh ghi, bộ đếm).
Thiết kế và lập trình máy trạng thái hữu hạn (FSM).
Sử dụng thành thạo phần mềm ModelSim để mô phỏng và kiểm tra thiết kế.
Viết testbench để kiểm tra chức năng của mạch.
Có kiến thức cơ bản về FPGA và quy trình thiết kế FPGA.
Có thể triển khai thiết kế trên kit FPGA DE10-Lite (tùy chọn).
Có nền tảng vững chắc để tiếp tục học tập và nghiên cứu chuyên sâu về thiết kế vi mạch và FPGA.
IV. THỜI GIAN (DURATION):
Thời lượng: 40 giờ (bao gồm lý thuyết, bài tập, thực hành trên phần mềm và triển khai trên kit FPGA – tùy chọn).
Hình thức: Online/Offline/Blended (tùy chọn).
Lịch học: Linh hoạt, phù hợp với nhu cầu học viên.
V. YÊU CẦU (PREREQUISITES):
Có kiến thức cơ bản về điện tử số.
Có tư duy logic tốt.
Sử dụng thành thạo máy tính và các phần mềm văn phòng.
Yêu cầu học viên chuẩn bị trước:
Máy tính cá nhân có cấu hình đủ mạnh để chạy các phần mềm mô phỏng (RAM tối thiểu 8GB, ổ cứng SSD).
Cài đặt sẵn phần mềm ModelSim (phiên bản Intel FPGA Edition hoặc bản quyền sinh viên) và Quartus Prime (Lite Edition). Hướng dẫn cài đặt sẽ được cung cấp trong khóa học.
(Tùy chọn) Bộ kit FPGA DE10-Lite và cáp USB (nếu muốn thực hành triển khai thiết kế trên phần cứng).
VI. ĐỐI TƯỢNG PHÙ HỢP (TARGET AUDIENCE):
Sinh viên các ngành điện tử, cơ điện tử, tự động hóa, CNTT muốn tìm hiểu về thiết kế vi mạch số và FPGA.
Kỹ thuật viên, kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, hệ thống nhúng muốn củng cố kiến thức về mạch số và Verilog.
Người mới bắt đầu muốn học về thiết kế vi mạch và ngôn ngữ mô tả phần cứng.
Bất kỳ ai quan tâm đến lĩnh vực thiết kế vi mạch và muốn làm chủ công nghệ FPGA.
VII. MÔ TẢ (DESCRIPTION):
Khóa học “Thiết Kế và Mô Phỏng Vi Mạch Số Đơn Giản: Từ Lý Thuyết Đến Thực Hành” là khóa học cơ bản cung cấp cho học viên kiến thức và kỹ năng thực hành trong việc thiết kế, mô tả, mô phỏng và hiện thực hóa các mạch số đơn giản sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog và công cụ mô phỏng ModelSim. Chương trình học được thiết kế bài bản, logic, kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, giúp học viên nắm vững các khái niệm và phát triển kỹ năng thiết kế mạch số một cách hiệu quả.
Khóa học sử dụng ngôn ngữ Verilog và phần mềm ModelSim để học viên thiết kế, mô phỏng và kiểm tra các mạch số. Ngoài ra, học viên có thể lựa chọn triển khai thiết kế trên kit FPGA DE10-Lite (tùy chọn), giúp củng cố kiến thức và trải nghiệm thực tế quá trình thiết kế và hiện thực hóa mạch số trên phần cứng. Khóa học sẽ cung cấp nền tảng kiến thức cần thiết để học viên có thể tiếp tục học các khóa học nâng cao về thiết kế vi mạch và FPGA.
VIII. LỢI ÍCH (BENEFITS):
Nắm vững kiến thức nền tảng về mạch số và thiết kế logic.
Thành thạo ngôn ngữ Verilog và sử dụng phần mềm ModelSim, Quartus Prime.
Có khả năng thiết kế, mô phỏng và kiểm tra các mạch số cơ bản.
Hiện thực hóa thiết kế trên kit FPGA (tùy chọn), kết hợp lý thuyết với thực hành.
Tạo tiền đề vững chắc để học tập các khóa học thiết kế vi mạch nâng cao.
Nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường lao động trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, hệ thống nhúng và tự động hóa.
Được học tập với đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm, nhiệt tình và tâm huyết.
Giáo trình được biên soạn khoa học, dễ hiểu và bám sát thực tế.
Môi trường học tập chuyên nghiệp, trang thiết bị hiện đại (đối với học offline).
IX. CAM KẾT (COMMITMENT):
Cung cấp kiến thức đầy đủ, chính xác và cập nhật về thiết kế và mô phỏng vi mạch số.
Đảm bảo học viên nắm vững kiến thức và phát triển kỹ năng thiết kế, mô phỏng mạch số sau khi hoàn thành khóa học.
Hỗ trợ học viên tối đa trong suốt quá trình học tập và thực hành.
Cung cấp môi trường học tập chuyên nghiệp, thân thiện và hiệu quả.
Luôn cập nhật kiến thức và công nghệ mới nhất về thiết kế vi mạch và FPGA.
Cam kết mang lại giá trị thiết thực cho học viên, giúp học viên ứng dụng kiến thức vào công việc hiệu quả, nâng cao năng lực cạnh tranh trong thị trường lao động.
X. CÁC THIẾT BỊ, CÔNG CỤ, PHẦN MỀM, NGÔN NGỮ SẼ ĐƯỢC HỌC VÀ SỬ DỤNG TRONG KHÓA HỌC:
Phần mềm:
ModelSim (phiên bản Intel FPGA Edition hoặc bản quyền sinh viên): Trình mô phỏng (Simulator) hỗ trợ Verilog, VHDL, được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra chức năng của thiết kế.
Quartus Prime (Lite Edition): Bộ công cụ thiết kế của Intel (trước đây là Altera) hỗ trợ thiết kế, mô phỏng, tổng hợp và lập trình cho các dòng FPGA của Intel (sử dụng cho phần triển khai trên FPGA – tùy chọn).
Ngôn ngữ lập trình:
Verilog: Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) chính được sử dụng trong khóa học để thiết kế mạch số.
VHDL: Có thể được giới thiệu để học viên tham khảo (không phải trọng tâm của khóa học).
Thiết bị (cho thực hành offline – tùy chọn):
Máy tính có cấu hình đủ mạnh để chạy các phần mềm mô phỏng (RAM tối thiểu 8GB, ổ cứng SSD).
Bộ kit FPGA DE10-Lite: (Tùy chọn) Sử dụng để nạp thiết kế xuống phần cứng và kiểm tra trực tiếp.
Chip FPGA: Intel MAX 10.
Cáp USB: Để kết nối bộ kit FPGA với máy tính (nếu có).
XI. KẾT THÚC (CONCLUSION):
Khóa học “Thiết Kế và Mô Phỏng Vi Mạch Số Đơn Giản: Từ Lý Thuyết Đến Thực Hành” là bước khởi đầu quan trọng cho những ai muốn theo đuổi lĩnh vực thiết kế vi mạch và FPGA. Hãy đăng ký ngay hôm nay để trang bị cho mình nền tảng kiến thức vững chắc và kỹ năng thiết kế mạch số chuyên nghiệp, sẵn sàng cho những cơ hội nghề nghiệp hấp dẫn trong ngành công nghệ cao này!
