THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG BỘ VI XỬ LÝ 32 BIT DÙNG NGÔN NGỮ ...

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (117 trang)

Trang chủ

Công nghệ thông tin

Hệ thống thông tin

THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG BỘ VI XỬ LÝ 32 BIT DÙNG NGÔN NGỮ VHDL

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.44 MB, 117 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNHÀ MINH TÂNTHIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNGBỘ VI XỬ LÝ 32 BIT DÙNG NGÔNNGỮ VHDLChuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ( HƯỚNG KỸ THUẬT )Mã số: 60 44 03 2LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ KỸ THUẬTCán bộ hướng dẫn :PGS.TS. ĐINH SỸ HIỀNTP. HCM - 2011Trang 1Lời cảm ơnXin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS Đinh Sỹ Hiền, Thầy đã cungcấp cho em rất nhiều tài liệu quý giá, người đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiệnthuận lợi cho em hoàn thành luận văn.Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy ThS Bùi Anh Đông, Thầy NguyễnNgọc Hùng đã hỗ trợ tận tình em trong suốt quá trình làm thực nghiệm.Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô tham gia giảng dạy lớpcao học chuyên ngành Vật Lý Vô Tuyến và Điện Tử khóa 17, trường Đại HọcKhoa học Tự nhiên, đã truyền đạt kiến thức quý giá cho em trong suốt khóa học.Xin cảm ơn tất cả các bạn học viên lớp cao học khóa 17 đã đóng góp nhiềuý kiến quý giá, đồng thời động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em để hoànthành đề tàiXin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã chia sẻ với em trong suốtquá trình làm luận văn.HVTH: Hà Minh TânTrang 2MỤC LỤCLời cảm ơn .............................................................................................................. 1MỤC LỤC ............................................................................................................... 2DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... 5DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... 8DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... 9Mở đầu .................................................................................................................. 10PHẦN 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 13CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ VI XỬ LÝ ..................................... 131.1 Giới thiệu về các bộ vi xử lý ...................................................................... 131.2. Các bộ vi xử lý 32 bit ................................................................................. 19CHƯƠNG 2 : NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL, PHẦN MỀM QUARTUSVÀ KIT DE2 ......................................................................................................... 242.1 Giới thiệu môi trường thiết kế phần cứng và ngôn ngữ VHDL............. 242.1.1 Môi trường thiết kế phần cứng ( Hardware Design Environments) .. 242.1.2 Các ngôn ngữ mô tả phần cứng........................................................... 262.1.3 Ngôn ngữ lập trình VHDL ................................................................... 272.1.4 Ngôn ngữ VHDL cho thiết kế logic ..................................................... 292.1.5 Các phần mềm mô phỏng cho ngôn ngữ VHDL ................................ 312.2 Thực thể thiết kế của VHDL .................................................................... 322.2.1 Đặc điểm của VHDL ............................................................................ 322.2.2 Đặt điểm thiết kế ................................................................................... 332.2.3 Cấu trúc chương trình .......................................................................... 352.2.3.1 Phát biểu khai báo ......................................................................... 352.2.3.2 Phát biểu đồng thời ........................................................................ 362.2.3.3 Phát biểu tuần tự............................................................................ 362.3 Phần mềm Quartus II và kit DE2 của Altera .......................................... 372.3.1 Các thành phần cơ bản của Quartus II.............................................. 37HVTH: Hà Minh TânTrang 32.3.2 Thiết kế và biên dịch, mô phỏng chương trình .................................. 382.3.3 Giới thiệu kit DE2 của Altera ............................................................. 472.3.4 Các thành phần cơ bản trong DE2 ..................................................... 47PHẦN 2: THIẾT KẾ BỘ VI XỬ LÝ.................................................................. 50CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BỘ VI XỬ LÝ ......................................................... 523.1 Cấu trúc tổng thể ........................................................................................ 533.1.1 Bộ đếm chương trình và bộ nhớ (Pcimem) ......................................... 533.1.1.1 Chức năng ...................................................................................... 533.1.1.2 Cấu trúc .......................................................................................... 543.1.1.3 Các tín hiệu giao tiếp ..................................................................... 543.1.2 Bộ điều khiển đường ống dẫn (Cntrpipe) ............................................ 543.1.2.1 Chức năng ...................................................................................... 553.1.2.2 Cấu trúc .......................................................................................... 553.1.2.3 Các tín hiệu giao tiếp ..................................................................... 563.1.3 Tập thanh ghi và vùng cache (Rfcache) ............................................ 563.1.3.1 Chức năng ...................................................................................... 563.1.3.2 Cấu trúc .......................................................................................... 563.1.3.3 Các tín hiệu giao tiếp ..................................................................... 573.1.4 Khối logic số học (ALU: Arithmetic Logic Unit ) ............................... 573.1.4.1 Chức năng ...................................................................................... 573.1.4.2 Cấu trúc .......................................................................................... 583.1.4.3 Chi tiết về các lệnh của ALU ......................................................... 58CHƯƠNG 4: CÁC ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ BỘ VI XỬ LÝ ........................... 594.1 Đặc điểm của vi xử lý ................................................................................. 594.2 Cấu trúc mã lệnh và chế độ ghi địa chỉ .................................................... 594.3 Cấu trúc mã lệnh (opcode) ........................................................................ 614.4 Mô tả các khối của bộ vi xử lý ................................................................... 624.4.1 Khối điều khiển: (The Controller) ....................................................... 624.4.2 Khối điều khiển đường ống dẫn (Control pipeline) ........................... 63HVTH: Hà Minh TânTrang 44.4.3 Tín hiệu điều khiển thời gian ............................................................... 664.4.4 Tín hiệu điều khiển lệnh nhảy ............................................................. 674.4.5 Kết quả tính toán và chốt dữ liệu vào thanh ghi ................................. 674.4.6 Tín hiệu lựa chọn dữ liệu trong cache (d_mux_to_rf) ....................... 684.4.7 Sơ đồ cấu trúc của khối tập các thanh ghi và bộ nhớ cache .............. 684.4.7.1 Khối tập các thanh ghi (Register File) .......................................... 694.4.7.2 Khối bộ nhớ Cache (The Data Cache) .......................................... 704.4.8 Khối logic số học (ALU) ...................................................................... 71CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BỘ VI XỬ LÝ SỬ DỤNG PHẦN MỀMQUARTUS VÀ TRÊN KIT DE2 ........................................................................ 735.1 Kiến trúc mô phỏng bộ vi xử lý ................................................................. 735.2 Thực hiện các phép toán kiểm tra ............................................................ 785.2.1 Phép cộng .............................................................................................. 785.2.2 Phép trừ ................................................................................................. 805.2.3 Phép toán dịch trái................................................................................ 815.2.4 Phép toán dịch phải .............................................................................. 835.2.5 Phép toán AND ..................................................................................... 845.2.6 Phép toán OR ........................................................................................ 865.2.7 Phép toán XOR ..................................................................................... 875.2.8 Phép toán nhân ..................................................................................... 89KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 91TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 93PHỤ LỤC .............................................................................................................. 95HVTH: Hà Minh TânTrang 5DANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1.1: Mô hình máy tính Von Neumann .......................................................... 13Hình 1.2: Kiến trúc cơ bản bên trong vi xử lý ...................................................... 14Hình 1.3: Sơ đồ bộ vi xử lý đa dụng ...................................................................... 18Hình 2.1: Các đơn vị thiết kế của VHDL .............................................................. 34Hình 2.2: Các khai báo chương trình con trong đơn vị thiết kế ........................... 36Hình 2.3: Các phát biểu quá trình trong đơn vị thiết kế và các lời gọi chươngtrình con trong đơn vị thiết kế hoặc thư viện ......................................................... 37Hình 2.4: Tạo Project mới .................................................................................... 38Hình 2.5: Khai báo thư mục chưa file ................................................................... 39Hình 2.6: Thêm vào những file cần thiết ............................................................... 39Hình 2.7: Chọn họ linh kiện cho thiết kế............................................................... 40Hình 2.8: Hoàn tất quá trình tạo project .............................................................. 40Hình 2.9: Tạo mới file mô phỏng .......................................................................... 41Hình 2.10: Chọn file mô phỏng ............................................................................ 42Hình 2.11: Lưu file với tên trùng với tên project .................................................. 42Hình 2.12: Thêm vào các node............................................................................. 43Hình 2.13: Hiện danh sách các node trong thiết kế .............................................. 43Hình 2.14: Đưa các node vào mô phỏng .............................................................. 44Hình 2.15: Chọn cài đặt ....................................................................................... 44Hình 2.16: Lựa chọn cách mô phỏng .................................................................... 45Hình 2.17: Tạo file netlist cho quá trình mô phỏng .............................................. 45Hình 2.18: Bắt đầu mô phỏng ............................................................................... 46Hình 2.19: Nạp chương trình xuống kit DE2 ........................................................ 47Hình 2.20: Bo DE2 và các linh kiện đi kèm .......................................................... 48Hình 3.1: Sơ đồ của bộ vi xử lý. ............................................................................ 52Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ vi xử lý ............................................................................ 53Hình 3.3: Khối bộ đếm chương trình và bộ nhớ (PCIMEM) ................................ 54HVTH: Hà Minh TânTrang 6Hình 3.4: Khối điều khiển đường ống dẫn (Cntrpipe) .......................................... 56Hình 3.5: Khối tập thanh ghi và vùng cache (RFCache) ...................................... 57Hình 3.6: Khối logic sô học (ALU) ....................................................................... 58Hình 4.1: Bộ điều khiển đường ống dẫn ............................................................... 63Hình 4.2 Sơ đồ khối các thanh ghi và bộ nhớ cache ............................................. 69Hình 4.3: Khối các thanh ghi (Register File)........................................................ 69Hình 4.4: Khối bộ nhớ Cache .............................................................................. 70Hình 4.5: Khối logic số học (ALU) ....................................................................... 71Hình 5.1: Kiến trúc bộ vi xử lý trên Quartus ........................................................ 75Hình 5.2: Các thông số kỹ thuật trong thiết kế ..................................................... 75Hình 5.3: Các thông số về tần số hoạt động ......................................................... 76Hình 5.4a: Sơ đồ hệ thống mô phỏng .................................................................... 76Hình 5.4b:Kết quả mô phỏng dạng sóng tín hiệu của CPU.................................. 77Hình 5.5a: Nạp dữ liệu vào cache......................................................................... 78Hình 5.5b: Nạp mã lệnh vào ROM ........................................................................ 79Hình 5.5c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 .............................................................. 79Hình 5.6a: Nạp dữ liệu vào cache......................................................................... 80Hình 5.6b: Nạp mã lệnh vào ROM ........................................................................ 81Hình 5.6c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 .............................................................. 81Hình 5.7a: Nạp dữ liệu vào cache......................................................................... 81Hình 5.7b: Nạp mã lệnh vào ROM ........................................................................ 82Hình 5.7c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 .............................................................. 82Hình 5.8a: Nạp dữ liệu vào cache......................................................................... 83Hình 5.8b: Nạp mã lệnh vào ROM ........................................................................ 83Hình 5.8c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 .............................................................. 84Hình 5.9a: Nạp dữ liệu vào cache......................................................................... 84Hình 5.9b: Nạp mã lệnh vào ROM ........................................................................ 85Hình 5.9c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 .............................................................. 86Hình 5.10a: Nạp dữ liệu vào cache....................................................................... 86HVTH: Hà Minh TânTrang 7Hình 5.10b: Nạp mã lệnh vào ROM ...................................................................... 87Hình 5.10c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 ............................................................ 87Hình 5.11a: Nạp dữ liệu vào cache....................................................................... 88Hình 5.11b: Nạp mã lệnh vào ROM ...................................................................... 88Hình 5.11c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 ............................................................ 89Hình 5.12a: Nạp dữ liệu vào cache....................................................................... 89Hình 5.12b: Nạp mã lệnh vào ROM ...................................................................... 90Hình 5.12c: Kết quả hiển thị trên kit DE2 ............................................................ 90HVTH: Hà Minh TânTrang 8DANH MỤC BẢNG BIỂUBảng 4.1: Tập lệnh với hai nguồn ......................................................................... 60Bảng 4.2: Tập lệnh với một nguồn và short immediate ........................................ 60Bảng 4.3: Tập lệnh với long immediate ................................................................ 60Bảng 4.4: Tập lệnh có điều kiện ............................................................................ 60Bảng 4.5: Một số chế độ định dạng địa chỉ được hổ trợ ....................................... 61Bảng 4.6: Mã lệnh opcode..................................................................................... 62Bảng 4.7: Mô tả chức năng các tín hiệu ............................................................... 64Bảng 4.8: Tín hiệu điều khiển................................................................................ 67Bảng 4.9: Mô tả tín hiệu trong tập thanh ghi (Register File) ............................... 70Bảng 4.10: Mô tả tín hiệu trong khối data cache .................................................. 71Bảng 4.11: Tín hiệu trên khối logic số học ........................................................... 71HVTH: Hà Minh TânTrang 9DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTROMRead Only Memory.RAMRam Access Memory.ALUArithmetic Logic Unit.FSMFinite State Machine.SIMDSingle Instruction Multiple Data.MMXMultimedia Extensions.VHSICVery High Speed Intergrated Circuit.VHDLVHSIC Hardware Description Language.IEEEInstitute of Electrical and Electronic Engineers.RTLRegister Transfer Level.JTAGJoint Test Action Group.ASActive Serial.PLDProgrammable Logic Device.CISCComplex Instruction Set Computer.RISCReduced Instruction Set Computer.ASICApplication Specific Intergrated Circuits.CUControl Unit.PCProgram Counter.RFRegister File.CADComputer Aided DesignedFPGAField Programmable Gate ArrayHVTH: Hà Minh TânTrang 10Mở đầuVai trò của máy vi tính trong nửa cuối thế kỷ hai mươi được chứng minhbởi đà phát triển chức năng theo hàm mũ của vi xử lý và mức độ thâm nhập của nótrong xã hội. Máy tính dã thay đổi hoàn toàn công nghệ, thay đổi hình thức buônbán và thậm chí thay đổi cấu trúc xã hội loài người. Sang thế kỷ 21, máy tính còntiếp tục là động lực của phát triển công nghệ.Trong năm 2006 ngành công nghiệp vi mạch, công nghiệp bán dẫn(semiconductor industry) trên thế giới đã đạt doanh thu gần 261 tỷ USD, cung cấpsản phẩm cho các ngành điện tử, như: máy tính và thiết bị lưu trữ (công nghệthông tin) khoảng 54%; viễn thông 26%; điện tử dân dụng 14%; cơ khí và tự độnghóa 5%; các ngành khác chiếm 1%. (điện tử quốc phòng, điện tử y tế...). Doanhthu từ lĩnh vực vi mạch (bán dẫn) được dự đoán chiếm đến 35% trong doanh thutoàn ngành điện tử vào năm 2010 (khoảng 350 tỷ USD/1.000 tỷ USD) và tiếp tụcgia tăng ở mức 6,1% trên năm.Trong hệ thống hiện nay, phần lớn đều sử dụng vi xử lý làm bộ điều khiểnchính của hệ thống. Với sự phát triển của công nghệ điện tử, có nhiều vi xử lý củacác hãng khác nhau. Vi xử lý là bộ điều khiển chính của tất cả thiết bị thông minh,dù là thiết bị điện hay các thiết bị khác. Sự khéo léo của nó được quyết định vàđiều khiển trực tiếp bởi vi xử lý. Ví dụ, chúng ta thử nghĩ không xem 1 chiếc xe là1 thiết bị điện. Tuy nhiên, nó chắc chắn có nhiều khối phức tạp, hệ thống điệnthông minh như hệ thống phanh chống va đập và hệ thống phun nhiên liệu. Mỗi hệthống được điều khiển bởi 1 vi xử lý.HVTH: Hà Minh TânTrang 11Bộ vi xử lý được chia làm 2 loại: bộ vi xử lý đa dụng (General-purposemicroprocessor), bộ vi xử lý chuyên dụng (Dedicated microprocessor). Bộ vi xử lýđa dụng, như là Pentium CPU, có thể thực thi nhiều phép toán khác nhau dưới sựđiều khiển chỉ dẫn của phần mềm. Tất cả máy tính cá nhân sử dụng các bộ vi xử lýđa dụng.Bộ vi xử lý chuyên dụng, được biết như các mạch tích hợp ứng dụng đặcbiệt (ASICs). Ví dụ, bên trong điện thoại di động, có một vi xử lý chuyên dụngđiều khiển toàn bộ hoạt động của điện thoại. Nhúng vi xử lý vào bên trong điệnthoại không gì ngoài điều khiển hoạt động của điện thoại. Vi xử lý chuyên dụngthường sử dụng trong các thiết bị điện thông minh như là đồ chơi điện tử, TV, điệnthoại.Để tiếp cận nhanh chóng và cập nhật các công nghệ mới trong lĩnh vựcthiết kế phần cứng, cần có các thiết bị phần mềm và phần cứng hỗ trợ. Chúng tadùng các ngôn ngữ mô tả phần cứng như Verilog HDL, VHDL, để xây dựng cácthiết kế và thông qua các chương trình phần mềm như Quartus, NIOS,ModelSim,... thực hiện biên dịch chương trình, mô phỏng dạng sóng để kiểm trahoạt động của hệ thống có đúng như thiết kế đặt ra ban đầu hay không. Sau đó cácthiết kế sẽ được nạp vào các bo mạch ứng dụng (ví dụ như Kit DE2, UP2,... củahãng Altera; Kit Virtex, Spartan... của hãng Xilinx), việc này giúp xây dựng thiếtkế của chúng ta như là một thiết bị phần cứng thực sự trong một hệ thống hoànchỉnh để kiểm tra hoạt động của thiết bị.Trong thiết kế này, bộ vi xử lý đọc lệnh thông qua bộ nhớ ROM, dữ liệuđược đọc từ bộ nhớ cache, thông qua 4 giai đoạn của pipeline 4 “tầng”, thực hiệncác lệnh.Nội dung đề tài bao gồm :Phần 1 – Tổng quan :HVTH: Hà Minh TânTrang 12CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ VI XỬ LÝGiới thiệu tổng quan về các bộ vi xử lý và giới thiệu các bộ vi xử lý 32 bitthông dụng.CHƯƠNG 2 : NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL, PHẦN MỀM QUARTUSVÀ KIT DE2Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình VHDL, cách sử dụng phần mềm, các tínhnăng hỗ trợ, các thực hiện lập trình, biên dịch và mô phỏng, giới thiệu về cấu trúccủa Kit DE2.Phần 2 – Thiết kế bộ vi xử lý :CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BỘ VI XỬ LÝTrong chương 3 sẽ trình bày khái quát về mô hình thiết kế của bộ vi xử lý,phân loại bộ vi xử lý, cấu trúc và chức năng của từng khối trong bộ vi xử lý, cáctín hiệu giao tiếp, và điều khiển của chúng và đưa ra mô hình thiết kế của từng bộphận.CHƯƠNG 4: CÁC ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ BỘ VI XỬ LÝTrình bày nguyên lý, tổ chức hoạt động bên trong của bộ vi xử lý, cấu trúccủa tập lệnh, mã lệnh, đường đi của dữ liệu của bộ vi xử lý. Mô tả diễn tiến thihành một lệnh mã máy đây là cơ sở để hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trongkỹ thuật ống dẫn.CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BỘ VI XỬ LÝ SỬ DỤNG PHẦN MỀMQUARTUS VÀ TRÊN KIT DE2Thực hiện mô phỏng bộ vi xử lý dùng phần mềm Quartus đưa ra sơ đồ cấutrúc, tính được tần số hoạt động của bộ vi xử lý, mô phỏng dạng sóng tín hiệu củabộ vi xử lý, tiến hành kiểm tra trên Kit DE2.Kết luận và hướng phát triểnĐưa ra các kết quả đạt được, kết luận sau cùng của luận văn, qua đó nêu rahướng phát triển của các đề tài tiếp theo.Tài liệu tham khảo.Phụ lục.HVTH: Hà Minh TânTrang 13PHẦN 1: TỔNG QUANCHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ VI XỬ LÝ1.1 Giới thiệu về các bộ vi xử lýTheo mô hình Von Neumann của một máy tính, bao gồm bốn thành phầnchính: ngõ vào, ngõ ra, bộ nhớ, bộ vi xử lý. Trong bộ vi xử lý được chia làm haithành phần khối đơn vị điều khiển và khối dữ liệu.Hình 1.1: Mô hình máy tính Von NeumannBộ vi xử lý (microprocessor) là một khối vi mạch có khả năng làm các phéptính toán số học và logic, khả năng giao tiếp với bên ngoài, khả năng lưu và xử lýdữ liệu…. Một chip đơn có vi xử lý cộng thêm các ngoại vi như memory, IOcontroller, interrupt controller…gọi là vi điều khiển. Một vi xử lý có thể thuộc mộttrong 2 loại:Dedicated microprocessor hay tạm dịch là vi xử lý đặc chủng (còn gọi làASIC). Nó được thiết kế và tối ưu để chạy một thuật toán duy nhất, chương trìnhhoạt động được cứng hóa và gắn liền trên phần cứng chip. Một khi đã sản xuất raHVTH: Hà Minh TânTrang 14thì không thay đổi được nữa. Loại này có đặc tính là chạy nhanh, ít tốn tài nguyên.Do các lệnh đã được gắn chết nên sẽ không có bộ nhớ chương trình, cũng khôngtốn thời gian đọc lệnh từ bộ nhớ. Thời gian sản xuất loại này thường cao, chi phílớn (chỉ rẻ nếu sản xuất hàng loạt).Multi purpose processor hay còn gọi là CPU. Nó có khả năng linh hoạt cao,do có thể đọc lệnh từ bộ nhớ để thi hành các lệnh, khi thay đổi bộ nhớ mã lệnh thìcông việc của CPU cũng thay đổi. Dễ dàng thấy rằng không phải mọi tài nguyêncủa CPU đều được sử dụng, nó cũng chậm hơn ASIC.Bàn phím, chuột là ví dụ của thiết bị nhập. Màn hình CRT (Cathode raytube) và loa là ví dụ của thiết bị xuất. Thiết bị nhớ như là ROM (Read-onlymemory), RAM (Random Access Memory), cache, đĩa cứng HDD. Trong đề tàinày không tập trung vào các thiết bị nhập, xuất và bộ nhớ mà chỉ tập trung vàothiết kế bộ vi xử lý. Mạch logic của vi xử lý có thể được chia làm 2 phần:Datapath (khối dữ liệu) và Control Unit (khối điều khiển):Hình 1.2: Kiến trúc cơ bản bên trong vi xử lýHVTH: Hà Minh TânTrang 15Khối dữ liệu (Datapath):. Khối này làm nhiệm vụ thao tác dữ liệu. Đó làcác thao tác số học, logic, giao tiếp bộ nhớ, IO… Datapath bao gồm các khối hàmnhư cộng, trừ, so sánh, ALUs; thanh ghi và bộ nhớ để tạm thời lưu dữ liệu; bus vàcác bộ đa hợp (multiplexer), giải đa hợp (demultiplexer) nhằm chuyển vận datađúng lúc, đúng nơi giữa các phần của datapath. Datapath cũng xuất ra các statussignal để Control Unit biết đường mà điều khiển phù hợp (ví dụ như giá trị lệnhvừa lấy được từ ROM…).Khối điều khiển (Control Unit – CU). Phần này đảm nhiệm tạo các tín hiệuđiều khiển (control signal) phù hợp vào thời điểm thích hợp để điều khiểnDatapath hoạt động chính xác. Tại một thời điểm, khối điều khiển ở vào một trạngthái nhất định, trạng thái này xác định bởi giá trị của bộ nhớ trạng thái. Khối điềukhiển sẽ tạo ra các tín hiệu điều khiển để điều khiển khối dữ liệu (Datapath) hoạtđộng chính xác. Các tín hiệu điều khiển được tạo ứng với mỗi trạng thái nhất địnhthông qua các mạch tổ hợp. Từ phân tích này ta thấy khối điều khiển rất giốngnhư một bộ máy trạng thái hữu hạn ( Finite State Machine FSM), sau này ta cũngsẽ dùng FSM để thiết kế CU. Tất nhiên là có loại CU không dựa trên FSM. Nó baogồm RAM chứa các control signal, một bộ đếm (counter) để tăng lần lượt địa chỉvà các “nút chặn” phục vụ lệnh nhảy và gọi chương trình con. Ta sẽ tìm hiểu loạikhối điều khiển này khi thiết kế CPU “mềm” ở phần sau. Khối điều khiển gồm có3 phần:• Next-state logic: là mạch dùng để xác định trạng thái kế tiếp của máy trạngthái.• Status memory register : nhớ trạng thái hiện tại của FSM trong nó• Output logic: phát ra tín hiệu để điều khiển đường dữ liệu.Mọi mạch logic số, bất chấp nó thuộc khối điều khiển hay khối dữ liệuđược phân chia là mạch tổ hợp (combinational circuit) hay là mạch tuần tự(sequential circuit).Mạch tổ hợp: Mạch có ngõ ra chỉ phụ thuộc vào ngõ vào hiện tại củamạch. Ví dụ, mạch cộng là một mạch tổ hợp.HVTH: Hà Minh TânTrang 16Trong mạch số, mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệu ra ở thờiđiểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu ngõ vào ở thời điểm đó.Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trước thời điểm xét, tức trước khi có tínhiệu ngõ vào, không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Đặc điểm cấu trúc mạch tổhợp là được cấu trúc từ các cổng logic.Mạch tuần tự : Ngõ ra không những phụ thuộc vào trạng thái ngõ vàohiện tại mà còn phụ thuộc tất cả trạng thái vào trước đó. Nói cách khác, mạch tuầntự là mạch phải có tính nhớ để nhớ trạng thái trước của mạch. Ví dụ, nút chuyểnkênh trên bộ điều khiển tivi là một phần của mạch tuần tự. Nhấn nút chuyển kênhlà ngõ vào của mạch. Tuy nhiên, chỉ cần có đầu vào này là không đủ cho các mạchđể xác định xem những gì kênh truyền hình để hiển thị kế tiếp.Khi mạch tuần tự phụ thuộc vào trạng thái trước đó, ta phải chứa các phầntử nhớ để nhớ trạng thái, trong khi mạch tổ hợp lại không có phần tử nhớ. Ví dụcủa mạch tổ hợp trong vi xử lý bao gồm next-state logic, output logic trong khốiđiều khiển và ALU, bộ đa hợp, đệm 3 trạng thái, mạch so sánh trong khối dữ liệu.Ví dụ của mạch tuần tự bao gồm thanh ghi cho trạng thái nhớ trong khối điềukhiển và thanh ghi trong khối dữ liệu. Bộ nhớ trong mô hình máy tính VonNeuman cũng là một mạch tuần tự.Mạch tuần tự được biết như là một trạng thái hữu hạn (FSM) bởi vì kíchthước của trạng thái nhớ (state memory) là hữu hạn và vì vậy số lượng các trạngthái khác nhau cũng hữu hạn.Bất chấp một mạch là tuần tự hay tổ hợp, nó được tạo ra từ 3 cổng logic cơbản: AND, OR, NOT. Từ 3 cổng cơ bản, hầu hết máy tính có thể được tạo ra. Hơnnữa, những cổng cơ bản được xây dựng trên transistor. Transistor là một công tắcđiện nhị phân có thể được đóng hoặc mở. Trạng thái đóng và mở của transistorđược sử dụng để biểu diễn 2 giá trị nhị phân : 0 và 1.Những bộ vi xử lý hay vi điều khiển đều được thiết kế theo kiến trúc máytính với tập lệnh phức tạp (CISC-Complex Instruction Set Computer) hoặc máytính với tập lệnh đơn giản hóa (RISC-Reduced Instruction Set Computer).HVTH: Hà Minh TânTrang 17Chip CISC được thiết kế nhằm tạo thuận lợi cho các nhà lập trình ứng dụngbằng cách rút gắn nhiều câu lệnh đơn giản, thông dụng thành một câu lệnh thực thidài. Điều này làm cho CISC xử lý chậm hơn nhưng lại đạt yếu tố thân thiện. Ở mặtkhác RISC nhanh nhưng kém thân thiện, mỗi câu lệnh đơn giản trong RISC phứcvụ cho một mục đích hẹp rất cụ thể, thực thi nhanh hơn và lệnh được tiến hànhsong song.RISC là phương pháp thiết kế các bộ vi xử lý theo hướng đơn giản hóa tậplệnh, trong đó thời gian thực thi các lệnh đều như nhau. Hiện nay các bộ vi xử lýRISC phổ biến là ARM, superH, MIPS, SPARC, DEC Alpha, PA-RISC, PIC vàPowerPC của IBM…Trong vi xử lý, đơn vị điều khiển Control Unit (CU) là phần quan trọngnhất. Trong lịch sử phát triển máy tính có 2 cách tiếp cận khác nhau để thiết kếmột CU. Cách thứ nhất là tạo nên một CU như một máy tính trong máy tính. Tứclà biến đổi các lệnh máy thành một số các lệnh sơ khai gọi là vi lệnh rồi mới thựchiện chuỗi các vi lệnh này. Quá trình biển đổi này gọi là giải mã vi lệnh, khác vớigiải mã lệnh máy thông thường. Cách tiếp cận thứ hai là tìm ra một chuỗi các phéptoán logic cần thiết cho việc thực hiện một lệnh máy rồi thiết kế mạch điện tửlogic thích hợp thực hiện ngay lệnh đó. Cách thứ nhất là tiền đề để xây dựng cácđơn vị điều khiển được vi chương trình hóa (microprogrammable control unit),còn cách tiếp cận thứ hai cho các đơn vị điều khiển kiểu logic ngẫu nhiên (randomlogical control unit).Trong những thập kỷ trước, do tốc độ truy cập bộ nhớ còn chậm nên vi xửlý có đủ thời gian để giải mã lệnh. Vì vậy kiến trúc CISC được sử dụng rộng rãi.Tuy nhiên, hiện nay các bộ nhớ chính có thời gian truy cập ngắn hơn đã làm chocác ưu điểm của vi chương trình không những biến mất mà còn gây cản trở hệthống.Để giải quyết vấn đề này các nhà thiết kế đã tìm ra một giải pháp trung gianlàm tiền đề cho ra đời một vi xử lý mới. Hoạt động theo phương pháp sử dụngkiến trúc với tập lệnh rút gọn RISC cho các lệnh chính yếu cần thiết trong số 20%HVTH: Hà Minh TânTrang 18lệnh nói trên và phần cứng được thiết kế sao cho các phần tử RISC hiểu ngay đượclệnh máy do chương trình cung cấp mà không cần giải mã vi lệnh. Nhiều lệnh cònlại nhưng ít được sử dụng thì được thực hiện bởi phần tử CISC qua giải mã vilệnh. Các vi xử lý RISC có tập lệnh gồm toàn các lệnh rất đơn giản và cho phépthực hiện một mã thao tác chỉ trong một chu kì máy.Việc thiết kế RISC có các bước:• Phân tích các ứng dụng để tìm ra thao tác chính.• Thiết kế đường dữ liệu tối ưu cho các thao tác chính.• Thiết kế các đường chỉ thị thực hiện các thao tác chính bằng cách dùngđường dữ liệu.• Thêm những chỉ thị mới khi chúng không làm chậm tốc độ máy.• Lặp lại quá trình này cho các tài nguyên khác.Hình 1.3: Sơ đồ bộ vi xử lý đa dụngĐể thiết kế một vi xử lý, đầu tiên chúng ta phải xác định tập lệnh của vi xửlý đó và các lệnh đó được mã hóa thực thi ra sao. Cần thực hiện những bước sau:• Muốn có bao nhiêu lệnh?• Những lệnh đó là gì?HVTH: Hà Minh TânTrang 19• Mã thực hiện (opcode)?• Dùng bao nhiêu bit để mã hóa?Để giải quyết hết các câu hỏi trên thì bộ vi xử lý có thể được thiết kế gồmcác bước như sau:Liệt kê tập lệnh cần thiết, đây là việc rất quan trọng. Cần tính toán kỹ,lưỡng số lượng lệnh, các chức năng cần có, các chế độ định địa chỉ hỗ trợ. Ở đây,chúng ta quyết định xây dựng một bộ vi xử lý có đủ khả năng để thực hiện lệnhnhân. Vì thế, chúng ta kết thúc với 15 tập lệnh bao gồm lệnh nhảy (JMP) và lệnhgọi (CALL).• Phác thảo kiến trúc vi xử lý: sau khi xác định được tập lệnh, chúng ta cầnphác thảo một kiến trúc hiệu quả có thể hoạt động như yêu cầu được đề ra.• Xây dựng một bộ fetch và giải mã lệnh từ bộ nhớ. Cần có một thanh ghiđể tạm chứa lệnh đọc từ ROM, một thanh ghi PC để chỉ tới vị trí chứa mã lệnhtrong ROM và một bộ ROM để chứa mã lệnh.• Thiết kế hệ thống bus phù hợp để kết nối các linh kiện lại.• Xây dựng Control Unit, khối điều khiển (CU) của vi xử lý.• Kết hợp các khối lại tạo nên CPU hoàn chỉnh.1.2. Các bộ vi xử lý 32 bitIntel 386 gồm các họ 386DX, 386SX và 386SL. Intel386DX là bộ vi xử lý(BXL) 32 bit đầu tiên Intel giới thiệu vào năm 1985, được dùng trong các PC củaIBM và PC tương thích. Intel 386 là một bước nhảy vọt so với các BXL trước đó.Đây là BXL 32 bit có khả năng xử lý đa nhiệm, nó có thể chạy nhiều chương trìnhkhác nhau cùng một thời điểm. Intel 386 sử dụng các thanh ghi 32 bit, có thểtruyền 32 bit dữ liệu cùng lúc trên bus dữ liệu và dùng 32 bit để xác định địa chỉ.Cũng như BXL 80286, 80386 hoạt động ở 2 chế độ real mode và protect mode.386DX sử dụng công nghệ 1,5 μm, 275.000 transistor, bộ nhớ mở rộng tới4GB. Các phiên bản của 386DX gồm 16, 20, 25 và 33 MHz (công nghệ 1 μm).HVTH: Hà Minh TânTrang 20386SX (năm1988) sử dụng công nghệ 1,5 μm, 275.000 transistor, kiến trúc32 bit bên trong, 16 bit bus dữ liệu ngoài, 24 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng16MB; gồm các phiên bản 16, 20, 25 và 33 MHz.386SL (năm1990) được thiết kế cho thiết bị di động, sử dụng công nghệ 1μm, 855.000 transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 16, 20, 25 MHz.486DX ra đời năm 1989 với cấu trúc bus dữ liệu 32 bit. 486DX có bộ nhớsơ cấp (L1 cache) 8 KB để giảm thời gian chờ dữ liệu từ bộ nhớ đưa đến, bộ đồngxử lý toán học được tích hợp bên trong. Ngoài ra, 486DX được thiết kế hàng lệnh(pipeline), có thể xử lý một địa chỉ lệnh trong một xung nhịp.486DX sử dụng công nghệ 1 μm, 1,2 triệu transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB;gồm các phiên bản 25 MHz, 35 MHz và 50 MHz (0,8 μm).486SX (năm 1991) dùng trong dòng máy tính cấp thấp, có thiết kế giống hệ486DX nhưng không tích hợp bộ đồng xử lý toán học. 486DX sử dụng công nghệ1 μm (1,2 triệu transistor) và 0,8 μm (0,9 triệu transistor), bộ nhớ mở rộng 4GB;gồm các phiên bản 16, 20, 25, 33 MHz.486SL (năm 1992) là BXL ưu tiên dành cho máy tính xách tay (MTXT), sửdụng công nghệ 0,8 μm, 1,4 triệu transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiênbản 20, 25 và 33 MHz.Intel Pentium, BXL thế hệ kế tiếp 486 ra đời năm 1993. Cải tiến lớn nhấtcủa Pentium là thiết kế hai hàng lệnh (pipeline), dữ liệu bên trong có khả năngthực hiện hai lệnh trong một chu kỳ, do đó Pentium có thể xử lý lệnh nhiều gấpđôi so với 80486 DX trong cùng thời gian. Bộ nhớ sơ cấp 16KB gồm 8 KB chứadữ liệu và 8 KB khác để chứa lệnh. Bộ đồng xử lý toán học được cải tiến giúp tăngkhả năng tính toán đối với các trình ứng dụng. Pentium sử dụng công nghệ 0,8 μmchứa 3,1 triệu transistor, có các tốc độ 60, 66 MHz (socket 4 273 chân, PGA). Cácphiên bản 75, 90, 100, 120 MHz sử dụng công nghệ 0,6 μm chứa 3,3 triệutransistor (socket 7, PGA). Phiên bản 133, 150, 166, 200 sử dụng công nghệ 0,35μm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, PGA)HVTH: Hà Minh TânTrang 21Pentium MMX (năm 1996), phiên bản cải tiến của Pentium với công nghệMMX được Intel phát triển để đáp ứng nhu cầu về ứng dụng đa phương tiện vàtruyền thông. MMX kết hợp với SIMD (Single Instruction Multiple Data) chophép xử lý nhiều dữ liệu trong cùng lệnh, làm tăng khả năng xử lý trong các tác vụđồ họa, đa phương tiện. Pentium MMX sử dụng công nghệ 0,35 μm chứa 4,5 triệutransistor, có các tốc đô 166, 200, 233 MHz (Socket 7, PGA).Pentium Pro. Nối tiếp sự thành công của dòng Pentium, Pentium Pro đượcIntel giới thiệu vào tháng 9 năm 1995, sử dụng công nghệ 0,6 và 0,35 μm chứa 5,5triệu transistor, socket 8 387 chân, hỗ trợ bộ nhớ RAM tối đa 4GB. Điểm nổi bậtcủa Pentium Pro là bus hệ thống 60 hoăc 66 MHz, bộ nhớ đệm L2 (cache L2)256KB hoặc 512KB (trong một số phiên bản). Pentium Pro có các tốc độ150,166,180,200 MHz.Pentium II (năm 1997), phiên bản cải tiến từ Pentium Pro được sử dụngtrong những dòng máy tính cao cấp, máy trạm (workstation) hoặc máy chủ(server). Pentium II có bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 512KB, tích hợp công nghệMMX được cải tiến giúp việc xử lý dữ liệu video, audio và đồ họa hiệu quả hơn.Pentium II có đế cắm dạng khe - Single-Edge contact (SEC) 242 chân, còn gọi làSlot 1. BXL Pentium II ưu tiên, tên mã Klamath, sản xuất trên công nghệ 0,35 μm,có 7,5 triệu transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm các phiên bản 233, 266,300MHz. Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 μm, 7,5 triệutransistor, gồm các phiên bản 333 MHz (bus hệ thống 66 MHz),350,400,450 MHz(bus hệ thống 100 MHz).Celeron (năm 1998) được rút gọn từ kiến trúc BXL Pentium II, dành chodòng máy cấp thấp. Phiên bản ưu tiên, tên mã Covington không có bộ nhớ đệm L2nên tốc độ xử lý khá chậm, không gây được ấn tượng với người dùng. Phiên bảnsau, tên mã Mendocino, đã khắc phục khuyết điểm này với bộ nhớ đệm L2128KB. Covington sử dụng công nghệ 0,25 μm, 7,5 triệu transistor, bộ nhớ đệmL1 32KB, bus hệ thống 66 MHz, đế cắm 242 chân Slot 1 SEPP (Single EdgeProcessor Package), tốc độ 266, 300 MHz. Mendocino cũng sử dụng công nghệHVTH: Hà Minh TânTrang 220,25 μm có đến 19 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 128KB, bus hệ thống66 MHz, đế cắm Slot 1 SEPP hoặc socket 370 PPGA, tốc độ 300, 333, 366, 400,433, 466, 500, 533 MHz.Pentium III (năm 1999) bổ sung 70 lệnh mới (Streaming SIMD Extensions- SSE) giúp tăng hiệu suất hoạt động của BXL trong các tác vụ xử lý hình ảnh,audio, video và nhận dạng giọng nói. Pentium III gồm các tên mã Katmai,Coppermine và Tualatin. Katmai sử dụng công nghệ 0,25 μm, 9,5 triệu transistor,bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 512KB, đế cắm Slot 1 SECC2 (Single Edge Contactcartridge 2), tốc độ 450, 500, 550, 533 và 600 MHz (bus 100 MHz), 533, 600MHz (bus 133 MHz). Coppermine sử dụng công nghệ 0,18 μm, 28,1 triệutransistor, bộ nhớ đệm L2 256 KB được tích hợp bên trong nhằm tăng tốc độ xửlý. Đế cắm Slot 1 SECC2 hoặc socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), cócác tốc độ như 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 MHz (bus 100 MHz), 533,600, 667, 733, 800, 866, 933, 1000, 1100 và 1133 MHz (bus 133 MHz) Tualatináp dụng công nghệ 0,13 μm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256KB hoặc 512 KB tích hợp bên trong BXL, socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin gridarray), bus hệ thống 133 MHz. Có các tốc độ như 1133, 1200, 1266, 1333, 1400MHz.Celeron Coppermine (năm 2000) được rút gọn từ kiến trúc BXL PentiumIII Coppermine, còn gọi là Celeron II,được bổ sung 70 lệnh SSE. Sử dụng côngnghệ 0,18 μm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợpbên trong BXL, socket 370 FC-PGA, có các tốc độ như 533, 566, 600, 633, 667,700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300MHz (bus 100 MHz).Tualatin Celeron (Celeron S) (năm 2000) được rút gọn t kiến trúc BXLPentium III Tualatin, áp dụng công nghệ 0,13 μm, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256KB tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm các tốc độ 1,0;1,1; 1,2;1,3 và 1,4 GHz.HVTH: Hà Minh TânTrang 23Pentium 4 được Intel giới thiệu vào năm 2000 đã mở ra một kỷ nguyênmới của BXL máy tính. Người sử dụng hệ thống máy tính Pentium 4 có thể tạo ranhững bộ phim mang tính chuyên nghiệp, liên kết thời gian thực giữa video vàthoại, chồng hình đồ họa 3D, nhanh chóng mã hóa nhạc và chạy các ứng dụng đaphương tiện... Bộ vi xử lý sử dụng công nghệ 0,18 micron. Pentium 4 có tốc độ3,0 GHz, 1,40 GHz, 1,50 GHz, 1,70 GHz và 1,80 GHz với 42 triệu transistor.HVTH: Hà Minh TânTrang 24CHƯƠNG 2 :NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL,PHẦN MỀM QUARTUS VÀ KIT DE22.1 Giới thiệu môi trường thiết kế phần cứng và ngôn ngữ VHDL:2.1.1 Môi trường thiết kế phần cứng ( Hardware Design Environments)Để đáp ứng sự phát triển kỹ thuật số, các công cụ thết kế được trợ giúp bởimáy tính (CAD – computer Aided Design) được đưa vào quá trình thiết kế phầncứng. Hỗ trợ mạnh mẽ cho phương pháp thiết kế này là những ngôn ngữ mô tảphần cứng (HDLs – Hardware Description Languages). Khái niệm HDLs đượcứng dụng rộng rãi trong thiết kế hệ thống số trong thời gian gần đây, dựa vàoHDLs, công cụ hỗ trợ cho thiết kế hệ thống số đã phát triển và được sử dụng nhiềutrong thiết kế phần cứng.Quá trình thiết kế hệ thống số:Ý tưởng thiết kế:Trước tiên người thiết kế phần cứng phải có ý tưởng thiết kế. Sau đó, pháttriển ý tưởng thiết kế thành sơ đồ khối, lưu đồ, ngôn ngữ tự nhiên. Người thiết kếchỉ ra toàn bộ chức năng từ đầu vào đến đầu ra mà không cần chi tiết phần cứnghoặc kiến trúc của hệ thống dưới thiết kế.Thiết kế đường dữ liệu:Trong giai đoạn này người thiết kế chỉ rõ thanh ghi và các đơn vị logic.Những thành phần này được kết nối bằng các bus một hay hai chiều rồi điều khiểnhoạt động dữ liệu giữa các thanh ghi và các đơn vị logic thông qua các bus.HVTH: Hà Minh Tân

Trích đoạn

Giới thiệu môi trường thiết kế phần cứng và ngôn ngữ VHDL
Các ngôn ngữ mô tả phần cứng
Ngôn ngữ lập trình VHDL
Khối điều khiển đường ống dẫn (Control pipeline)
Khối logic số học (ALU)

Tài liệu liên quan

Thiết kế và thi công Kit vi xử lý 8086
- 115
- 926
- 0
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ xử lý nước thải xi mạ
- 32
- 955
- 0
Thiết kế và thi công Kit vi xử lý 8086
- 114
- 752
- 1
Thiết kế và ứng dụng: Bàn thay băng tự tạo điều trị bỏng
- 10
- 356
- 0
Tài liệu Thiết kế và ứng dụng bàn thay băng tự tạo điều trị bỏng doc
- 10
- 397
- 0
những nguyên tắc sáng tạo được ứng dụng trong quá trình nghiên cứu và đổi mới bộ vi xử lý
- 21
- 593
- 0
thiết kế và thi công hệ thống xử lý nước thải
- 161
- 1
- 1
nghiên cứu thiết kế và ứng dụng công nghệ dập bước liên tục (progressive die) sản xuất tấm tản nhiệt điều hoà không khí (sản phẩm trong ngành cơ điện tử và sản phẩm tiêu dùng cao cấp)
- 116
- 601
- 2
Nghiên cứu, phát triển phương pháp thiết kế và chế tạo chip vi xử lý kiểu risc
- 591
- 640
- 3
thiết kế và ứng dụng vi điều khiển
- 22
- 427
- 0