Chương 1 Hệ thống trên chip và vấn ñề truyền thông trên chip 1. Hệ thống trên chip - lịch sử và xu thế phát triển Kể từ khi những vi mạch tích hợp (IC) ñầu tiên ra ñời vào năm 1958 [21], công nghệ vật liệu bán dẫn ñã có nhiều bước phát triển lớn. Với công nghệ sản xuất các transistor ở kích thước nano thì các vi mạch tích hợp ngày nay có thể ñược tích hợp khoảng hơn một tỷ transistor trên một vi mạch (ví dụ: chip Xeon 7400 của Intel ñã ñạt ñộ tích hợp là 1,9 tỷ transistor [4]). ðiều này không chỉ tạo ra các loại IC có ñộ phức hợp và hiệu năng cao, hoạt ñộng với công suất tiêu thụ thấp mà còn cho phép phát triển nhiều chức năng hoạt ñộng khác nhau trên cùng một vi mạch.
Các hệ thống ñiện tử với từng khối chức năng riêng biệt và ñược thực hiện bởi các loại IC khác nhau, nay ñã có thể cùng ñược thực thi lên trên một chip duy nhất. Từ ñó, khái niệm “Hệ thống trên chip” ra ñời ñể chỉ việc tích hợp các thành phần của một hệ thống máy tính lên trên một chip ñơn. Với sự phát triển của công nghệ, các khối chức năng (hay còn gọi là các lõi IP - Intellectual Property) ñược tích hợp lên một chip ñơn không chỉ là các khối thực hiện các chức năng số (digital) mà còn có thể thực hiện các chức năng tương tự (analog) hoặc cả hai chức năng trên (mix-signal). Thậm chí các khối có chức năng thu phát sóng vô tuyến cũng có thể ñược tích hợp chung với nhau trên một hệ thống ñơn nhất.
Một SoC thường bao gồm các khối số và khối tương tự như sau [22]: - Một hoặc nhiều lõi vi xử lý (CPU) hoặc các khối xử lý tín hiệu số (DSP); - Khối nhớ (ROM, RAM, flash…); - Các giao tiếp mở rộng (USB, SPI, USART, erthenet, bluetooth…); - Các bộ mã hoá và giải mã (Viterbi, Turbo…); - Các bộ chuyển ñổi ADC, DAC, khuếch ñại tín hiệu…; - Hệ thống bus truyền nhận dữ liệu; - Các khối ñiều chỉnh ñiện thế và quản lý năng lượng của nguồn; Kiến trúc cơ bản của một hệ thống trên chip ñiển hình ñược mô tả như trong Hình 1. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CPU CPU RAM RAM DMA DMA High speed bus Arbiter Arbiter IP IP Bridge Bridge System-on-Chip IP IP Peripheral bus Arbiter Arbiter IP IP µC µC USB USB PCI PCI Hình 1. Kiến trúc cơ bản của một Hệ thống trên chip (SoC). Hình 2 mô tả cấu trúc của một vi ñiều kiển ARM với kiến trúc ñược xây dựng theo mô hình SoC.
Trong mô hình này, lõi vi xử lý sẽ kết nối với các lõi IP khác thông qua bus tốc ñộ cao ASB hoặc AHB. Một số lõi IP ñảm nhiệm chức năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi sẽ ñược kết nối với bus APB và kết nối với bus chính thông qua cầu bus. Việc phân tầng hệ thống bus theo kiểu này sẽ giúp tiết kiệm băng thông cho hệ thống, làm tăng hiệu suất hoạt ñộng của hệ thống lên ñáng kể. Cấu trúc của một vi ñiều khiển ARM ñược xây dựng theo kiến trúc SoC [22].
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ khi SoC ñầu tiên ra ñời vào năm 1974 [29], các SoC ñã có nhiều thay ñổi và phát triển nhanh chóng. Các SoC ngày nay có thể chứa ñến hàng tỷ transistor và số lõi IP ñược tích hợp trên mỗi chip ngày càng tăng với chức năng ngày càng phong phú. Với công nghệ hiện nay, một SoC ñược sử dụng trong các thiết bị số cá nhân (PDA) hay trong các ñiện thoại di ñộng có thể thực hiện hầu hết các chức năng về ñiều khiển, quản lý thiết bị, các chức năng giao tiếp không dây, có dây, cũng như các chức năng ña phương tiện (multimedia) với chất lượng cao. Với nhu cầu của cuộc sống hiện ñại, các thiết bị di ñộng trở nên không thể thiếu ñối với mỗi cá nhân trong công việc cũng như trong giao tiếp hay giải trí.
Vì vậy chiến lược hiện nay của nhiều công ty và viện nghiên cứu là nghiên cứu và phát triển các SoC theo hướng ñáp ứng những yêu cầu thực thế này. Với nhu cầu thông tin di ñộng và việc lưu trữ cũng như truyền dữ liệu với dung lượng lớn, tốc ñộ cao thì các SoC ngày nay thường ñược phát triển theo hướng tích hợp ngày càng nhiều các chuẩn giao tiếp không dây như WiMax, wi-fi 802.11b/g/n, bluetooth, 3G… cũng như hỗ trợ các chuẩn giao tiếp có dây tốc ñộ cao (USB 2. Những SoC như thế ra ñời ñã làm cho các thiết bị di ñộng ngày càng có kích thước nhỏ gọn, nhưng sức mạnh xử lý và giao tiếp ngày càng ñược nâng cao hơn. Sự phát triển của các thiết bị di ñộng cũng gắn liền với một nhu cầu quan trọng của con người ñó là nhu cầu giải trí di ñộng.
Những chức năng về các ứng dụng ña phương tiện trở thành một tiêu chuẩn quan trọng trong các thiết bị số cá nhân hiện nay. Chính vì vậy việc phát triển các SoC có tích hợp sẵn các bộ giải mã tín hiệu âm thanh (chuẩn MP3, WAV…) hay tín hiệu hình ảnh (chuẩn AVI, MP4, H.264, HDMI…) cũng ñang nhận ñược rất nhiều sự quan tâm và ñầu tư. Ngoài ra các SoC này cũng ñược nghiên cứu và phát triển theo hướng tích hợp ngày càng nhiều các lõi vi xử lý lên trên một chip (các SoC ña lõi xử lý) [10] [19] ñể tăng tốc ñộ và hiệu năng xử lý của hệ thống. ðiều này không chỉ giúp cho hệ thống có thể thực hiện các tác vụ ña phương tiện ñược nhanh chóng hơn mà còn mang lại cho người sử dụng sức mạnh xử lý dữ liệu ngay cả khi ñang di chuyển, một yếu tố quan trọng trong cuộc sống hiện ñại.
Hình 3 là mô hình cấu trúc của một trong các SoC ñược xem là mạnh nhất hiện nay. ðây là chip OMAP 4 (của hãng Texas Instrucments) [24] ñược phát triển dành cho các nền tảng di ñộng thế hệ mới. Nền tảng chip mới này có khả năng tích hợp nhiều lõi vi xử lý, hỗ trợ hầu hết các kết nối phổ biến cũng như các hệ thống trình diễn ña phương tiện tiên tiến nhất. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Kiến trúc của chip OMAP 4 [24]. Một hướng nghiên cứu cũng ñang thu hút ñược sự quan tâm của giới thiết kế SoC hiện nay ñó là việc thiết kế, xây dựng các hệ thống truyền thông trên chip có hiệu quả. Sự phát triển của các hệ thống trên chip ñã làm cho các hệ thống bus truyền thống trở nên lạc hậu vì không thể ñáp ứng ñược các yêu cầu truyền thông phức tạp với tốc ñộ cao và dung lượng lớn. Cùng với việc tích hợp ngày càng nhiều nhiều lõi IP trên một chip thì một yêu cầu quan trọng là phải xây dựng ñược các hệ thống truyền thông có tốc ñộ truyền dữ liệu cao và hỗ trợ quản lý một số lượng lớn các lõi IP gắn vào hệ thống.
Ngày nay, các phương pháp truyền thông cũ như truyền thông chia sẻ bus vẫn ñang ñược tiếp tục cải tiến và phát triển. Các hệ thống bus tiên tiến ra ñời phần nào cũng ñã ñáp ứng ñược những nhu cầu truyền thông trên chip hiện nay. Bên cạnh ñó, các phương pháp truyền thông mới như “Mạng trên chip” (NoC) cũng ñang ñược nghiên cứu và ñang trong quá trình hoàn thiện. NoC hiện ñược xem là một phương pháp truyền thông trên chip có tính ưu việt cao hơn các phương pháp cũ và có thể sẽ ñược ứng dụng thay thế cho các phương thức truyền bus trong các SoC thế hệ mới.
Tuy nhiên các nghiên cứu về NoC cũng chỉ vừa mới hoàn thành và việc ứng dụng phương thức truyền thông mới này vào thực tế vẫn còn hạn chế do ñộ phức tạp cao, chi phí thực hiện lớn và ñộ ổn ñịnh vẫn chưa ñược ñảm bảo… Chính vì vậy, việc xây dựng và phát triển các loại bus tiên tiến vẫn mang tính thời sự và cấp thiết của nó [3] [8] [16]. Việc thiết kế, xây dựng một hệ thống bus tiên tiến có tốc ñộ cao, băng thông lớn, ñộ ổn ñịnh cao vẫn luôn ñóng một vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế một SoC. Các kiến trúc bus 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tiên tiến luôn là một sự lựa chọn tối ưu cho các thiết kế SoC cần những ứng dụng có ñộ phức tạp vừa phải, số lượng lõi IP trên hệ thống không quá lớn. Chính vì những lý do ñã ñề cập ở trên, luận văn này tập trung vào tìm hiểu về các ñặc tả kỹ thuật của hệ thống bus AMBA AHB - một hệ thống bus tiên tiến hiện nay - ñể từ ñó có thể thiết kế, xây dựng nên một hệ thống bus AHB nhằm ñảm bảo ñược vấn ñề truyền thông trong các thiết kế SoC ñang ñược tiến hành nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Hệ thống tích hợp thông minh (SIS Lab) thuộc trường ðại học Công nghệ.
Các vấn ñề về truyền thông trên chip, cũng như các mô tả kỹ thuật chi tiết của hệ thống bus AMBA AHB sẽ tiếp tục ñược ñề cập sâu hơn trong những phần sau ñể làm cơ sở cho việc thực hiện luận văn này. Tổng quan về phương pháp thiết kế hệ thống trên chip Hệ thống trên chip là một chip ñiện tử, vì vậy việc thiết kế một SoC phải tuân theo ñúng quy trình thiết kế một chip. Một quy trình thiết kế chip thông thường bao gồm hai công ñoạn lớn ñó là: thiết kế logic (front-end) và thiết kế vật lý (back-end). Mỗi công ñoạn lại ñược chia thành các bước khác nhau như ở Hình 4 [18].
Quy trình thiết kế chip cơ bản. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xuất phát từ yêu cầu thiết kế và các ñặc tả kỹ thuật, người thiết kế sẽ xây dựng kiến trúc của chip cần thiết kế. Kiến trúc này sẽ ñược mô tả bằng các ngôn ngữ thiết kế phần cứng ở các mức cụ thể khác nhau: từ mức cao nhất là mức hành vi hệ thống cho ñến mức thấp nhất là kết nối giữa các khối logic. Sau khi ñược tổng hợp logic, hệ thống sẽ ñược mô phỏng ñể kiểm tra các chức năng logic của hệ thống trước khi chuyển sang các thiết kế vật lý ñể có thể ñưa ra một chip hoàn chỉnh.
Công ñoạn thiết kế logic bao gồm bốn bước cơ bản: 1.