I. AMBA AHB Tổng Quan Nghiên Cứu Bus Truyền Thông SoC
Sự phát triển của công nghệ bán dẫn cho phép tích hợp ngày càng nhiều transistor trên một đơn vị diện tích. Theo định luật Moore, số lượng transistor trên một inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ hai năm. Điều này cho phép các nhà sản xuất phát triển các mạch tích hợp (IC) với kích thước ngày càng nhỏ và độ tích hợp ngày càng tăng. Các hệ thống điện tử phức tạp và cồng kềnh nay đã có thể thu nhỏ lên trên một chip đơn mà vẫn giữ được các tính năng tương tự trong khi hiệu năng hoạt động được nâng cao. Từ đó ra đời khái niệm “Hệ thống trên chip” (SoC) để chỉ việc tích hợp các khối chức năng khác nhau trên một chip đơn thay cho một hệ thống gồm các thành phần riêng lẻ. Điều này không chỉ đáp ứng được sự phát triển của các thiết bị điện tử tích hợp nhỏ gọn mà còn nâng cao độ tin cậy trong quá trình hoạt động của các thiết bị đó. Không những thế, giá thành và thời gian cần thiết để phát triển các thiết bị này cũng được giảm đi rất nhiều, nhờ vào việc tái sử dụng các khối chức năng khác nhau đã được phát triển từ trước, hoặc bởi các nhóm phát triển khác nhau. Việc tích hợp ngày càng nhiều các khối chức năng trên một hệ thống đơn chip dẫn đến một yêu cầu cấp thiết là việc giải quyết vấn đề truyền thông giữa các khối chức năng.
1.1. Lịch Sử Phát Triển và Xu Hướng Hệ Thống trên Chip
Kể từ khi những vi mạch tích hợp (IC) đầu tiên ra đời vào năm 1958 [21], công nghệ vật liệu bán dẫn đã 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 được tích hợp khoảng hơn một tỷ transistor trên một vi mạch (ví dụ: chip Xeon 7400 của Intel đã đạt độ tích hợp là 1,9 tỷ transistor [4]). Điều này không chỉ tạo ra các loại IC có độ phức hợp và hiệu năng cao, hoạt động với công suất tiêu thụ thấp mà còn cho phép phát triển nhiều chức năng hoạt động khác nhau trên cùng một vi mạch. Các hệ thống điện tử với từng khối chức năng riêng biệt và được thực hiện bởi các loại IC khác nhau, nay đã có thể cùng được thực thi lên trên một chip duy nhất.
1.2. Các Thành Phần Cơ Bản của một Hệ Thống trên Chip SoC
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 đổi ADC, DAC, khuếch đại tín hiệu…; Hệ thống bus truyền nhận dữ liệu; Các khối điều chỉnh điện thế và quản lý năng lượng của nguồn. Kiến trúc cơ bản của một hệ thống trên chip điển hình được mô tả như trong Hình 1.
II. Thách Thức Thiết Kế Bus Tốc Độ Cao AMBA AHB cho SoC
Việc tích hợp ngày càng nhiều các khối chức năng trên một hệ thống đơn chip dẫn đến một yêu cầu cấp thiết là việc giải quyết vấn đề truyền thông giữa các khối chức năng. Để đáp ứng yêu cầu này, nhiều phương thức truyền thông giữa các chip đã ra đời như truyền thông theo dạng kết nối điểm-tới-điểm, bus truyền thống hay các phương thức tiên tiến hơn như “Mạng trên chip” (Network-on-Chip). Tuy vậy, phương thức truyền thông bus hiện vẫn đang là phương thức truyền thông được sử dụng phổ biến vì tính đơn giản, thuận tiện của nó. Hơn nữa, các thế hệ bus tiên tiến vẫn có thể đáp ứng được yêu cầu truyền thông tốc độ cao và hỗ trợ truyền thông giữa nhiều lõi xử lý khác nhau.
2.1. Vấn Đề Truyền Thông trong Hệ Thống trên Chip SoC
Sự phát triển của các hệ thống trên chip đã làm cho các hệ thống bus truyền thống trở nên lạc hậu vì không thể đáp ứng được các yêu cầu truyền thông phức tạp với tốc độ 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 được các hệ thống truyền thông có tốc độ truyền dữ liệu cao và hỗ trợ quản lý một số lượng lớn các lõi IP gắn vào hệ thống.
2.2. Giới Hạn của Bus Truyền Thống và Sự Cần Thiết của AHB
Ngày nay, các phương pháp truyền thông cũ như truyền thông chia sẻ bus vẫn đang được tiếp tục cải tiến và phát triển. Các hệ thống bus tiên tiến ra đời phần nào cũng đã đáp ứng được những nhu cầu truyền thông trên chip hiện nay. Bên cạnh đó, các phương pháp truyền thông mới như “Mạng trên chip” (NoC) cũng đang được nghiên cứu và đang trong quá trình hoàn thiện.
III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Bus AMBA AHB Tối Ưu
Mục đích của luận văn này là nghiên cứu, tìm hiểu một phương thức truyền thông trên chip theo kiểu bus tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều SoC khác nhau, đó là hệ thống bus AMBA AHB của hãng ARM; từ đó sẽ xây dựng một hệ thống bus theo kiến trúc bus AHB để phục vụ cho những mục đích truyền thông trong các SoC đang được Nhóm nghiên cứu về thiết kế vi mạch (VSD Group) phát triển tại Phòng thí nghiệm Hệ thống tích hợp thông minh (SIS Laboratory).
3.1. Tổng Quan về Hệ Thống Bus AMBA AHB
Các hệ thống bus tiên tiến hiện nay đều có những đặc điểm chung như hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông khác nhau, có khả năng quản lý ưu tiên truy cập bus, và có khả năng truyền thông với tốc độ cao. AMBA AHB là một trong những chuẩn bus được sử dụng rộng rãi trong các SoC. Nó được thiết kế để đáp ứng nhu cầu truyền thông tốc độ cao, băng thông lớn giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống.
3.2. Kiến Trúc và Giao Thức Truyền Thông AMBA AHB
AMBA AHB sử dụng kiến trúc bus matrix cho phép nhiều master (bus chủ) giao tiếp với nhiều slave (bus tớ) đồng thời. Giao thức truyền thông của AHB dựa trên cơ chế burst transfer (truyền khối) để tăng hiệu quả truyền dữ liệu. Cơ chế arbitration (phân xử) được sử dụng để quản lý truy cập bus giữa các master khác nhau.
IV. Xây Dựng và Mô Hình Hóa Hệ Thống Bus AMBA AHB Chi Tiết
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu khoa học mã số QC. Hệ thống trên chip là một chip điện tử , vì vậy việc thiết kế một SoC phải tuân theo đúng quy trình thiết kế một chip. Một quy trình thiết kế chip thông thường bao gồm hai công đoạn lớn đó là: thiết kế logic (front-end) và thiết kế vật lý (back-end). Mỗi công đoạn lại được chia thành các bước khác nhau như ở Hình 4 [18].
4.1. Mô Hình Phân Quyền của Bộ Phân Xử Bus AMBA AHB
Bộ phân xử bus (Arbitration) là thành phần quan trọng trong hệ thống bus AHB. Nó có nhiệm vụ quản lý quyền truy cập bus giữa các master khác nhau, đảm bảo không có xung đột khi nhiều master cùng muốn truy cập bus. Mô hình phân quyền cần đảm bảo tính công bằng, hiệu quả, và đáp ứng được yêu cầu thời gian thực của hệ thống.
4.2. Mô Hình Giao Tiếp Giữa Bus Chủ Tớ và Lõi IP
Việc mô hình hóa giao tiếp giữa bus chủ/tớ và lõi IP là rất quan trọng để đảm bảo tính tương thích và khả năng tái sử dụng của các lõi IP. Mô hình cần định nghĩa rõ các tín hiệu bắt tay, các giao thức truyền dữ liệu, và các cơ chế xử lý lỗi. Các tín hiệu trên bus chủ. Máy trạng thái mô tả hoạt động của bus chủ. Các tín hiệu trên bus tớ. Máy trạng thái mô tả hoạt động của bus tớ.
V. Kiểm Chứng Hiệu Năng Hệ Thống Bus AMBA AHB bằng ModelSim
Xuất phát từ yêu cầu thiết kế và các đặc tả kỹ thuật, người thiết kế sẽ xây dựng kiến trúc của chip cần thiết kế . Kiến trúc này sẽ được 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 đến mức thấp nhất là kết nối giữa các khối logic. Sau khi được tổng hợp logic, hệ thống sẽ được mô phỏng để kiểm tra các chức năng logic của hệ thống trước khi chuyển sang các thiết kế vật lý để có thể đưa ra một chip hoàn chỉnh. Công đoạn thiết kế logic bao gồm bốn bước cơ bản:
5.1. Phương Pháp Kiểm Tra và Đánh Giá Mô Hình Bus AMBA AHB
Việc kiểm tra và đánh giá mô hình bus AHB là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu năng của hệ thống. Các phương pháp kiểm tra bao gồm mô phỏng bằng ModelSim, kiểm tra timing analysis (STA), và formal verification. Phương pháp kiểm tra đánh giá mô hình.
5.2. Mô Phỏng và Kiểm Chứng Mô Hình bằng ModelSim
Mô phỏng bằng ModelSim là một phương pháp hiệu quả để kiểm tra các chức năng và hiệu năng của mô hình bus AHB. Các testbench được sử dụng để tạo ra các kịch bản truyền thông khác nhau, và kết quả mô phỏng được phân tích để đảm bảo mô hình hoạt động đúng như thiết kế. Sử dụng ModelSim và ISE Foundation Suite trong từng bước thiết kế.
5.3. Kiểm Tra Hoạt Động Truyền Thông Đơn Giản và Truyền Khối
Kiểm tra hoạt động truyền thông đơn giản của mô hình. Kiểm tra hoạt động truyền khối khi có các phản hồi truyền. Các trường hợp kiểm tra bao gồm truyền đọc/ghi đơn, truyền khối burst với các loại phản hồi khác nhau (OKAY, ERROR, RETRY, SPLIT). Điều này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu khi có các tín hiệu phản hồi bất thường.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển cho Hệ Thống AMBA AHB
Luận văn đã trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bus AMBA AHB tốc độ cao. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các SoC khác nhau để đáp ứng nhu cầu truyền thông giữa các thành phần. Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về hiệu năng và độ tin cậy.
6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp
Tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận văn. Nêu rõ những đóng góp mới của luận văn so với các nghiên cứu trước đây. Đánh giá hiệu quả của hệ thống bus AHB đã được thiết kế và thực hiện.
6.2. Hướng Phát Triển và Nghiên Cứu Tiềm Năng
Đề xuất các hướng phát triển và nghiên cứu tiềm năng cho hệ thống bus AHB trong tương lai. Ví dụ, có thể nghiên cứu các kỹ thuật để giảm power consumption (tiêu thụ điện năng) của hệ thống, hoặc tích hợp AHB với các chuẩn truyền thông khác như AXI. Ngoài ra, có thể nghiên cứu ứng dụng AHB trong các lĩnh vực mới như IoT (Internet of Things) và AI (Artificial Intelligence).
