Thiết Kế và Hiện Thực Bộ Vi Xử Lý RISC-V 32 Bit Sử Dụng Kiến Trúc Superscalar Trên FPGA

• Tác giả: Trần Quốc Trưởng
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Thanh Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ sư ngành Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế và Hiện Thực Bộ Vi Xử Lý RISC-V 32 Bit Trên FPGA
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH RISC-V
• 2.1. Tổng quát
• 2.2. Các tập lệnh và tập thanh ghi được sử dụng trong hệ thống
• 2.3. Bộ nhớ đệm - Cache
• 2.4. Giải thuật FIFO để cấp phát bộ nhớ
• 2.5. Phương pháp cập nhật lại bộ nhớ chính
• 2.6. Ưu điểm và lý do chọn Cache associative 4-way
• 2.7. Đơn vị quản lý bộ nhớ - MMU
• 2.7.1. Cách thức hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VI XỬ LÝ RISC-V
• 3.1. Mô tả tổng quan hệ thống
• 3.2. Thiết kế vi xử lý RISC-V
• 3.3. Khối CPU_MeM_SCal aL
• 3.4. Khối forwarding logic
• 3.5. Thiết kế MMU
• 3.5.1. Tổng quan MMU
• 3.6. Thiết kế Cache
• 3.6.1. Tổng quan Cache
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ
• 4.1. Thiết kế mô hình kiểm thử
• 4.2. Mô phỏng tập lệnh
• 4.3. Thiết kế mô hình kịch bản kiểm thử
• 4.4. Nạp tập lệnh vào
• 4.5. Kết quả mô phỏng
• 4.6. Kết quả tổng hợp, thực thi và đánh giá thiết kế
• 4.6.1. Kết quả tổng hợp, thực thi của khối riscV
• 4.6.2. Đánh giá thiết kế
• 4.6.3. Bảng so sánh
• 4.7. Thiết kế Block Design trên Vivado với giao thức AXI4
• 4.7.1. Tổng quan giao thức AXI4
• 4.7.2. Kiến trúc khối thiết kế tổng quan giao tiếp qua AXI4
• 4.7.3. Thiết kế trên Vivado
• 4.7.4. Các IP của Xilinx dùng trong thiết kế Block Design
• 4.7.4.1. IP Microblaze giao tiếp với local memory
• 4.7.4.2. IP AXI Uart Lite
• 4.7.5. Kết quả tổng hợp thực thi của Block Design
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Ưu điểm và hạn chế của thiết kế
• 6.2. Hướng phát triển
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Tổng quan về thiết kế bộ vi xử lý RISC V 32 Bit trên FPGA

Bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit là một trong những kiến trúc vi xử lý mở đang được ưa chuộng trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Thiết kế này không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn giúp giảm chi phí sản xuất. Việc sử dụng FPGA (Field Programmable Gate Array) cho phép các nhà phát triển linh hoạt trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa thiết kế theo nhu cầu cụ thể.

1.1. Kiến trúc RISC V và lợi ích của nó

Kiến trúc RISC-V được thiết kế với mục tiêu đơn giản hóa tập lệnh, giúp tăng tốc độ xử lý và giảm tiêu thụ năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng IoT, nơi mà hiệu suất và tiết kiệm năng lượng là ưu tiên hàng đầu.

1.2. FPGA và vai trò trong thiết kế vi xử lý

FPGA cho phép lập trình lại cấu trúc phần cứng, giúp các nhà phát triển dễ dàng thử nghiệm và tối ưu hóa thiết kế vi xử lý RISC-V. Điều này mang lại sự linh hoạt và khả năng thích ứng cao với các yêu cầu thay đổi trong quá trình phát triển.

II. Thách thức trong việc thiết kế bộ vi xử lý RISC V 32 Bit

Mặc dù thiết kế bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng không thiếu những thách thức. Việc tích hợp bộ nhớ đệm và đơn vị quản lý bộ nhớ là một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Vấn đề về tốc độ truy xuất bộ nhớ

Tốc độ truy xuất bộ nhớ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ vi xử lý. Việc thiết kế bộ nhớ đệm (Cache) hiệu quả là cần thiết để giảm thiểu thời gian truy cập dữ liệu từ bộ nhớ chính.

2.2. Quản lý bộ nhớ và bảo vệ dữ liệu

Đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ dữ liệu và quản lý bộ nhớ. Việc thiết kế MMU hiệu quả giúp đảm bảo rằng các chương trình có thể truy cập dữ liệu một cách an toàn và nhanh chóng.

III. Phương pháp thiết kế bộ vi xử lý RISC V 32 Bit

Để thiết kế bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng ngôn ngữ thiết kế phần cứng Verilog là một trong những bước quan trọng trong quá trình này.

3.1. Thiết kế phần cứng bằng Verilog

Ngôn ngữ Verilog cho phép mô tả cấu trúc và hành vi của phần cứng một cách rõ ràng và chính xác. Việc sử dụng Verilog giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và kiểm tra bộ vi xử lý.

3.2. Tích hợp bộ điều khiển Cache và MMU

Việc tích hợp bộ điều khiển Cache và MMU vào thiết kế vi xử lý RISC-V 32 Bit là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo rằng bộ vi xử lý có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ vi xử lý RISC V 32 Bit

Bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau, từ IoT đến các hệ thống nhúng. Việc áp dụng kiến trúc này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong Internet of Things IoT

Bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit rất phù hợp cho các thiết bị IoT nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Điều này giúp các thiết bị IoT hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường thực tế.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng thường yêu cầu các bộ vi xử lý có hiệu suất cao và chi phí thấp. RISC-V 32 Bit đáp ứng được các yêu cầu này, giúp các nhà phát triển dễ dàng triển khai các giải pháp nhúng.

V. Kết luận và tương lai của bộ vi xử lý RISC V 32 Bit

Bộ vi xử lý RISC-V 32 Bit đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, RISC-V hứa hẹn sẽ trở thành một trong những kiến trúc vi xử lý phổ biến trong tương lai.

5.1. Tương lai của kiến trúc RISC V

Với sự phát triển của các ứng dụng IoT và hệ thống nhúng, kiến trúc RISC-V có khả năng mở rộng và phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Điều này sẽ tạo ra nhiều cơ hội cho các nhà phát triển và doanh nghiệp.

5.2. Định hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển bộ vi xử lý RISC-V sẽ tiếp tục được đẩy mạnh, nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng tương thích với các ứng dụng thực tế. Điều này sẽ giúp RISC-V trở thành một lựa chọn hàng đầu cho các nhà phát triển.