Thiết Kế Vi Xử Lý RISC-V RV32I và Khối Điều Khiển JTAG Trên FPGA

• Tác giả: Nguyen Nhut Truong
• Người hướng dẫn: ThS. Pham Thanh Hung
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế Vi Xử Lý RISC-V RV32I và Khối Điều Khiển JTAG Trên FPGA
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. So sánh thiết kế với khóa luận trước
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC GIAO TIẾP JTAG
• 2.1. Giới thiệu tổng quan về JTAG
• 2.2. Lịch sử phát triển
• 2.3. Ứng dụng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LÕI ĐIỀU KHIỂN JTAG - TAP
• 3.1. Tổng quan thiết kế JTAG
• 3.2. Mô tả thiết kế
• 3.3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của JTAG
• 3.4. Bộ điều khiển TAP — TAP Controller
• 3.5. Quá trình điều khiển thanh ghi
• 3.6. Lệnh SAMPLE/PRELOAD
• 4. CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ LÕI VI XỬ LÝ RV32I
• 4.1. Giới thiệu RISC-V RV32I
• 4.2. Lịch sử phát triển
• 4.3. Lợi ích của việc sử dụng RISC-V
• 4.4. Quá trình Pipeline
• 4.5. Xung đột dữ liệu (data hazard) và xung đột điều khiển (Control hazard)
• 4.6. Tổng quan thiết kế RISC-V
• 4.7. Chu kỳ nạp lệnh (FETCH CYCLE), giải mã lệnh (DECODE CYCLE), thực thi (EXECUTE CYCLE), truy xuất bộ nhớ (MEMORY CYCLE), ghi kết quả (WRITE-BACK CYCLE)
• 4.8. Mô phỏng kiểm tra hoạt động
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TỔNG HỢP
• 5.1. Mô hình thiết kế tổng hợp
• 6. CHƯƠNG 6: KỊCH BẢN KIỂM TRA THIẾT KẾ
• 6.1. Hiện thực kịch bản kiểm tra
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Giới thiệu tổng quan về thiết kế vi xử lý RISC V RV32I

Thiết kế vi xử lý RISC-V RV32I đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực vi mạch nhờ vào tính linh hoạt và khả năng mở rộng. RISC-V là một kiến trúc tập lệnh mở, cho phép các nhà phát triển tùy chỉnh và tối ưu hóa theo nhu cầu cụ thể. Việc áp dụng RISC-V trong thiết kế vi xử lý không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh quan trọng của thiết kế RISC-V RV32I.

1.1. Lịch sử phát triển của RISC V

RISC-V được phát triển từ những năm 2010 tại Đại học California, Berkeley. Kiến trúc này đã nhanh chóng thu hút sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu và công nghiệp nhờ vào tính mở và khả năng tùy biến cao.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng RISC V

Việc sử dụng RISC-V mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí phát triển, khả năng tùy chỉnh cao và hỗ trợ cho các ứng dụng nhúng. Điều này giúp các nhà phát triển dễ dàng tích hợp và tối ưu hóa thiết kế của mình.

II. Thách thức trong thiết kế vi xử lý RISC V RV32I

Mặc dù RISC-V mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế vi xử lý RV32I cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như xung đột dữ liệu, xung đột điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất là những vấn đề cần được giải quyết. Bài viết này sẽ phân tích các thách thức chính trong thiết kế RISC-V.

2.1. Xung đột dữ liệu trong RISC V

Xung đột dữ liệu xảy ra khi hai hoặc nhiều lệnh cố gắng truy cập cùng một dữ liệu trong cùng một thời điểm. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của vi xử lý và cần được xử lý thông qua các kỹ thuật như pipeline.

2.2. Xung đột điều khiển trong RISC V

Xung đột điều khiển xảy ra khi có sự thay đổi trong luồng điều khiển, ví dụ như khi một lệnh nhảy được thực hiện. Việc quản lý xung đột điều khiển là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của chương trình.

III. Phương pháp thiết kế vi xử lý RISC V RV32I hiệu quả

Để thiết kế vi xử lý RISC-V RV32I hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp tối ưu hóa và kỹ thuật hiện đại. Việc sử dụng mô hình hóa và mô phỏng là rất quan trọng trong quá trình thiết kế. Bài viết này sẽ trình bày các phương pháp chính trong thiết kế RISC-V.

3.1. Mô hình hóa thiết kế vi xử lý

Mô hình hóa giúp các nhà phát triển hình dung và kiểm tra thiết kế trước khi thực hiện. Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL hoặc Verilog là rất phổ biến trong quá trình này.

3.2. Tối ưu hóa hiệu suất thiết kế

Tối ưu hóa hiệu suất có thể đạt được thông qua việc sử dụng các kỹ thuật như pipelining, superscalar và out-of-order execution. Những kỹ thuật này giúp tăng tốc độ xử lý và giảm thời gian thực thi.

IV. Khối điều khiển JTAG và ứng dụng trong thiết kế RISC V

Khối điều khiển JTAG là một phần quan trọng trong thiết kế vi xử lý RISC-V. Nó cho phép kiểm tra, gỡ lỗi và nạp chương trình vào vi xử lý một cách hiệu quả. Bài viết này sẽ khám phá vai trò của JTAG trong thiết kế RISC-V.

4.1. Giới thiệu về giao thức JTAG

Giao thức JTAG (Joint Test Action Group) là một chuẩn giao tiếp được sử dụng để kiểm tra và gỡ lỗi các vi mạch. Nó cho phép truy cập vào các thành phần nội bộ của vi xử lý, giúp việc kiểm tra trở nên dễ dàng hơn.

4.2. Ứng dụng của JTAG trong thiết kế RISC V

JTAG được sử dụng để nạp chương trình vào vi xử lý RISC-V và kiểm tra các kết nối bên trong. Điều này giúp đảm bảo rằng thiết kế hoạt động đúng và hiệu quả.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về thiết kế vi xử lý RISC-V RV32I và khối điều khiển JTAG cho thấy những cải tiến đáng kể trong hiệu suất và khả năng kiểm tra. Các ứng dụng thực tiễn của thiết kế này đang ngày càng mở rộng. Bài viết này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Kết quả thực nghiệm từ thiết kế

Các thử nghiệm cho thấy vi xử lý RISC-V RV32I hoạt động ổn định và hiệu quả. Thời gian thực thi các lệnh được cải thiện đáng kể so với các thiết kế trước đó.

5.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Thiết kế vi xử lý RISC-V RV32I và khối điều khiển JTAG đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, ô tô và thiết bị y tế. Điều này cho thấy tính khả thi và tiềm năng phát triển của công nghệ này.

VI. Kết luận và tương lai của thiết kế vi xử lý RISC V

Thiết kế vi xử lý RISC-V RV32I và khối điều khiển JTAG đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vi mạch. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới. Bài viết này sẽ tóm tắt những điểm chính và dự đoán về tương lai của thiết kế RISC-V.

6.1. Tóm tắt những điểm chính

Thiết kế RISC-V RV32I và JTAG đã chứng minh được tính hiệu quả và khả năng mở rộng. Những thách thức trong thiết kế đã được giải quyết thông qua các phương pháp hiện đại.

6.2. Dự đoán về tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, thiết kế vi xử lý RISC-V sẽ tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực khác nhau. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp vi mạch.