Luận Văn Thiết kế CPU dùng ngôn ngữ VHDL

LỜI NÓI ĐẦU


Một thành phần quan trọng của máy tính là bộ xử lý trung tâm (CPU). Có rất nhiều công sức được đầu tư vào việc chế tạo các CPU nhằm tạo ra các máy tính đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của xã hội. Đó cũng chính là nhiệm vụ mà đề tài này cần thực hiện. Để thiết kế một CPU với đầy đủ chức năng cần một công cụ đủ mạnh. Trong số những công cụ đó, ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) sẽ được sử dụng trong đề tài này
Từ ngôn ngữ VHDL các nhà thiết kế phần cứng có thể thiết kế ra những thiết bị phần cứng như CPU, bộ vi điều khiển một cách nhanh chóng và cũng có thể thực hiện mô phỏng và kiểm tra khả năng hoạt động của thiết bị trước khi đưa vào sản xuất, nhờ vậy có thể giảm bớt thời gian, chi phí sản xuất . Do khả năng và tính hiệu quả của ngôn ngữ VHDL là động cơ chính để chúng em chọn đề tài “Thiết kế CPU dùng ngôn ngữ VHDL” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình.
Chúng em chân thành biết ơn toàn thể quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TPHCM, xin chân thành cảm ơn thầy Lê Mạnh Hải đã tận tình hướng dẫn chúng em thực hiện luận văn này.
Trong thời gian ngắn, có lẽ chưa đủ để nghiên cứu sâu một đề tài tương đối lớn, nên chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong quý thầy cô góp ý để chúng em tiến bộ thêm.



MỤC LỤC

Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1

GIỚI THIỆU 2
I. MỤC ĐÍCH 2
II. BỐ CỤC 2

MỤC LỤC 3

Phần 1 VHDL VÀ FPGA 6

I. GIỚI THIỆU 6
1. Giới thiệu về VHDL 6
2. Các đặc điểm của VHDL 6
II. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6
1. Các khối 6
2. Giới thiệu hai đơn vị thiết kế cơ bản của VHDL 7
2.1. Khai báo thực thể 8
2.2. Thực thể kiến trúc 8
3. Gói 9
III. MỐI QUAN HỆ GIỮA NGÔN NGỮ VHDL VÀ PHẦN CỨNG 9
1. Các thành phần của VHDL để mô tả phần cứng 9
1.1. Các kiểu của VHDL 9
1.2. Các đối tượng của ngôn ngữ VHDL 10
1.3. Các toán tử số học 11
1.3.1. Các toán tử luận lý 11
1.3.2. Các toán tử quan hệ 11
1.3.3. Các toán tử cộng 11
1.3.4. Các toán tử dịch 11
1.3.5. Các toán tử một ngôi 12
1.3.6. Các toán tử nhân 12
1.4. Các lệnh tuần tự 12
1.4.1. Phép gán biến số 12
1.4.2. Phép gán tín hiệu 12
1.4.3. Lệnh điều kiện 12
1.4.4. Lệnh lặp 13
2. Sự thể hiện phần cứng bằng VHDL 13
2.1. Các mạch tổ hợp 13
2.1.1. Các cổng luận lý 13
2.1.2. Các toán tử số học 13
2.1.3. Các toán tử dịch và quay 14
2.1.4. Bộ dồn kênh 14
2.2. Các mạch đồng bộ 15
2.2.1. Mạch cài 15
2.2.2. Thanh ghi 16
IV. CÔNG NGHỆ FPGA 16
1. Các loại FPGA 17
1.1. Các công nghệ lập trình chíp 18
1.1.1. Công nghệ lập trình dùng RAM tĩnh 18
1.1.2. Công nghệ lập trình dùng cầu chì nghịch 19
1.1.3. Công nghệ lập trình EPROM và EEPROM 20
1.2. Các loại FPGA trên thị trường 21
2. Một số ứng dụng của FPGA 22
3. Thiết bị Max, Flex 23
3.1. MAX 24
3.2. FLEX 24

Phần 2 THIẾT KẾ CPU 25

I. NHIỆM VỤ 25
II. TỔ CHỨC BỘ NHỚ CỦA CPU 25
III. TẬP LỆNH CỦA CPU 26
IV. CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ CỦA LỆNH 27
V. HÀNH VI CPU 29
1. Định thời và đồng hồ 29
1.1. Giản đồ định thời đáp ứng ngắt quãng 29
1.2. Giản đồ chu kỳ thực hiện lệnh 1 byte 30
1.3. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện các lệnh rẽ nhánh và lệnh jmp ở chế độ trực tiếp 30
1.4. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện lệnh lda, adc, sbc 31
1.5. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện lệnh jsr 31
1.6. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện lệnh sta 31
1.7. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện lệnh lda, and, adc, sbc 32
1.8. Giản đồ định thời chu kỳ thực hiện lệnh sta 32
2. Khối phục vụ chương trình 33
3. Mô tả hành vi cpu 36
VI.CÁC THÀNH PHẦN CỦA CPU 38
1. Chức năng của các thành phần của CPU 39
2. Thực hiện lệnh 39
3. Mô tả các thành phần 41
3.1. Đơn vị luận lý số học 41
3.2. Đơn vị dịch chuyển 44
3.3. Thanh ghi trạng thái 45
3.4. Thanh ghi tích luy 46
3.5. Thanh ghi lệnh 47
3. Bộ điều khiển của CPU 48

Phần 3 MÔ PHỎNG 62
I. MAX+PLUSII 62
1. Tổng Quát 62
2. Cách sử dụng Max+PlusII 62
2.1. Thực hiện soạn thảo và dịch một chương trình 63
2.2. Thực hiện kiểm tra kết quả sau khi đã tổng hợp mạch 64
2.3. Thoát khỏi Max+plusII 65
II. MÀN HÌNH KHI MÔ PHỎNG 65
1. Khối luận lý số học ALU 65
2. Khối dịch chuyển SHU 66
3. Khối điều khiển 67
4. Sơ đồ chân CPU 69
5. Màn hình mô phỏng lệnh 70

Phần 4 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 71

I. NHẬN XÉT CHUNG 71
a. Những mặt đạt được 71
b. Những vấn đề tồn tại 71
II. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71
III. ĐÁNH GIÁ 71
IV. KẾT LUẬN 71

Phần 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73