Nghiên cứu phát triển phương pháp thiết kế và chế tạo chip vi xử lý kiểu risc

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CHƯƠNG TRÌNH KHCN TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 “NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG” BÁO CÁO TĨM TẮT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP VI XỬ LÝ KIỂU RISC MÃ SỐ ĐỀ TÀI: KC.01.08/06-10 Cơ quan chủ trì đề tài: Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo thiết kế vi mạch Chủ nhiệm đề tài: ThS Ngơ Đức Hồng 8956 TpHCM, 09/2010 MỤC LỤC Chương 1.  NỘI DUNG MỞ ĐẦU BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI 1  1.1 BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI 1  1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1  1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1  1.2 XUẤT XỨ ĐỀ TÀI 3  1.3 SỰ HÌNH THÀNH CỦA ĐỀ TÀI 4  1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 4  1.5 ĐĂNG KÝ CHẤT LƯỢNG VÀ KẾT QUẢ KHCN CỦA SẢN PHẨM ĐỀ TÀI 4  1.5.1 Đăng ký sở hữu trí tuệ 4  1.5.2 Chứng nhận Quốc tế lõi IP VN8-01 VN1632-01 (xem chi tiết phụ lục báo cáo này) 5  1.5.3 Kết đào tạo Thạc sĩ Tiến sĩ 5  1.6 TÁC ĐỘNG ĐỐI VỚI KINH TẾ XÃ HỘI 5  1.6.1 Tác động với xã hội 5  1.6.2 Tính khả thi hiệu kinh tế đề tài 8  Chương 2.  NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CHIP VI XỬ LÝ RISC BIT VÀ 16/32 BIT 11  2.1 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11  2.1.1 Cách tiếp cận: 11  2.1.2 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: 11  2.1.2.1 Phương pháp nghiên cứu 11 2.1.2.2 Kỹ thuật sử dụng 15 2.2 PHỐI HỢP VỚI CÁC CÁ NHÂN TỔ CHỨC TRONG QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI 16  2.2.1 Các tổ chức nước 16  2.2.2 Các chuyên gia tổ chức nước 16  2.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 17  2.3.1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 17  2.3.2 So sánh VN8-01 với vi xử lý loại phổ biến thị trường 18  2.3.3 So sánh VN1632-01 với vi xử lý loại phổ biến thị trường 19  2.3.4 Tính độc đáo sáng tạo 19  2.3.5 Nhận định kết đạt 20  Chương 3.  THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁC ỨNG DỤNG CHO VI XỬ LÝ BIT VÀ 16/32 BIT 21  3.1 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21  3.1.1 Cách tiếp cận 21  3.1.2 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: 21  3.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 22  3.2.1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 22  3.2.2 Tính độc đáo sáng tạo 23  3.2.3 Nhận định kết đạt 23  Chương 4.  XÂY DỰNG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ, GIÁO TRÌNH, HỘI THẢO VÀ BÀI BÁO 24  4.1 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24  4.1.1 Cách tiếp cận 24  4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 26  4.2.1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 26  4.2.2 Tính độc đáo sáng tạo 27  4.2.3 Nhận định kết đạt 27  Chương 5.  KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 28  5.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 28  5.2 LỢI ÍCH MANG LẠI CỦA KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 29  5.3 TÍNH KHẢ THI VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA ĐỀ TÀI 32  5.4 KIẾN NGHỊ THAY ĐỔI CÔNG NGHỆ SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI 34  MỤC LỤC HÌNH Hình 1-1 Bản đồ cơng nghệ vi mạch thê giới 8  Hình 2-1 Quy trình thiết kế giai đoạn Front-End 12  Hình 2-2 Quy trình thiết kế giai đoạn Back-End 14  Hình 4-1 Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Quốc Gia lần thứ 25  Hình 5-1 Bản đồ công nghệ vi mạch thê giới 32  MỤC LỤC BẢNG Bảng 1-1 Định giá sản phẩm IP đề tài 9  Bảng 2-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 18  Bảng 2-2 So sánh VN8-01 với vi xử lý loại 19  Bảng 2-3 So sánh VN1632-01 với vi xử lý loại 19  Bảng 3-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 22  Bảng 4-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ 27  Chương NỘI DUNG MỞ ĐẦU BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI 1.1 BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới Ngành cơng nghiệp điện tử hình thành phát triển từ năm 40 kỷ 20 với đời transitor Kể từ thập niên 90 đến nay, ngành công nghiệp điện tử (electronics) ngành công nghiệp lớn giới Ngành cơng nghiệp có vai trị trực tiếp dẫn đến bùng nổ kinh tế nước phát triển (Mỹ, Nhật, Hàn Quốc…) chia thành ngành công nghiệp nhỏ như: ngành công nghiệp vi mạch (semiconductor industry), ngành máy tính thiết bị lưu trữ (computing and storage devices industry), ngành viễn thông (telecommunication industry), ngành điện tử dân dụng (consumer electronics) Trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, hướng thiết kế vi xử lý hướng mang lại nhiều lợi nhuận nhất, vi xử lý thiết bị xử lý trung tâm hầu hết hệ thống điện tử Nhiều cơng ty xây dựng phát triển dịng vi xử lý riêng với đặc trưng khác Trong dòng vi xử lý sử dụng phổ biến giới nay, kể đến dịng vi xử lý sau: PIC cơng ty Microchip, AVR Atmel, ARM công ty ARM Ltd, DEC Alpha, PA-RISC HP, SPARC Sun Microsystem, MIPS MIPS Technologies, PowerPC IBM… 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Trong ngành thiết kế vi mạch Việt Nam non trẻ chưa chiếm chút thị phần ngành thiết kế vi mạch giới Các công ty nước chủ yếu tập trung vào việc lắp ráp ứng dụng chip có sẵn Một số công ty FPT, GrayStone thực việc outsourcing cho nước lĩnh vực hệ thống nhúng Một số trung tâm nghiên cứu ta Trung tâm thiết kế Bộ Khoa học Công nghệ tập trung nhiều vào lập trình cho FPGA, PAL gần với phần front-end công nghệ thiết kế vi mạch Trong hồn cảnh đó, Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo Thiết kế vi mạch ICDREC có bước để đặt móng cho xây dựng phát triển ngành thiết kế vi mạch Việt Nam Cụ thể việc thực thành công đề tài ưom tạo công nghệ - Thiết Kế Chế Tạo Chip Vi Xử Lý RISC 8-bit SigmaK3 Trên sở đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu cải tiến nhằm tạo VN8-01, kiến trúc hoạt động ổn định tốc độ cao hơn, nhiều tính thêm vào Kiến trúc tảng để xây dựng phát triển dòng vi xử lý có tính thương mại mang thương hiệu Viêt Nam Ngành cơng nghệ bán dẫn Việt Nam cịn q non trẻ khơng muốn nói bắt đầu Mặt khác, bỏ qua ngành cơng nghệ bán dẫn ngành có lợi ích kinh tế lớn, giá trị gia tăng cao Bằng chứng lịch sử cho thấy ngành đóng vai trò quan trọng việc thúc đẩy kinh tế nước cường quốc Mỹ, Nhật, Hàn Quốc tự đem lại thu nhập cho quốc gia mà yếu tố quan trọng để giúp ngành khác điện tử điện tử dân dụng, công nghệ thông tin tăng hiệu kinh tế Riêng Việt Nam năm trở lại thành phố lớn TP Hồ Chí Minh, Hà Nội Đà Nẵng có nhiều cơng ty thiết kế vi mạch liên quan đến vi mạch đầu tư Intel, SDS, Renesas, Applied Micro VietNam chủ yếu công ty thực việc outsourcing cho nước hay lắp ráp ứng dụng chip có sẵn Trước sóng phải có giải pháp tồn diện thúc đẩy Trong yếu tố quan trọng vấn đề làm chủ công nghệ nguồn nhân lực vi mạch Không giải yêu cầu nguồn nhân lực, tin cơng ty gặp khó khăn triển khai dự án đầu tư Việt Nam tình xấu họ rút khỏi Việt Nam mà điều có tác hại lớn tranh kêu gọi đầu tư nước ta 1.2 XUẤT XỨ ĐỀ TÀI Trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, vấn đề cốt lõi phải làm chủ công nghệ thiết kế, đặc biệt làm chủ lõi vi xử lý Khi thiết kế vi mạch chuyên dụng, lõi vi xử lý tích hợp vào bên kết hợp với ngoại vi khác để tạo thành mạch chuyên dụng theo yêu cầu đặt Một cách khác để thực vi mạch chuyên dụng mua license từ hãng thiết kế tiếng Microchip, ARM, MIPS phát triển dựa tảng đó, khó khăn phương án phải bỏ số tiền lớn để mua license tự thay đổi thiết kế cho phù hợp với yêu cầu vi mạch chuyên dụng Trước tình hình phát triển mạnh mẽ ngành thiết kế vi mạch giới, Việt Nam chưa nắm công nghệ thiết kế (cả vi xử lý 8-bit 32bit) Nhận thấy cần thiết quan trọng vấn đề này, Bộ Khoa học Công nghệ chủ trương phát triển đề tài “Nghiên cứu phát triển phương pháp thiết kế chế tạo chip vi xử lý kiểu RISC” để xây dựng tảng ban đầu cho công nghiệp thiết kế vi mạch Việt Nam Đề tài tiến hành dựa tảng đề tài ươm tạo Công nghệ “Nghiên cứu thiết kế lõi IP chế tạo thử nghiệm chip 8-bit RISC SigmaK3” Hội đồng Khoa học Cấp ĐHQG HCM đánh giá xuất sắc nghiệm thu vào ngày 28/12/2007 1.3 SỰ HÌNH THÀNH CỦA ĐỀ TÀI Từ bối cảnh xuất xứ đề tài, cho việc nghiên cứu thiết kế làm chủ công nghệ vi xử lý 8bit 32bit cần thiết Bên cạnh chúng tơi xây dựng giảng điện tử, giáo trình phần lý thuyết thực hành nhằm phục vụ đào tạo nguồn nhân lực vi mạch phục vụ dự án đầu tư công ty chuyên ngành thiết kế vi mạch như: Intel, Renesas, Altera, IBM, Canon 1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ¾ Làm chủ cơng nghệ thiết kế chế tạo vi mạch đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp điện tử CNTT Việt Nam thông qua: - Nghiên cứu phương pháp thiết kế, chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý RISC bit VN8-01 công nghệ 0,25um - Nghiên cứu phương pháp thiết kế chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý RISC 16/32 bit VN1632-01 cơng nghệ 0,25um ¾ Xây dựng số ứng dụng cho vi xử lý RISC bit VN8-01 RISC 16/32 bit VN1632-01 ¾ Xây dựng giảng điện tử, giáo trình phần lý thuyết thực hành phục vụ đào tạo chuyên viên điện tử phục vụ dự án đầu tư công ty chuyên ngành thiết kế vi mạch như: Intel, Renesas, Altera, IBM, Canon ) 1.5 ĐĂNG KÝ CHẤT LƯỢNG VÀ KẾT QUẢ KHCN CỦA SẢN PHẨM ĐỀ TÀI 1.5.1 Đăng ký sở hữu trí tuệ Chúng tơi tiến hành đăng ký quyền Sở hữu trí tuệ cho sản phẩm (xem chi tiết phụ lục báo cáo này): - Vi xử lý bit RISC VN8-01 - Vi xử lý 16/32 bit VN1632-01 Phụ Lục B HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG VN8-01 ` 507 Phụ Lục C HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG KIT VN801 Giới thiệu KIT thí nghiệm VN8-01 sản phẩm đƣợc nhóm ứng dụng ICDREC thiết kế theo yêu cầu sản phẩm đề tài KC.01.08/06-10, dựa microcontroller VN8-01, vi điều klhiển ICDREC thiết kế Dựa yêu cầu đề tài lợi module ngoại vi chip VN8-01 xây dựng KIT thí nghiệm VN8-01 với chức sau: nạp trực tiếp board, nhiều ngoại vi từ đơn giản đến phức tạp (led đơn, led đoạn, LCD,keypad (ext-interrupt), UART, I2C …) KHỐI GIAO TIẾP PC (RS232) KHỐI NGUỒN KHỐI LED ĐOẠN (4 LED) NGÕ VÀO ADC (8 kênh) KHỐI ADC (8 kênh – bit) KHỐI GIAO TIẾP I2C (DS1820 + AT24C32) KHỐI LCD GRAPHIC (128x64) KHỐI LCD(16x2) KHỐI RESET VN8-01 DESIGNED BY ICDREC VIETNAM NGÕ RA DAC (2 kênh) BỘ NHỚ CHƢƠNG TRÌNH (FLASH 64KW) HEADER LẬP TRÌNH KHỐI DAC (2 kênh – bit) KHỐI PWM KHỐI BÀN PHÍM (8x4) KHỐI LED ĐƠN (8x4 Barled) KHỐI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ (DS1820) Hình 1: Sơ đồ module kit VN8-01 532 HEADER MỞ RỘNG Hình 2: KIT thí nghiệm VN8-01 POWER Yêu cầu: Nguồn cấp (6.5 – 12) VDC -1A - Jack cắm DC - Nút nguồn - LED báo nguồn - Diod bảo vệ - LM7805 (5VDC) - AMS1117 (3.3VDC) - LD25A (2.5VDC) 533 (1) (3) (2) (4) Hình 3: POWER (1): Jack cắm DC (2): Nút nhấn POWER (3): Diode bảo vệ (4): LED báo nguồn MẠCH NẠP VÀ BỘ NHỚ CHƢƠNG TRÌNH VN8-01 có khả truy xuất 32KWord nhớ chƣơng trình - Bộ nhớ chƣơng trình: FLASH AT49LV1024A (32KWord) - Mạch nạp sử dụng giao thức X-modem để trền từ PC đến FLASH qua UART mạch nạp – Hỗ trợ nạp on board Bộ nhớ chƣơng tr nh Header nạp chƣơng tr nh t mạch nạp Hình 4: Bộ nhớ chƣơng trình header nạp 534 (1) (2) (3) Hình 5: Kết nối mạch nạp VN8-01 với KIT thí nghiệm (1): Header kết nối KIT VN8-01 mạch nạp (2): Mạch nạp VN8-01 (3): Giao tiếp máy tính mạch nạp (RS232) KHỐI BARLED - Khối LED đơn có khả hiển thị đồng thời IC chốt 74573, khối LED đơn gồm có Barled nhƣ hình bên 535 Hình 6: Khối Barled - Với thiết kế mở rộng Port giúp lập trình viên truy xuất LED khối KHỐI LED ĐOẠN - Khối LED đoạn đƣợc phân cự thông qua transistor điện trở hạn dòng Muốn hiển thị LED đoạn phải thực phƣơng pháp quét LED Hình 7: Khối led đoạn 536 KHỐI LCD 16x2 - Trong trình tƣơng tác ngƣời lập trình VN8-01 khơng thể thiếu module hiển thị - LCD(16x2) Ngồi việc cho biết trạng thái làm việc hành VN8-01, LCD16x2 cịn có vai trị quan trọng thiết kế hiển thị Hình 8: Khối LCD 16x2 KHỐI KEYPAD - Khối bàn phím đƣợc thiết kế dƣới dạng ma trận (8x4) có tính phát phím nhấn ngắt ngồi VN8-01 Hình 9: Khối Keypad 537 KHỐI GIAO TIẾP MÁY TÍNH (RS232) - Module USART sử dụng giao thức RS232 để giao tiếp với Computer qua cổng COM Trên đƣờng truyền đƣợc kết nối với LED đơn để báo tốc độ truyền liệu Hình 10: Khối giao tiếp máy tính KHỐI GIAO TIẾP I2C - Module realtime DS1307 đƣợc thiết kế dao động nguồn Battery độc lập nên trình đếm thời gian DS1307 khơng bị ảnh hƣởng trình cấp nguồn KIT - Module AT24C32 dùng để mở rộng nhớ data cho KIT, AT24C32 nhớ EEPROM có dung lƣợng lên đến 32Kbit Hình 11: Khối giao tiếp I2C 538 10.KHỐI CẢM BIẾN 1-WIRE - Khối cảm biến nhiệt độ đƣợc thiết kế DS1820 – cảm biến thuộc dòng cảm biến dây (1-WIRE BUS) Với độ xác đến 0.5oC, dịng đƣợc sử dụng phổ biến cơng nghiệp - Giá trị đọc đƣợc cảm biến đƣợc xử lý hiển thị lên LCD LED đoạn Hình 12: Khối cảm biến 1-wire 11.KHỐI ADC - Khối ADC đƣợc thiết kế với kênh tín hiệu vào, kênh có độ phân giải bit Kênh đƣợc kết nối trực tiếp đến biến trở để thuận tiện cho trình test - Việc cho kênh đƣợc cấu hình DIP SWITCH Hình 13: Khối ADC 539 12.KHỐI DAC - Khối DAC đƣợc xây dựng dựa MCP4922 Microchip, tín hiệu Digital đƣợc truyền đến MCP4922 thông qua giao thức SPI với độ phân giải kênh lên đến 12 bit - Với kênh analog ngõ ra, ngƣời lập trình tạo tín hiệu audio để phát loa Hình 14: Khối DAC 13.KHỐI LCD GRAPHIC - Khối LCD đồ họa có độ phân giải 128x64 có khả cung cấp hiển thị mà LCD 16x2 hiển thị đƣợc Quá trình hiển thị lên LCD đồ họa địi hỏi ngƣời lập trình phải tự xây dựng bảng mã riêng cho hình ảnh cần hiển thị Hình 15: Khối LCD Graphic 540 14.CÁC BƢỚC LẬP TRÌNH VN8-01 Soạn thảo chƣơng trình IDE compiler trình soạn thảo Windows nhƣ Notepad, Wordrap… lƣu lại với tên mở rộng *.c Compile -> *.hex (Compiler C ASM) Cắm mạch nạp vào Header nhƣ hình vẽ Start>All Programs>Accessories>Communications>HyperTerminal 541 Cấu hình chế độ hoạt động HyperTerminal 542 Bits per second: 115200 Data bits: 543 Parity: None Stop bits: Flow control: None Nạp file *.hex đƣợc tạo từ bƣớc vào nhớ chƣơng trình Vn8-01 544 Phụ Lục D ĐĂNG KÝ QUYỀN SỞ HỮU TRÍ TUỆ TẠI CỤC SỞ HỮU TRÍ TUỆ CHIP 8-BIT VN8-01 545