Thiết kế bộ vi điều khiển chuyên dụng phục vụ cho đo và điều khiển

Thiết kế bộ vi điều khiển chuyên dụng phục vụ cho đo và điều khiển Định kỳ tổ chức sinh hoạt học thuật và trao đổi học thuật theo các chủ đề: + Tổng quan về FPGA, phát triển với FPGA và ASIC. + Các phương pháp thiết kế phần cứng với ngôn ngữ mô tả phần cứng. + Các công cụ cho phát triển thiết kế phần cứng mà các hãng lớn trên thế giới đang sử dụng. Các phương pháp mới trong thiết kế các bộ Vi điều khiển chuyên dụng. Các Modules chương trình cho thiết kế các bộ ALU (bộ số học và logic), CU (đơn vị điều khiển), tập các thanh ghi... Các chương trình dịch và gõ rối. Những vấn đề đo và xử lý trên công nghệ FPGA, những vấn đề đa xử lý...

ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ vi điều khiển chuyên dụng phục vụ cho đo và điều khiển. Thời gian thực hiện: 2008 - 2009 Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ thông tin Chủ nhiệm: PGS.TS. Lê Bá Dũng Cán bộ tham gia: Viện Công nghệ thông tin: PGS.TS. Vũ Chấn Hưng, PGS.TS. Thái Quang Vinh, ThS. Hà Mạnh Đào, ThS. Phạm Ngọc Minh, KS. Vũ Hoàng Tuấn. Viện Công nghệ Vũ Trụ: TS. Bùi Trọng Tuyên, ThS. Nguyễn Văn Hiệu, KS. Trần Minh Văn, ThS. Ngô Duy Tân. Đại học Bách khoa Hà Nội: TS. Phạm Ngọc Nam, KS. Nguyễn Văn Phúc, KS. Lã Thành Công. Công ty AIC: KS. Nguyễn Văn Đức. Tổng kinh phí: 350 triệu đồng Mục tiêu: Nghiên cứu làm chủ công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array). - Phát triển thiết kế, chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý chuyên dụng trên cơ sở công nghệ FPGA. - Tiếp cận đến các vấn đề về thiết kế hệ đa nhiệm, thời gian thực cho các chip vi điều khiển chuyên dụng. - Các chương trình dịch, vấn đề xử lý đồng thời và chia sẻ thời gian. - Hướng đến ngành đào tạo về thiết kế chip chuyên dụng khi trường Đại học Khoa học & Công nghệ được thành lập. Nội dung nghiên cứu: - Kiến trúc vi xử lý. + Đường đi của dữ liệu giữa các khối. + Logic điều khiển các đường đi của dữ liệu. + Các thành phần bộ nhớ như thanh ghi, bộ nhớ lưu tạm thời. + Tập lệnh RISC (rút gọn). + Bus dữ liệu và bus địa chỉ. Các thanh ghi của vi xử lý được thiết kế dưới dạng “register file”. Theo đó các thanh ghi không có một công dụng cụ thể nào như các thanh ghi của kiến trúc x86, mà sẽ có nhiều chức năng. Bộ vi xử lý sẽ được thiết kế với kỹ thuật thực hiện lệnh pipepline 5 bước. - Kiến trúc bộ nhớ. - Làm chủ công cụ thiết kế về phần cứng. - Làm chủ công cụ thiết kế về phần mềm. Các ngôn ngữ để mô tả và thiết kế các mạch logic và vi xử lý được dùng là VHDL và Verilog. Ngoài ra còn có thư viện và ngôn ngữ giống C là SystemC, ở mức Register Transfer Level (RTL). - Chương trình dịch để dịch mã lệnh assembly sang mã máy. Kết quả đạt được: Với thời gian triển khai nghiên cứu trong giai đoạn 2008-2009, đề tài nghiên cứu đã đạt được một số kết quả đáp ứng được các mục tiêu đề ra của đề tài: Triển khai thực hiện mục tiêu. - Định kỳ tổ chức sinh hoạt học thuật và trao đổi học thuật theo các chủ đề: + Tổng quan về FPGA, phát triển với FPGA và ASIC. + Các phương pháp thiết kế phần cứng với ngôn ngữ mô tả phần cứng. + Các công cụ cho phát triển thiết kế phần cứng mà các hãng lớn trên thế giới đang sử dụng. - Các phương pháp mới trong thiết kế các bộ Vi điều khiển chuyên dụng. - Các Modules chương trình cho thiết kế các bộ ALU (bộ số học và logic), CU (đơn vị điều khiển), tập các thanh ghi - Các chương trình dịch và gõ rối. - Những vấn đề đo và xử lý trên công nghệ FPGA, những vấn đề đa xử lý Các triển khai nghiên cứu cụ thể. Năm 2008 1. Làm chủ các công cụ sử dụng để mô tả thiết kế phần cứng: - Ngôn ngữ lập trình VHDL (Very High speed intergrated circuit Hardware Description Language). - Các công cụ cho phát triển và thiết kế phần cứng ISE của hãng Xilinx, Quantus II của hãng Altera. - Các chương trình thiết kế mẫu các bộ Vi điều khiển có sẵn của các hãng Xilinx và Altera, Picoblaze. - Các chương trình sử dụng cho các ứng dụng sau này. 2. Triển khai thực hiện: Khi triển khai đề tài, các cán bộ tham gia đã cố gắng nắm bắt những vấn đề mới và đã thực hiện được các nghiên cứu sau: - Xây dựng hệ thí nghiệm cho hệ thu thập và xử lý số liệu gồm: + KIT phát triển Spartan 3E để chạy các chương trình. + Bàn phím 16 phím, thiết bị đo lường. + Các chương trình thu thập, xử lý số liệu viết trên ngôn ngữ Assembly của chip xử lý chuyên dụng Picoblaze. - Phát triển IP core mới, một chip mới trên cơ sở hệ Vi điều khiển 8bit của hãng Microchip 16F877A với các thông số như sau: + Đơn vị điều khiển CU. + Đơn vị số học và logic ALU. + Tập các thanh ghi RISC + Vùng nhớ ROM 8K RAM: 512 byte. + Các cổng vào ra. - Ứng dụng cho thu thập ảnh vệ tinh sử dụng IP core có sẵn. Năm 2009 1. Làm chủ các công cụ sử dụng để mô tả thiết kế phần cứng: - Ngôn ngữ lập trình VHLD (Very High speed intergrated circuit Hardware Description language). - Các công cụ cho phát triển và thiết kế phần cứng ISE của hãng Xilinx, Quantus II… của hãng Altera. - Các chương trình thiết kế mẫu các bộ Vi điều khiển có sẵn của các hãng Xilinx và Altera loại 32 bit MicroBlaze. - Các chương trình dịch, ngôn ngữ lập trình bậc thấp, bậc cao sử dụng cho các ứng dụng sau này. 2. Triển khai thực hiện: Triển khai đề tài cho năm 2009, các cán bộ tham ra đã nắm bắt những vấn đề mới và thực hiện được các nghiên cứu có tính then chốt sau: - Xây dựng hệ thí nghiệm cho hệ thu thập và xử lý số liệu trên cơ sở hệ Vi điều khiển 8bits của hãng Microchip 16F8877A đã phát triển từ kết quả của năm 2008 với các thông số như sau: + Đơn vị điều khiển CU. + Đơn vị số học và logic ALU. + Tập các thanh ghi RISC + Vùng nhớ ROM 8K RAM: 512 byte. + Các cổng vào ra. + KIT phát triển Spartan 3E để chạy các chương trình. + Bàn phím 16 phím, thiết bị đo lường. + Các chương trình thu thập, xử lý số liệu viết trên ngôn ngữ Assembly của chip xử lý chuyên dụng Picoblaze. - Phát triển IP core mới, một chip mới với các thông số như sau: + Đơn vị điều khiển. + Đơn vị số học và logic. + Tập các thanh ghi. + Tập lệnh với 28 lệnh. + Tần số đến 100Mhz. + Các cổng vào ra. - Nghiên cứu xây dựng một hệ xử lý đa tác vụ, thử nghiệm cho đo và điều khiển một nút giao thông. - Thiết kế một bo mạch phục vụ cho triển khai ứng dụng và giảng dạy. - Ứng dụng và thu thập tín hiệu vệ tinh sử dụng IP core mới Về triển khai ứng dụng: Trong danh mục đề tài, Hội đồng phê duyệt đã chỉ hướng ứng dụng của đề tài nghiên cứu trong lĩnh vực thu thập và xử lý tín hiệu vệ tinh trên công nghệ FPGA. Vì vậy ngay từ đầu đề tài đã ký hợp đồng triển khai nghiên cứu hướng ứng dụng này. Các kết quả nghiên cứu của đề tài năm 2008 đã bàn giao cho bên B để thực hiện triển khai. Kết quả là đã triển khai nghiên cứu lắp đặt và chạy một IP core mới cho thu thập tín hiệu vệ tinh và đưa vào máy tính để xử lý phục vụ cho các ứng dụng dự báo khí tượng thuỷ văn, cũng như trong quốc phòng. Mặt khác đề tài có dự kiến sẽ áp dụng các kết quả thử nghiệm của quá trình xử lý đa nhiệm cho các quá trình đo và điều khiển trong ngành giao thông nói riêng, cũng như trong các ngành kinh tế kỹ thuật khác nói chung, như đã đề cập trong phần mục tiêu. Các kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp tích cực cho một ngành học là thiết kế chíp… nếu như được triển khai trong các trường đại học. Sản phẩm khoa học: - 04 bài báo đã công bố. Sản phẩm phần mềm: - Hệ chương trình thiết kế chip Vi điều khiển mới 8bits. - Hệ chương trình thiết kế chip Vi điều khiển họ PIC17F877A 8bits. - Hệ chương trình thu thập và xử lý số liệu cho chương trình thiết kế chip Vi điều khiển chuyên dụng trên công nghệ FPGA chạy trên PIC16F877A. - Hệ chương trình xử lý đa tác vụ, ứng dụng cho điều khiển một nút giao thông. - Hệ chương trình cho thu thập tín hiệu vệ tinh. Sản phẩm phần cứng: - Bo mạch phần cứng sử dụng FPGA 250K có tích hợp với các ghép nối chuẩn ADC 8bit, RS232, các cổng vào ra, hiển thị 7 segments và LCD, rất tiện lợi cho triển khai ứng dụng, cũng như giảng dạy. - Hệ thí nghiệm sử dụng KIT Spartan 3E để thực hiện các chương trình thiết kế cho chip Vi điều khiển, cùng với chương trình thu thập và xử lý số liệu. - Hệ thí nghiệm đa tác nghiệp cho điều khiển một nút giao thông. - Thiết bị thu thập và xử lý tín hiệu vệ tinh trên công nghệ FPGA. Các loại sản phẩm khác: Tài liệu công nghệ FPGA và ứng dụng. (sẽ hoàn thiện và đưa đi xuất bản). . TÀI: Thiết kế bộ vi điều khiển chuyên dụng phục vụ cho đo và điều khiển. Thời gian thực hiện: 2008 - 2009 Cơ quan chủ trì: Vi n Công nghệ thông tin Chủ nhiệm: PGS.TS. Lê Bá Dũng Cán bộ tham gia: Vi n. trong thiết kế các bộ Vi điều khiển chuyên dụng. - Các Modules chương trình cho thiết kế các bộ ALU (bộ số học và logic), CU (đơn vị điều khiển) , tập các thanh ghi - Các chương trình dịch và gõ. cổng vào ra. - Nghiên cứu xây dựng một hệ xử lý đa tác vụ, thử nghiệm cho đo và điều khiển một nút giao thông. - Thiết kế một bo mạch phục vụ cho triển khai ứng dụng và giảng dạy. - Ứng dụng và