Nguyên lý hoạt động của hệ vi xử lý máy tính và phát triển ứng dụng trên các hệ vi xử lý on chip (soc)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Giảng viên giảng dạy : PHAN THỊ NGỌC THANH Sinh viên : NGUYỄN TRỊNH HIỂN Mã sinh viên: 19810510126 Lớp: D14 DTVT Hà Nội, tháng 10 năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC PHẦN Môn: Kỹ thuật vi xử lý Họ tên sinh viên: Nguyễn Trịnh Hiển Mã SV:19810510126 Lớp:D14DTVT Khoa:ĐiệnTử ViễnThông Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật điện tử-viễn thơng Hệ đào tạo: Chính quy Đề bài: Ngun lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) Yêu cầu: Chủ yếu tự chốt kiến thức, hiểu nội dung chốt lại (có thể tự vẽ hình minh họa cắt hình tài liệu) Thời gian làm tiểu luận: Từ 10/10/2021 đến 15/10/2021 Ngày nộp: 16/10/2021 Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2021 Sinh viên Hiển Nguyễn Trịnh Hiển Điểm Giáo viên chấm Giáo viên chấm MỤC LỤC I.Tổng quan nguyên lí hoạt hệ thống vi xử lí máy tính 1.Tổ chức bên máy tính a) Chức hệ thống máy tính b) Các thành phần máy tính c)Cấu trúc hệ thống máy tính 2.Bộ xử lí trung tâm –CPU Bộ vi xử lý (Microprocessor) .8 4.Bộ nhớ a)Bộ nhớ b)Bộ nhớ 11 5.Hệ thống vào 12 Liên kết hệ thống (buses) 14 II Phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) 15 Định nghĩa SoC .15 Kiến trúc SoC 15 Một vài hình ảnh hệ thống SOC .16 Thiết kế kiến trúc SoC .20 I.Tổng quan nguyên lí hoạt hệ thống vi xử lí máy tính • Phần cứng:Tồn máy móc, thiết bị điện tử cấu tạo nên máy tính • Phần mềm:Là chương trình chạy máy tính 1.Tổ chức bên máy tính a) Chức hệ thống máy tính • Xử lý liệu: -Chức quan trọng máy tính - Dữ liệu có nhiều dạng khác có u cầu xử lý khác • Lưu trữ liệu: - Dữ liệu đưa vào máy tính xử lý lưu nhớ -Khi cần chúng lấy xử lý • Trao đổi liệu: - Trao đổi liệu thành phần bên bên máy tính => Q trình vào (input-output) -Các thiết bị vào-ra: nguồn cung cấp liệu nơi tiếp nhận liệu - Dữ liệu vận chuyển khoảng cách xa gọi truyền liệu (data communication) • Điều khiển: Máy tính cần phải điều khiển ba chức b) Các thành phần máy tính c)Cấu trúc hệ thống máy tính • Bộ xử lý trung tâm – CPU (Central Processor Unit) -Điều khiển hoạt động máy tính thực xử lý liệu • Bộ nhớ (Main Memory) -Lưu trữ chương trình liệu • Hệ thống vào (Input-Output System): -Trao đổi thơng tin máy tính giới bên ngồi • Liên kết hệ thống (System Interconnection): - Kết nối vận chuyển thông tin CPU, nhớ hệ thống vào máy tính với 2.Bộ xử lí trung tâm –CPU • Chức - Điều khiển hoạt động tồn hệ thống máy tính -Xử lý liệu • Nguyên tắc hoạt động: CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ chính, cách: -Nhận lệnh từ nhớ - Giải mã lệnh phát tín hiệu điều khiển thực thi lệnh -CPU trao đổi liệu với nhớ hay hệ thống vào-ra -Thực lệnh -Ghi kết • Khối điều khiển (Control Unit – CU):giải mã lệnh, phát tín hiệu điều khiển thành phần khác máy tính • Khối tính tốn số học logic (Arithmetic – Logic Unit - ALU): - Thực phép toán số học phép toán logic liệu cụ thể • Tập ghi (Register File - RF) -Lưu trữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU • Bus bên (Internal Bus) - Kết nối thành phần bên CPU với • Đơn vị ghép nối bus (Bus Interface Unit – BIU) - Kết nối trao đổi thông tin với bus bên với bus bên ngồi • Bộ vi xử lý (Microprocessor) -Là CPU chế tạo vi mạch -Có thể gọi CPU vi xử lý Tuy nhiên, vi xử lý có cấu trúc phức tạp nhiều so với CPU Bộ vi xử lý (Microprocessor) • Tốc độ vi xử lý -Số lệnh thực 1s - MIPS (Milliions of Intructions per Second) - Khó đánh giá xác (cịn phụ thuộc nhớ, bo mạch đồ họa…) • Tần số xung nhịp xử lý -Bộ xử lý hoạt động theo xung nhịp (clock) có tần số xác định - Tốc độ xử lý đánh giá gián tiếp thơng qua tần số xung nhịp • Siêu máy tính: số phép tính dấu phảy động đơn vị thời gian 4.Bộ nhớ • Chức năng: Lưu trữ chương trình liệu • Các thao tác với nhớ: - Thao tác đọc (read) -Thao tác ghi (write) • Các thành phần - Bộ nhớ (Internal Memory) - Bộ nhớ (External Memory) a)Bộ nhớ • Chức đặc điểm -Chứa thơng tin mà CPU trao đổi trực tiếp - Tốc độ nhanh - Dung lượng không lớn -Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM RAM • Các loại nhớ trong: -Bộ nhớ - Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh) *Bộ nhớ • Là thành phần nhớ tồn hệ thống máy tính • Chứa chương trình liệu CPU sử dụng • Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa • Ngăn nhớ thường tổ chức theo Byte • Nội dung ngăn nhớ thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ ln cố định • Thơng thường, nhớ gồm phần: - ROM -RAM +ROM – Read Only Memory • Vùng nhớ đọc -> Thông tin không bị mất nguồn điện • Tích hợp thiết bị • Nội dung cài đặt nơi sản xuất thiết bị • Chức chính: -Chứa phần mềm thực công việc thiết bị (firmware) -Đôi gọi:ROM BIOS (Basic Input/Output System) +RAM – Random Access Memory • Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên - Không phải di chuyển - Được chia thành ô nhớ có đánh địa -Thời gian thực thao tác đọc ghi ô nhớ nhau, cho dù vị trí nhớ • Lưu trữ thơng tin thay đổi, thông tin sử dụng hành • Thông tin lưu RAM tạm thời, chúng mất nguồn điện cung cấp +Phân loại RAM • SRAM (Static RAM): RAM tĩnh • DRAM (Dynamic RAM): RAM động - SDRAM (Synchronous Dynamic RAM): SDR (Single Data Rate): Đã lỗi thời DDR (Double Data Rate): Đã thay DDR2 DDR2 (Double Data Rate 2), DDR3, DDR4: Là hệ DDR, sử dụng rộng rãi -RDRAM (Rambus Dynamic RAM): Ít người dùng khơng nhanh SDRAM bao lại đắt nhiều • Dung lượng: 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 MB, 1GB, 2GB *Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory) • Tốc độ xử lý CPU >> tốc độ truy cập liệu từ RAM • Sử dụng nhớ Cache : -Các khối liệu từ RAM nạp vào Cache cần - CPU thao tác với liệu Cache thay RAM • Hiện nay, CACHE tích hợp chip vi xử lý • CPU truy nhập liệu CACHE nhanh so với RAM dung lượng nhỏ • CACHE thường chia số mức: cache L1, L2,… • CACHE có khơng b)Bộ nhớ ngồi • Chức đặc điểm - Lưu giữ tài nguyên phần mềm máy tính, bao gồm: Hệ điều hành, chương trình liệu - Bộ nhớ kết nối với hệ thống dạng thiết bị vào -Dung lượng lớn - Tốc độ chậm • Các loại nhớ ngoài: -Bộ nhớ từ: Đĩa cứng, đĩa mềm - Bộ nhớ quang: Đĩa CD, DVD,… - Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card, SSD 5.Hệ thống vào • Chức năng: Trao đổi thơng tin máy tính với giới bên ngồi • Các thao tác - Vào liệu (Input) - Ra liệu (Output) • Các thành phần chính: -Các thiết bị vào-ra (IO devices) hay gọi thiết bị ngoại vi (Peripheral devices) - Các mô-đun ghép nối vào-ra (IO Interface modules) +Cấu trúc hệ thống vào-ra +Các thiết bị vào • Chức năng: Chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính • Các thiết bị ngoại vi bản: -Thiết bị vào: Bàn phím, chuột, máy qt,… -Thiết bị ra: Màn hình, máy in,… - Thiết bị nhớ: Các ổ đĩa,… - Thiết bị truyền thông: Modem,… +Mô-đun ghép nối vào • Các thiết bị vào không kết nối trực tiếp với CPU mà kết nối thông qua mơ-đun ghép nối vào-ra • Trong mơ đun ghép nối vào-ra có cổng vào-ra (IO Port) • Các cổng đánh địa CPU, có nghĩa cổng có địa xác định • Mỗi thiết bị vào-ra kết nối với CPU thông qua cổng tương ứng với địa xác định Liên kết hệ thống (buses) • CPU, nhớ hệ thống vào-ra cần phải kết nối với để trao đổi thơng tin • Việc kết nối thực tập đường kết nối gọi bus • Thực tế bus máy tính phức tạp, thể đường dẫn mạch, khe cắm mạch chính, cáp nối,… • Độ rộng bus: Là số đường dây bus truyền bit thơng tin đồng thời • Về chức năng, bus chia làm loại chính: Bus địa chỉ, bus liệu bus điều khiển • Bus địa chỉ: -Chức : vận chuyển địa để xác định vị trí liệu nhớ hay cổng vào -Độ rộng bus : N-bit cho biết số lượng ngăn nhớ tối đa đánh địa • Bus liệu - Vận chuyển liệu CPU thành phần khác hệ thống - Độ rộng : M-bit cho biết lượng liệu vận chuyển lần (M = 8,16, 32, 64, 128) • Bus điều khiển: Vận chuyển tín hiệu điều khiển : - Đọc/ghi liệu -Ngắt -Điều khiển bus -Một số loại bus điển hình máy tính • Bus CPU-Front Side Bus : có tốc độ nhanh • Bus nhớ • AGP bus ( Accelerated Graphic Port) : bus đồ họa nối ghép hình tăng tốc • PCI bus ( Peripheral Component Interconnect) : nối ghép với thiết bị ngoại vi có tốc độ trao đổi liệu nhanh • IDE ( Intergrated Device Electronics) : Bus kết nối với ổ cứng, ổ quang • SATA (Serial Advanced Technology Attachment) • USB (Universal Serial Bus) : bus kết nối đa II Phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) Định nghĩa SoC System on Chip hệ thống mạch tích hợp bao gồm tất thành phần cần thiết tích hợp chip Các thành phần bao gồm mạch số (digital), mạch analog pha trộn hai mạch (mixed-signal) Ví dụ SoC dùng để xử lý âm bao gồm thành phần audio receiver (bộ thu nhận audio), ADC(chuyển đổi từ tín hiệu analog sang tín hiệu digital), vi xử lý, điều khiển vùng nhớ (memory) thành phần điều khiển vào khác Tất tích hợp vào SoC Một SoC ngày thường có khả xử lý chạy nhiều ứng dụng xử lý âm thanh, hình ảnh, giải mã tín hiệu, … System on Chip mức phát triển cao thiết kế ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Tuy nhiên, với phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp bán dẫn ứng dụng kèm, hệ thống chip ASIC SoC hiểu gần tương đương Kiến trúc SoC Kiến trúc SoC mô tả hình dây: – CPU: Bộ vi xử lý chính, điều khiển tồn hoạt động hệ thống – Hệ thống BUS (bus system): Là cầu nối phục vụ cho mục đích truy xuất liệu đến thành phần hệ thống Trong SoC phức tạp, có nhiều hệ thống bus nối với với module khác Các BUS có tầng số hoạt động khác ứng với module mà kết nối (Giống việc chạy xe đường cao tốc nội thành) Có thể tìm hiểu kiến trúc AMBA BUS (AHB, APB, AXI) (AMBA = Advanced Microcontroller Bus Architecture) – INTC (Interrupt Controller): Điều khiển ngắt cho hệ thống Đối với số kiến trúc ARM CPU, INTC thành phần gắn liền (đi kèm với CPU) – Peripheral: Các module có tương tác trực tiếp với module bên kết nối với chip, ví dụ USB2.0 controller ADC (Analog to Digital Converter) – RAM controller: Điều khiển nhớ chip – Clock Reset: Bộ điều khiển xung clock reset hệ thống – Bộ điều điểu khiển IN/OUT:Điều khiển trạng thái pin input ouput ứng với chức cụ thể module – Các module thơng dụng Timer, WatchDog, DMAC, – Ngồi ra, SoC khơng thể thiếu module xử lý phục vụ cho mục đích cụ thể Ví dụ SoC xử lý âm thanh, hình ảnh, có module thiết kế tương ứng để phục vụ cho việc xử lý âm hình ảnh riêng biệt Một vài hình ảnh hệ thống SOC Thiết kế kiến trúc SoC – Thiết kế kiến trúc SoC công việc phức tạp địi hỏi người thiết kế phải có nhìn tổng quan tất thành phần hệ thống Một kiến phúc SoC tốt phải đảm bảo hiệu hệ thông (performance), luồng liệu đạt tốc độ xử lý cao (thơì gian chờ thấp) Ví dụ, có nhiều module có nhu cầu truy cập vào nhớ DDR, hệ thống BUS phải thiết kế cho thời gian chờ module thấp nhất, đồng thời có độ ưu tiên truy xuất module yêu cầu xử lý thời gian thực – Ngoài ra, module hệ thống phải phân lớp sau cho bị phụ thuộc vào  ... Khoa:ĐiệnTử Vi? ??nThông Ngành đào tạo: Công nghệ kĩ thuật điện tử -vi? ??n thơng Hệ đào tạo: Chính quy Đề bài: Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on- chip (SoC) Yêu... kết nối đa II Phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on- chip (SoC) Định nghĩa SoC System on Chip hệ thống mạch tích hợp bao gồm tất thành phần cần thiết tích hợp chip Các thành phần bao gồm mạch số (digital),... ngồi • Bộ vi xử lý (Microprocessor) -Là CPU chế tạo vi mạch -Có thể gọi CPU vi xử lý Tuy nhiên, vi xử lý có cấu trúc phức tạp nhiều so với CPU Bộ vi xử lý (Microprocessor) • Tốc độ vi xử lý -Số