Thiết kế hệ thống và vi mạch tích hợp Verilog HDL

Thiết kế hệ thống và vi mạch tích hợp Verilog HDL Sự phát triển với tốc độ rất nhanh của công nghệ thông tin bao gồm cả phần cứng, phần mềm và hạ tầng mạng (Internet, LAN, WAN…) đã làm thay đổi bộ mặt và hình thức kinh doanh trên quy mô toàn thế giới. Giờ đây hầu hết các quy trình kinh doanh đều được tự động hóa, công nghệ thông tin hóa một cách tối đa. Các hệ thống công nghệ thông tin đang là xương sống của những tập đoàn, tổ chức kinh doanh từ nhỏ đến lớn, và khi việc kinh doanh phát triển hơn (nhiều khách hàng hơn, nhiều lĩnh vực hơn, tinh vi hơn) nhưng cũng nhiều cạnh tranh hơn, những công ty tổ chức này yêu cầu xây dựng những hệ thống phần mềm ngày càng lớn và phức tạp, nhưng vẫn phải đáp ứng những yêu cầu về hiệu năng. Để đáp ứng yêu cầu này, ngành công nghệ thông tin cũng đã có những bước phát triển nhanh chóng: phần cứng rẻ hơn, nhanh hơn, băng thông mạng lớn hơn, các công cụ lập trình tiện dụng hơn, hiệu quả hơn,… https:luanvan123.infothreadscosodulieutrenbonhoinmemorydbvaungdungtronghethongphanmem.57125 Và hệ thống để xử lý và nhớ cũng đang từng bước chuyển mình phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của con người. Như Vậy chúng ta cần tìm ra những phương pháp, hướng đi mới cho hệ thống Memory.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CHẤT LƯỢNG CAO MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ VI MẠCH TÍCH HỢP  TIỂU LUẬN MEMORY (RAM) GVHD: Nhóm: 03 Mã lớp học: Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2021 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA TIỂU LUẬN HỌC KỲ I NĂM HỌC 2021 – 2022 Nhóm: 03 STT HỌ VÀ TÊN MÃ SÔ SINH VIÊN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… Điểm:……………… KÝ TÊN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề: 1.2 Mục tiêu: 1.3 Phương pháp nghiên cứu: 1.4 Bố cục: 1.5 Giới hạn: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan RAM 10 2.1.1 Khái niệm 10 2.1.2 Phân loại .10 2.1.3 Cấu tạo 10 2.2 Đặc điểm nguyên lí hoạt động 10 2.2.1 Đặc điểm 10 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 16 3.1 Các khối 16 3.2 Sơ đồ khối RAM 64*8 16 3.3 Thiết kế giải thuật 16 3.3.1 Sơ đồ giải thuật 16 3.3.2 Code Verilog 16 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ QUA TESTBENCH 15 4.1 Mơ hình testbench tổng qt 16 4.2 Mô tả testcase 16 4.3 Kết 16 4.4 Nhận xét đánh giá 16 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 16 5.1 Kết luận 16 5.2 Ứng dụng hướng phát triển .16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 https://123doc.net/documents/home/document_download.php?id=4876&t=161685 9549&aut=19a19f77f7b3a2b12c7a51cec2213a40 https://vitinhttc.com/ram-la-gi/ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Sự phát triển với tốc độ nhanh công nghệ thông tin bao gồm phần cứng, phần mềm hạ tầng mạng (Internet, LAN, WAN…) làm thay đổi mặt hình thức kinh doanh quy mơ tồn giới Giờ hầu hết quy trình kinh doanh tự động hóa, cơng nghệ thơng tin hóa cách tối đa Các hệ thống công nghệ thông tin xương sống tập đoàn, tổ chức kinh doanh từ nhỏ đến lớn, việc kinh doanh phát triển (nhiều khách hàng hơn, nhiều lĩnh vực hơn, tinh vi hơn) nhiều cạnh tranh hơn, công ty tổ chức yêu cầu xây dựng hệ thống phần mềm ngày lớn phức tạp, phải đáp ứng yêu cầu hiệu Để đáp ứng yêu cầu này, ngành cơng nghệ thơng tin có bước phát triển nhanh chóng: phần cứng rẻ hơn, nhanh hơn, băng thơng mạng lớn hơn, cơng cụ lập trình tiện dụng hơn, hiệu hơn,…1 Và hệ thống để xử lý nhớ bước chuyển phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày lớn người Như Vậy cần tìm phương pháp, hướng cho hệ thống Memory 1.2 Mục tiêu Bộ nhớ hệ thống RAM thường gây cản trở cho máy tính việc thực hiệu suất tối đa Sở dĩ vi xử lý (CPU) thường nhanh nhớ RAM thường phải chờ RAM phân phối liệu Trong suốt thời gian chờ đợi CPU hồn tồn nhàn rỗi khơng thực nhiệm vụ (điều khơng tuyệt đối khớp với giải thích chúng tơi) Trong máy tính hồn hảo, nhớ RAM nhanh tương đương với CPU Dual channel cơng nghệ sử dụng để nhân đôi tốc độ truyền thông điều khiển nhớ nhớ RAM để cải thiện hiệu suất hệ thống Hướng dẫn giới thiệu cho bạn số vấn đề công nghệ Dual channel như: cách làm việc sao, thiết lập tính tốn tốc độ truyền tải,…2 Mục tiêu chung: Trên sở lí thuyết trình bày cấu tạo dual ram cách chúng hoạt động Mục tiêu cụ thể: Thiết kế sơ đồ dual ram code mẫu , dựa code ta simulat để xem xung hoạt động https://luanvan123.info/threads/co-so-du-lieu-tren-bo-nho-in-memory-db-va-ung-dung-trong-he-thong-phanmem.57125/ https://quantrimang.com/gioi-thieu-ve-dual-channel-phan-1-47302 1.3 Phương pháp nghiên cứu Trên nghiên cứu memory(ram) vấn đề cần giải nhớ hệ thống RAM thường gây cản trở cho máy tính việc thực hiệu suất tối đa nó, nghiên cứu đề nghị thu thập thơng tin liên quan Sau sử dụng nhiều phương pháp như: tài liệu, phân tích, tổng hợp,… Dựa liệu thu thập được, nhóm nghiên cứu sử dụng cơng cụ xilinx ISE để thực mô phỏng, thiết kế Cuối xác định mơ hình hồn chỉnh ram sau tổng hợp 1.4 Bố cục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Bố cục 1.5 Giới hạn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan RAM 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Cấu tạo 2.2 Đặc điểm nguyên lí hoạt động 2.2.1 Đặc điểm 2.2.2 Nguyên lý hoạt động Chương 3: THIẾT KẾ 3.1 Sơ đồ khối 3.2 3.3 Thiết kế giải thuật 3.3.1 Sơ đồ giải thuật 3.3.2 code verilog CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ QUA TESTBENCH 4.1 Mơ hình testbench tổng qt 4.2 Mô tả testcase 4.3 Kết 4.4 Nhận xét đánh giá CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Ứng dụng 5.2 Kết luận hướng phát triển 1.5 Giới hạn -Công việc chủ yếu tìm hiểu lí thuyết RAM đánh giá code mẫu tương ứng qua mô (simulation) -Chưa thực hành đánh giá kit FPGA CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan RAM: 2.1.1 Khái niệm: RAM (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên): nơi lưu trữ hệ điều hành, ứng dụng liệu sử dụng CPU truy xuất liệu từ RAM với tốc độ nhanh Dữ liệu lưu RAM có tính tạm thời, chúng bị tắt máy tính điện RAM lưu trữ liệu chương trình để CPU xử lý Nói cách khác, RAM nhớ lưu trữ định kỳ liệu sử dụng trình xử lý nhanh CPU Máy tính có nhiều RAM có nhiều khả lưu giữ xử lý chương trình tập tin lớn Số lượng loại nhớ hệ thống tạo nên khác biệt lớn khả vận hành tồn hệ thống Một vài chương trình có yêu cầu sử dụng nhiều dung lượng RAM chương trình khác Cụ thể máy tính chạy hệ điều hành MS-Windows 95, 98, hay ME cần khoảng 64MB RAM; hệ điều hành hơn, Windows 2000, XP cần khoảng 128MB – 256MB RAM 2.1.2 Phân loại: Single port RAM RAM có kênh đọc ghi, đường vào địa chỉ, động tác đọc ghi kênh thực Dual-port RAM RAM có hai kênh đọc ghi riêng biệt tương ứng hai kênh địa chỉ, kênh đọc ghi dùng chung xung nhịp đồng khơng dung chung Đối với Dual-port RAM đọc ghi đồng thời hai kênh Synchronous RAM - RAM đồng RAM thực thao tác đọc ghi đồng Asynchronous RAM- RAM không đồng RAM thực thao tác đọc ghi không đồng bộ, thời gian kể từ có tín hiệu yêu cầu đọc ghi thao tác thực xong túy trễ tổ hợp https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/memo/memory.html https://human-memory.net/what-is-memory/ Single-port Ram/Dual-port RAM 2.1.3 Cấu tạo Thanh RAM cấu tạo từ nhiều chi tiết nhỏ khác nhau, gồm có: điện trở, phần bao quanh chip nhớ (resistor); tụ điện (capacitor) Dãy điện trở tụ điện thường thiết kế nằm cạnh tham RAM để cung cấp điện áp cách ổn định xác cho chip nhớ Chi tiết mạch in RAM (PCB) gồm nhiều lớp đồng khác nhau, thường gồm từ – lớp đồng Các lớp đồng liên kết chặt chẽ với quy trình sản xuất mạch in phức tạp Nếu nhìn từ xuống thấy lớp nối tiếp nhau: lớp tín hiệu thứ nhất, lớp nối mát, tiếp đến lớp tín hiệu thứ hai, lớp nối mát, tương tự đến lớp nối mát lớp tín hiệu thứ ba, tư, lớp cuối Cơng dụng lớp nối mát tạo điểm có điện áp để hạn chế trường hợp nhiễu mạch điện Các chân cắm RAM thường mạ vàng để làm giảm tối đa trường hợp bị oxy hóa Nhờ giúp RAM truyền dẫn tín hiệu tốt 2.2 Đặc điểm nguyên lý hoạt động: 2.2.1 Đặc điểm: Bộ nhớ RAM có đặc trưng sau: Dung lượng nhớ: Tổng số byte nhớ (nếu tính theo byte) tổng số bit nhớ tính theo bit Tổ chức nhớ: Số ô nhớ số bit cho ô nhớ Thời gian thâm nhập: Thời gian từ lúc đưa địa ô nhớ đến lúc đọc nội dung nhớ Dung lượng RAM: Dung lượng RAM tính đơn vị MB GB Các RAM thông thường thiết kế với dung lượng từ 256mb, 512mb,1gb, 2gb, 3gb, 4gb, 8gb… Dung lượng RAM lớn có nhiều khơng gian lưu trữ thơng tin hơn, điều có nhiều lợi ích sử dụng Tuy nhiên hệ thống phần cứng CPU hỗ trợ loại RAM với dung lượng lớn BUS RAM: Có hai loại BUS BUS Speed BUS Width BUS Speed (BUS tốc độ): tốc độ xử lý liệu vòng thời gian giây BUS Width (BUS chiều rộng): chiều rộng nhớ Với loại RAM thông thường DDR, DDR2, DDR3, DDR4 có BUS Width cố định 64 2.2.2 Nguyên lý hoạt động: Khi CPU chuyển liệu từ ổ cứng vào RAM để lưu trữ tạm thời, vùng nhớ RAM bị chiếm dụng trước trả lại người dùng tắt ứng dụng, tắt máy tính Bộ nhớ RAM đủ lớn để lưu trữ lúc nhiều liệu khác nhau, nhiên có giới hạn Theo nguyên lý hoạt động RAM chia làm hai loại là: SRAM DRAM SRAM (Static RAM): RAM tĩnh không bị nội dung sau nạp trừ từ lúc khởi động máy tính Các nội dung ứng dụng vào lưu trữ liệu khởi động DRAM (Dynamic RAM): RAM động – Đây phần lưu trữ liệu tạm thời chạy ứng dụng Khi ứng dụng đóng lại hay người dùng tắt máy vùng nhớ bị chiếm để lưu trữ liệu trả lại Tổ chức mảng nhớ (hình 3.1.3.2) nnn Các nút lưu trữ cột kết nối với dòng bit Bộ giải mã địa chỉ kích hoạt MỘT dịng chữ Nội dung dịng nhớ có sẵn đầu Dòng chữ hoạt 10 0 Hoạt động MEMORY ARRAYS (hình 3.1.3.3) Hình 3.1.3.4 3.1.4 BUS Arbitration Bus Arbitration đề cập đến q trình mà bus truy cập sau rời khỏi quyền điều khiển bus chuyển đến đơn vị xử lý yêu cầu bus khác Bộ điều khiển có quyền truy cập vào bus cá thể gọi Bus master Xung đột phát sinh số lượng điều khiển DMA điều khiển xử lý khác cố gắng truy cập vào bus chung lúc, quyền truy cập cấp cho số chúng Chỉ xử lý điều khiển Bus master thời điểm Để giải xung đột này, quy trình Bus Arbitration thực để điều phối hoạt động tất thiết bị yêu cầu chuyển nhớ Việc lựa chọn BUS phải tính đến nhu cầu thiết bị khác cách thiết lập hệ thống ưu tiên để đạt quyền truy cập vào BUS Người điều khiển BUS định trở thành người điều khiển BUS Các phương pháp Trọng tài BUS tập trung Có ba phương pháp trọng tài xe buýt: Phương pháp Daisy Chaining Đây phương pháp đơn giản rẻ tất bus master bus Tổng thể chặn lan truyền tín hiệu cấp bus, mơ-đun u cầu khác khơng nhận tín hiệu cấp khơng thể truy cập vào bus Trong chu kỳ bus nào, bus thiết bị - xử lý điều khiển DMA nào, kết nối với bus (hình 3.1.4.1) sử dụng đường để thực yêu cầu bus Tín hiệu cấp bus truyền nối tiếp qua master gặp tín hiệu yêu cầu quyền truy cập vào Hình 3.1.4.1 Phương pháp Polling Rotating Priority Trong phương pháp này, điều khiển sử dụng để tạo địa cho (ưu tiên nhất), số lượng dịng địa cần thiết tùy thuộc vào số lượng kết nối hệ thống Bộ điều khiển tạo chuỗi địa Khi chủ yêu cầu nhận địa nó, kích hoạt đường truyền bận bắt đầu sử dụng bus (hình 3.1.4.2) Hình 3.1.4.2 Phương pháp priority or Independent Request method Trong phương pháp này, tổng thể có cặp đường yêu cầu bus đường cấp bus riêng biệt cặp có mức độ ưu tiên định cho Bộ giải mã ưu tiên tích hợp điều khiển chọn yêu cầu ưu tiên cao xác nhận tín hiệu cấp bus tương ứng.(3.1.4.3) Hình 3.1.4.3 99 https://slidetodoc.com/digital-design-computer-arch-lecture-21-a-memory/ 3.2 Sơ đồ khối DUAL PORT RAM 64*8 Dual port ram có hai bus địa liệu, đọc ghi ô nhớ khác đồng thời địa khác nhau10 10 (280) Verilog Tutorial 07: Dual Port Ram - YouTube 3.3 Thiết kế giải thuật 3.3.1 Sơ đồ giải thuật 3.3.2 Code Verilog11 11 (280) Verilog Tutorial 07: Dual Port Ram - YouTube CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ QUA TESTBENCH 4.1 Mơ hình testbench tổng quát 4.2 Mô tả testcase12 clk = 1'b1; forever #50 clk= ~clk; Tạo xung clock, sau 50ns đảo xung clock data_a = 8'h55; addr_a = 6'h01; Gắn liệu số hex có giá trị 55 đến địa 01 thông qua cổng a data_b = 8'h66; addr_b = 6'h02; Gắn liệu số hex có giá trị 66 đến địa 02 thông qua cổng b we_a = 1'b1; Cho phép ghi cổng a we_b = 1'b1; Cho phép ghi cổng b addr_a = 6'h02; Đọc liệu từ địa 02 từ Cổng a addr_b = 6'h01; Đọc liệu từ địa 01 từ Cổng b we_a = 1'b0; Kích hoạt cổng đọc a we_b = 1'b0; Kích hoạt cổng đọc b Dừng mơ 12 $stop; (280) Verilog Tutorial 07: Dual Port Ram - YouTube 4.3 Kết 4.4 Nhận xét đánh giá Việc mơ thành cơng Code xác mặt cú pháp mặt đánh giá tổng quan Code thực theo yêu cầu cần thiết thiết kế Dual Port Ram 64*8 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận RAM linh kiện quan trọng bên cạnh vi xử lý (CPU) xử lý đồ họa (GPU) Nếu khơng có RAM, smartphone hay máy tính thực tác vụ việc truy cập tệp liệu chậm 5.2 Ứng dụng hướng phát triển Ứng dụng: -Đối với điện thoại: +RAM điện thoại thiết kế với kích thước nhỏ cho mức tiêu thụ điện thấp để phù hợp với tính chất di động sử dụng pin smartphone +RAM điện thoại gắn trực tiếp lên chip xử lý Vì mà bạn khơng thể dễ dàng nâng cấp thay máy tính để bàn laptop +Cùng với vi xử lý chipset đồ họa, RAM có ý nghĩa vơ quan trọng thiết bị di động Những thông tin mà vi xử lý cần lưu trữ RAM để chờ truy nhập Đây tập tin hệ điều hành, liệu ứng dụng, đồ hoạ game hay thứ cần truy cập nhanh q trình hoạt động Nếu khơng có RAM, thiết bị thực thi tác vụ dù nhỏ -Đối với máy tính: +RAM (Random Access Memory) hay nhớ truy cập ngẫu nhiên máy tính sử dụng làm nơi lưu trữ tạm liệu lệnh thực thi hệ điều hành ứng dụng trước ghi chúng lên ổ cứng kết thúc phiên làm việc Trường hợp hệ thống không đủ dung lượng RAM cần đáp ứng, hệ điều hành chuyển sang sử dụng nhớ ảo (virtual memory), phần ổ cứng làm nơi trao đổi liệu Hướng phát triển: -Nâng cao dung lượng RAM -Giảm lượng tiêu hao -Gia tăng tốc độ xử lí RAM -Gia tăng chiều rộng nhớ PHỤ LỤC Code Verilog module dual_port_ram( //it has two sets of address and data bus input [7:0] data_a, data_b, //data bus a, and bus b; input [5:0] addr_a, addr_b, //address bus a and bus b; input we_a, we_b, //seperated write and read signal; input clk, output reg [7:0] q_a, q_b //two sets of output data bus; ); //define the ram reg [7:0] ram[63:0]; //64*8bit; //port a operation always @ (posedge clk) begin if (we_a) //high level is write; begin ram[addr_a]