Thiết kế bộ vi xử lý risc 16 bit dùng FPGA :Hội nghị khoa học trẻ lần 4

Hội nghị Khoa học trẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) – IUH

Ngày 14/10/2022 ISBN: 978-604-920-155-4

106  2022 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

THIẾT KẾ BỘ VI XỬ LÝ RISC 16 BIT DÙNG FPGA

VU THI HONG NGA 1

, LE TAN KHANH 2

, BUI QUOC THANG 3

Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

1

[email protected],

2

[email protected],

[email protected]

Tóm tắt. Nội dung bài báo này nói về quá trình thiết kế bộ vi xử lý Reduced Instructions Set Computer

(RISC)_16 bit dùng Field Programmable Gate Array (FPGA) [10]. Chúng tôi dùng ngôn ngữ mô tả phần

cứng Verilog để mô tả đầy đủ phần cứng của vi mạch, việc này giúp tiết kiệm tài nguyên và thời gian thiết

kế vi mạch. Cấu trúc phần cứng của bộ vi xử lý bao gồm bộ đếm chương trình (PC), bộ nhớ lệnh, tệp thanh

ghi, đơn vị số học và logic (ALU), bộ nhớ dữ liệu, đơn vị điều khiển [1]. Tập lệnh của RISC gồm 15 lệnh

số học và logic 16 bit đã được thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng [5]. Mỗi lệnh được thực thi trong 1 chu

kỳ máy, tốc độ biên dịch cao với tần số f = 50MHz. Các khối chức năng thiết kế sử dụng mô hình hành vi,

được mô phỏng và kiểm chứng bằng phần mềm ModelSim [13], sau đó thực thi trên FPGA qua kit ALTERA

FPGA CycloneIV EP4CE6E22C8N. Bộ vi xử lý sau khi thiết kế được kết nối với các ngoại vi để kiểm tra

chức năng và hiệu suất làm việc.

Từ khóa. Bộ vi xử lý RISC, FPGA, Verilog HDL, ModelSim, ALU, PC, bộ nhớ lệnh, CycloneIV

EP4CE6E22C8N.

DESIGN OF 16 BIT RISC PROCESSOR USING FPGA

Abstract. The content of this article talks about the design process of Reduced Instructions Set Computer

(RISC) processors using FPGA. Using Verilog HDL, hardware description language to describe the chip's

hardware, this saves time and resources in IC design. The hardware structures of a processor includes a

program counter (PC), instruction memory, file register, Arithmetic-Logic Unit (ALU), data memory, and

control unit. The processor instruction set of 15 16-bit logic and arithmetic instructions that has been

simulated and verified. Each instruction is executed in 1 machine cycle, high compilation speed with

frequency f = 50MHz. Function blocks are designed using behavioral models, simulated and verified by

ModelSim software, and then implemented on FPGAs through the ALTERA FPGA Cyclone IV

EP4CE6E22C8N kit. The designed processor connected to peripherals such as single led, 7-segment led,

push button, switch, DC motors to check the function and working performance of the IC.

Keywords. RISC processor, FPGA, Verilog HDL, ModelSim, ALU, PC, instruction memory, CycloneIV

EP4CE6E22C8N.

1. GIỚI THIỆU

Ngày nay, lĩnh vực thiết kế chip ngày càng phát triển và được nhiều bạn trẻ quan tâm. Tuy nhiên các bộ vi

xử lý hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế trong việc khắc phục tốc độ xử lý lệnh và hiệu suất làm việc. Vì vậy

việc thiết kế thêm các bộ vi xử lý có tốc độ biên dịch cao, công suất làm việc lớn và có khả năng giao tiếp

dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác là rất cần thiết. Bộ vi xử lý RISC với các tập lệnh rút gọn sẽ đáp ứng

tốt các yêu cầu nâng cấp, cải tiến cũng như hoàn thiện hơn các chức năng của các bộ vi xử lý thông thường.

Bộ vi xử lý RISC thiết kế trên công nghệ FPGA giúp tiết kiệm tốt đa chi phí sản xuất phần cứng, tốc độ

làm việc cao với tần số f = 50 MHz, có thể thay đổi phần cứng linh hoạt theo yêu cầu của người dùng [4][5].

Bộ vi xử lý RISC 16 bit sau khi được mô tả phần cứng dùng ngôn ngữ Verilog HDL, sẽ được mô phỏng và

kiểm tra chức năng hoạt động trên ModelSim, sau đó sẽ nạp xuống kit ALTERA FPGA CycloneIV

EP4CE6E22C8N, đồng thời được kết nối với các ngoại vi như led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, công tắc, động

cơ DC để kiểm tra chức năng và hiệu suất làm việc của IC [6].