Thiết kế CPU nibble bằng Verilog để xây dựng máy tính khoa học trên FPGA

Thiết kế CPU nibble bằng Verilog để xây dựng máy tính khoa học trên FPGA

Dự án này là một hành trình kỹ thuật thú vị đi từ những cổng logic cơ bản để tạo ra một máy tính khoa học hoàn chỉnh hoạt động trên phần cứng FPGA. Thay vì sử dụng các vi điều khiển có sẵn, tác giả đã tự thiết kế một CPU mềm (soft CPU) hướng tới nibble (4-bit) cùng với vi mã (microcode) điều khiển riêng biệt.

Giao diện máy tính khoa học FPGA

Kiến trúc và Công nghệ

Trái tim của dự án là một bộ vi xử lý tùy chỉnh được viết bằng ngôn ngữ SystemVerilog. CPU này hoạt động dựa trên kiến trúc nibble, xử lý dữ liệu theo từng nhóm 4 bit, một cách tiếp cận thú vị khác với các CPU 8-bit hay 32-bit thông thường. Toàn bộ hệ thống bao gồm:

• Mã nguồn Verilog/SystemVerilog: Chứa mã mô tả phần cứng cho CPU, ALU (Đơn vị logic số học), I/O và các băng thử nghiệm (test benches).
• Vi mã (Microcode): Firmware điều khiển hoạt động của CPU.
• Công cụ hỗ trợ: Trình hợp ngữ (assembler) và trình biên dịch script cho vi mã.

Trình giả lập và Mô phỏng

Một trong những điểm mạnh của dự án là hệ thống mô phỏng đa nền tảng, cho phép các nhà phát triển chạy thử nghiệm mà không cần sở hữu phần cứng FPGA vật lý ngay lập tức.

• Trình giả lập Qt: Ứng dụng desktop dựa trên Qt sử dụng Verilator, cung cấp giao diện người dùng và trình gỡ lỗi (debugger) đầy đủ.
• WebAssembly: Phiên bản chạy trực tiếp trên trình duyệt web, giúp người dùng dễ dàng trải nghiệm tính năng máy tính khoa học mọi lúc mọi nơi.
• ModelSim: Dùng cho mô phỏng dạng sóng (waveform simulation) để phân tích chi tiết tín hiệu điện tử.

Môi trường phát triển

Để xây dựng và chạy dự án, người dùng cần cài đặt các công cụ chuyên dụng như Verilator để mô phỏng, Quartus để tổng hợp phần cứng cho FPGA (phiên bản 13.0 SP1 cho Cyclone II), và Visual Studio 2022 để biên dịch C++ cho phần mềm Qt. Dự án cũng hỗ trợ chạy trên WSL2 (Windows Subsystem for Linux) để tối ưu hóa quy trình phát triển.

Nghiên cứu và Thuật toán

Ngoài phần cứng, dự án còn bao gồm thư mục "Pathfinding" chứa các dự án nghiên cứu độc lập về thuật toán. Đây là nơi kiểm chứng các phép tính số học BCD (Binary-Coded Decimal) và các trạng thái máy (state machine) cho đầu vào số, đảm bảo tính chính xác tối đa trước khi triển khai lên phần cứng thực.

Dự án được cấp phép theo Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0, mở rộng cơ hội cho cộng đồng kỹ thuật học hỏi, chia sẻ và phát triển thêm các ý tưởng sáng tạo dựa trên nền tảng này.