Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của nghiên cứu "Thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp" là tìm ra những kỹ thuật để giảm công suất tiêu thụ cho CAM Cell 45-nm, từ đó đưa ra những kết luận về ưu điểm, nhược điểm và hướng phát triển sau này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ÐÀM TRỌNG LUÂN THIẾT KẾ BỘ NHỚ CAM CÔNG SUẤT THẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 5 9 8 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐÀM TRỌNG LUÂN THIẾT KẾ BỘ NHỚ CAM CÔNG SUẤT THẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐÀM TRỌNG LUÂN THIẾT KẾ BỘ NHỚ CAM CÔNG SUẤT THẤP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hƣớng dẫn khoa học: TS.VÕ MINH HUÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Dành cho giảng viên phản biện) Tên đề tài luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp Tên tác giả: ÐÀM TRỌNG LUÂN MSHV: 1620706 Ngành: Kỹ thuật điện tử Khóa: 2016 Ðịnh hƣớng: Ứng dụng Họ và tên ngƣời phản biện: TS.Nguyễn Thị Lƣỡng Cơ quan công tác: Khoa Điện – Điện Tử Điện thoại liên hệ: I. Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Về hình thức & kết cấu luận văn: Hình thức và kết cấu phù hợp với yêu cầu của một luận văn thạc sĩ. 2. Về nội dung: 2.1 Nhận xét về tính khoa học, rõ ràng, mạch lạc, khúc chiết trong luận văn Nội dung trình bày tƣơng đối rõ ràng, có nhiều hình minh họa mô tả hoạt động của các mạch điện tử ứng dụng trong thiết kế bộ nhớ CAM. 2.2 Nhận xét đánh giá về việc sử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng quy định hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ Tác giả có sử dụng các nội dung và trích dẫn kết quả nghiên cứu của ngƣời khác đúng quy định. 2.3. Nhận xét về mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong LVTN Tác giả đã nghiên cứu lý thuyết về các kỹ thuật tiết kiệm năng lƣợng, trong chuyển mạch, sử dụng phần mềm Cadence để thiết kế bộ nhớ CAM và mô phỏng hoạt động của bộ nhớ này để quan sát dạng sóng và tính đƣợc dòng điện rò trung bình chạy i
trong mạch. So sánh kết quả nghiên cứu với các công trình trƣớc đó và đánh giá kết quả nghiên cứu của mình. 2.4. Nhận xét tổng quan đề tài. Tác giả trình bày đƣợc nội dung, phƣơng pháp và kết quả các nghiên cứu liên quan tới đề tài. 2.5. Nhận xét đánh giá về nội dung & chất lượng của LVTN Nội dung đáp ứng yêu cầu của luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật Điện tử 2.6. Nhận xét đánh giá về khả năng ứng dụng, giá trị thực tiễn của đề tài. Luận văn có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học cho các nghiên cứu sau này. 2.7. Luận văn cần chỉnh sửa, bổ xung những nội dung gì (thiếu sót và tồn tại): 1. Bổ sung hình ảnh minh họa cho mục 2.4.1 và 2.4.2 2. Cập nhật hình 2.5 đến phiên bản mới nhất 3. Bổ sung phần trích dẫn cho các hình ở chƣơng 2 II. CÁC VẤN ĐỀ CẦN LÀM RÕ 1. Tác giải giải thích rõ nội dung “ dòng rò của CAM Proposed đã giảm đƣợc 96.6%” trong phần kết luận. 2. Hình 4.24 tác giả so sánh với hai công nghệ 45nm và 65nm là không phù hợp III. ĐÁNH GIÁ TT Mục đánh giá Đánh giá Đạt Không đạt 1 Tính khoa học, rõ ràng, mạch lạc, khúc chiết trong luận X văn 2 Đánh giá về việc sử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của X ngƣời khác có đúng quy định hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ 3 Mục tiêu nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng X trong LVTN 4 Tổng quan của đề tài X 5 Đánh giá về nội dung & chất lƣợng của LVTN X 6 Đánh giá về khả năng ứng dụng, giá trị thực tiễn của đề X tài ii
Đánh dấu (x) vào ô muốn Đánh giá IV. KẾT LUẬN (Giảng viên phản biện ghi rõ ý kiến “ Tán thành luận văn” hay “Không tán thành luận văn”) Tán thành luận văn TP.HCM, ngày tháng nǎm Ngƣời nhận xét (Ký & ghi rõ họ tên) TS.Nguyễn Thị Lƣỡng iii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Dành cho giảng viên phản biện) Tên đề tài luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp Tên tác giả: ÐÀM TRỌNG LUÂN MSHV: 1620706 Ngành: Kỹ thuật điện tử Khóa: 2016 Ðịnh hƣớng: Ứng dụng Họ và tên ngƣời phản biện: TS.Dƣơng Thanh Long Cơ quan công tác: Đại học công nghiệp TP.HCM Điện thoại liên hệ: 0908839735 I. Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Về hình thức & kết cấu luận văn: Luận văn có hình thức và kết cấu phù hợp 2. Về nội dung: 2.1 Nhận xét về tính khoa học, rõ ràng, mạch lạc, khúc chiết trong luận văn Luận văn trình bày rõ ràng, mạch lạc. 2.2 Nhận xét đánh giá về việc sử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng quy định hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ Luận văn trích dẫn và sử dụng kết quả nghiên cứu của ngƣời khác theo đúng quy định. 2.3. Nhận xét về mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong LVTN Mục tiêu nghiên cứu rõ ràng, phƣơng pháp nghiên cứu phân tích, mô phỏng 2.4. Nhận xét tổng quan đề tài. Đề tài đã phân tích các công trình nghiên cứu trƣớc, từ đó đề xuất cách giải quyết. 2.5. Nhận xét đánh giá về nội dung & chất lượng của LVTN iv
Luận văn mới chỉ tập trung tìm hiểu phần mềm và thực hiện mô phỏng, chƣa trình bày cơ sở lý luận, mô hình toán để thiết kế bộ nhớ CAM công suất thấp. 2.6. Nhận xét đánh giá về khả năng ứng dụng, giá trị thực tiễn của đề tài. Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên đại học và cao học trong cùng lĩnh vực nghiên cứu. 2.7. Luận văn cần chỉnh sửa, bổ xung những nội dung gì (thiếu sót và tồn tại): - Hiệu chỉnh một số hình rõ hơn - Bổ sung cơ sở toán học cho bộ thiết kế bộ nhớ CAM II. CÁC VẤN ĐỀ CẦN LÀM RÕ (Các câu hỏi của giảng viên phản biện) 3. Tại sao khi đƣa bộ Power Control vào thì dòng tiêu thụ giảm 4. Thời gian delay của CAM ảnh hƣởng thế nào đến hiệu quả làm việc III. ĐÁNH GIÁ TT Mục đánh giá Đánh giá Đạt Không đạt 1 Tính khoa học, rõ ràng, mạch lạc, khúc chiết trong luận X văn 2 Đánh giá về việc sử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của X ngƣời khác có đúng quy định hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ 3 Mục tiêu nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng X trong LVTN 4 Tổng quan của đề tài X 5 Đánh giá về nội dung & chất lƣợng của LVTN X 6 Đánh giá về khả năng ứng dụng, giá trị thực tiễn của đề X tài Đánh dấu (x) vào ô muốn Đánh giá IV. KẾT LUẬN (Giảng viên phản biện ghi rõ ý kiến “ Tán thành luận văn” hay “Không tán thành luận văn”) Tán thành luận văn v
TP.HCM, ngày tháng nǎm Ngƣời nhận xét (Ký & ghi rõ họ tên) TS.Dƣơng Thanh Long vi
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đàm Trọng Luân Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1989 Nơi sinh: Hà Nam Quê quán: Mộc Bắc – Duy Tiên – Hà Nam Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Phòng phát sóng BD – An Thành – Thận An – Bình Dƣơng. Điện thoại nhà riêng: 0974.753.669 E-mail: trongluan509@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 12/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Công Nghiệp TP.HCM Ngành học: Công nghệ Điện tử viễn thông. Tên đồ án: Khuếch Đại Và Mã Hóa Mạng Wifi. Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS.Nguyễn Hoàng Việt III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 5/2012 – đến nay Trung Tâm Kỹ Thuật Kỹ Thuật Viên – Ca Viên Truyền Dẫn Phát Sóng – Phát Sóng. Đài Truyền Hình Việt Nam. vii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 04 năm 2018 Đàm Trọng Luân viii
LỜI CẢM ƠN  Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, Tôi đã nỗ lực phấn đấu hoàn thành nội dung chi tiết và yêu cầu ban đầu đặt ra. Tuy nhiên, thành quả đạt đƣợc không chỉ là kết quả sự cố gắng riêng tôi mà còn là sự truyền đạt, đóng góp ý kiến, hƣớng dẫn hỗ trợ tận tình của Thầy, Cô trong bộ môn Điện Tử, Khoa Điện-Điện Tử và thái độ nhiệt tình các bạn trong lớp trong công việc đánh giá kết quả thực tiễn đề tài của tôi. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Võ Minh Huân, ngƣời đã có sự định hƣớng, hƣớng dẫn trình bày đề tài, lời cảm ơn chân thành đến các bạn trong lớp, các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử và các Thầy Cô Khoa Điện-Điện Tử. TP. Hồ Chí Minh tháng 04 năm 2018 Đàm Trọng Luân ix
TÓM TẮT Trong đề tài này tôi thực hiện thiết kế và mô phỏng bộ nhớ CAM công suất thấp. Bộ nhớ địa chỉ nội dung (CAM) sẽ so sánh dữ liệu lƣu trữ với dữ liệu tìm kiếm rồi trả về địa chỉ phù hợp. CAM đƣợc sử dụng nhiều trong chuyển tiếp gói tin và phân loại gói tin trong các Router Internet. Đề tài thiết kết một bộ nhớ CAM thông thƣờng và một bộ nhớ CAM kết hợp với nguồn tiết kiệm năng lƣợng. “Power Control”. Bộ nhớ CAM kết hợp sẽ giúp tiết kiệm điện năng mà không giảm tốc độ và tỉ trọng bộ nhớ so với CAM thông thƣờng. Sau đó, tôi sẽ tiến hành đo các thông số tiêu hao năng lƣợng của hai thiết kế và tiến hành so sánh kết quả. In this topic, I am designing and simulating low power CAM memory. The content address (CAM) memory will compare the stored data with the search data and return the appropriate address. CAM is used extensively in packet forwarding and packet sorting in Internet routers. The subject designates a conventional CAM memory and a CAM memory combined with an energy saving source. "Power Control". Integrated CAM memory saves power without sacrificing speed and memory compared to conventional CAM. Then I will measure the energy consumption of the two designs and and compare the results. x
MỤC LỤC Trang tựa Trang XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................ vii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... viii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ix TÓM TẮT ...................................................................................................................x MỤC LỤC ................................................................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... xiv Chƣơng 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..........................................................................1 1.1. Đặt vấn đề. ...........................................................................................................1 1.2. Tình hình nghiên cứu đề tài. ................................................................................1 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu. ..........................................................................................2 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .......................................................................2 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu. .....................................................................................3 1.6. Bố cục đề tài. ........................................................................................................3 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN .....................................................4 2.1. Công nghệ Low Power .........................................................................................4 2.1.1 Khái niệm ..................................................................................................4 2.1.2 Tại sao phải sử dụng low power .................................................................4 2.1.3 Các công nghệ Low power ........................................................................5 2.1.4 Tổng hợp các kỹ thuật thiết kế Low power. ..............................................7 2.2. Công nghệ Power-gating ......................................................................................7 2.2.1 Tổng quan ..................................................................................................7 2.2.2 Các thông số ..............................................................................................8 2.2.3 Các phƣơng pháp Power gating .................................................................9 2.3. Công nghệ 45 nm ................................................................................................12 2.4. Tìm hiểu về CAM ...............................................................................................15 xi
2.5. CAM sử dụng Parity bit......................................................................................24 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ NHỚ CAM CÔNG SUẤT THẤP............................26 3.1 Thiết kế bộ nhớ CAM thông thƣờng. ..................................................................26 3.2 Thiết kế bộ nhớ CAM đề xuất.............................................................................27 3.2.1 Bộ nguồn tiết kiệm năng lƣợng “Power Control”. ....................................27 3.2.2 Thiết kế bộ nhớ CAM Parity Bit ...............................................................28 3.2.3 Thiết kế bộ nhớ 7 CAM Cell với CAM Parity bit kết nối với nhau..........29 3.3 Các công thức tính toán của bộ nhớ CAM ..........................................................30 3.3.1 Công thức tính thời gian Matchline Delay ................................................30 3.3.2 Công thức tính công suất tiêu thụ ..............................................................30 Chƣơng 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG......................................................................32 4.1. Mô phỏng một CAM thông thƣờng. ...................................................................32 4.1.1 Mô phỏng một CAM thông thƣờng trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu. .32 4.1.2 Mô phỏng một CAM thông thƣờng trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu. ...33 4.2. Mô phỏng bộ nhớ CAM đề xuất. ........................................................................34 4.3 Mô phỏng chuỗi 8 CAM Cell dùng Parity Bit ....................................................36 4.3. So sánh kết quả tính toán mô phỏng giữa CAM Normal và CAM Proposed. ...40 4.3.1. Đo dòng Matchline của CAM Normal và CAM Proposed ......................40 4.3.2. Đo dòng rò của CAM Normal và CAM Proposed. ..................................41 4.3.3 Thời gian Delay của hai CAM Normal và CAM Proposed ......................42 4.3.4 Phân tích ảnh hƣởng của điện áp cung cấp tới dòng rò ...........................43 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...........................45 5.1 Kết luận...............................................................................................................45 5.2 Hƣớng phát triển .................................................................................................45 xii
DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 1: Bảng dữ liệu mô phỏng ..............................................................................36 xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2. 1: Quá trình phát triển của công nghệ Low power ........................................4 Hình 2. 2: Static Voltage Scaling[5] ............................................................................5 Hình 2. 3: Dynamic Voltage and Frequency Scaling[5]..............................................6 Hình 2. 4: Adaptive Voltage Scaling[5] ......................................................................6 Hình 2. 5: Tổng hợp các kỹ thuật thiết kế Low power[5] ...........................................7 Hình 2. 6: Sơ đồ khối của Power gating ....................................................................8 Hình 2. 7: Thông số cực cổng của Power gating .......................................................9 Hình 2. 8: Fine-grain power gating[5] .......................................................................10 Hình 2. 9: Coarse-grain power gating ......................................................................10 Hình 2. 10: Isolation cells[5] .....................................................................................11 Hình 2. 11: Retention registers[5]..............................................................................12 Hình 2. 12: Sơ đồ khối cơ bản của một CAM ..........................................................16 Hình 2. 13: Sơ đồ đơn giản của một CAM ..............................................................17 Hình 2. 14: Mạch Read, Write dữ liệu cho SRAM Cell ..........................................18 Hình 2. 15: Khảo sát mạch Write .............................................................................18 Hình 2. 16: Dạng sóng của tín hiệu precharge và Write set – up.............................19 Hình 2. 17: Hoạt động ghi bit 1 vào SRAM Cell .....................................................20 Hình 2. 18: Hoạt động ghi và đọc bit 1 của SRAM Cell .........................................21 Hình 2. 19: Sơ đồ NOR cell .....................................................................................22 Hình 2. 20: Sơ đồ mạch liên kết nhiều CAM cell ....................................................23 Hình 2. 21: Ba giai đoạn đánh giá matchlines .........................................................23 Hình 2. 22: Dữ liệu đƣợc thêm vào Parity bit ..........................................................25 Hình 2. 23: Dữ liệu ML trong trƣờng hợp 1-mismatch giữa kiến trúc cơ bản và kiến trúc sử dụng Parity bit ...............................................................................................25 Hình 3. 1: Bộ nhớ CAM thông thƣờng ....................................................................26 Hình 3. 2: Bộ nhớ CAM đề xuất ..............................................................................27 Hình 3. 3: Cổng logic Parity bit ...............................................................................28 xiv
Hình 3. 4: Sơ đồ kết nối 8 CAM cell .......................................................................29 Hình 4. 1: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp missmatch..................................32 Hình 4. 2: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp match .........................................33 Hình 4. 3: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp missmatch của CAM đề xuất ....35 Hình 4. 4: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp match của CAM đề xuất. ..........35 Hình 4. 5: Tín hiệu ML ............................................................................................36 Hình 4. 6: Kết quả matchline trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu .............................37 Hình 4. 7: Kết quả dạng sóng trƣờng hợp 2 mismatches .........................................38 Hình 4. 8: Kết quả dạng sóng trong trƣờng hợp 6 mismatches................................39 Hình 4. 9: Dòng matchline của CAM Normal và CAM Proposed ..........................40 Hình 4. 10: Dòng rò của CAM Normal và CAM Proposed .....................................41 Hình 4. 11: Thời gian Delay của CAM Normal và CAM Proposed ........................42 Hình 4. 12: Thời gian Delay của CAM Normal và CAM Proposed ở các trƣờng hợp khác nhau...................................................................................................................43 Hình 4. 13: Dòng dò của CAM Proposed ................................................................44 xv