FPGA 기반 실용적 마이크로프로세서의 구현

FPGA-Based Implementation of a Practical 8-Bit Microprocessor

본 논문에서는 마이크로프로세서의 기능을 수행하는 데 필수적이며 사용빈도가 높은 총 64개의 명령어를 정의한 후 이를 처리할 데이터패스를 구성해 스테이트 머쉰으로 제어하는 방식으로 실용적 8비트 마이크로프로세서를 VHDL로 설계를 하고 FPGA로 구현했다. 통상 마이크로프로세서 관련 논문에서는 기능적 시뮬레이션까지만 했거나, 인터럽트 기능이 없든지, 하드웨어로 구현을 하지 않았거나, 또는 개발 관련 내용이 자세히 제시되지 않았었다. 본 논문에서는 데이터 이동, 논리, 가산 연산뿐만 아니라 분기, 점프 연산도 실행할 수 있도록 해 연산 및 제어용도에 적합하도록 하였고, 스택, 외부 인터럽트 기능까지도 지원하도록 해 그 자체로서 완전한 실용적 마이크로프로세서가 되도록 하였다. 또한 프로그램 ROM까지도 칩 안에 넣어 전체 마이크로프로세서를 단일 칩으로 구현하였다. 타이밍 시뮬레이션으로 검증 후 제작 과정을 통해, 설계된 마이크로프로세서가 정상적으로 동작함을 확인하였다. Altera MAX+.PLUS II 통합개발환경 하에서 EP1K50TC144-3 FPGA 칩으로 구현을 하였고 최대 동작주파수는 9.39MHz까지 가능했고 사용한 로직 엘리먼트의 개수는 2813개로서 논리 사용률은 97%이었다.