본 논문은 마이크로프로세서를 이용한 순차 논리회로(Sequential Logic Cricuit)설계에 관한 것이다. 근래에는 많은 순차논리회로가 마이크로프로세서를 이용하여 설계되나, 이 방식은 회로 설계자들에게 익숙하지않은 마이크로프로세서나 그 프로그램에 대한 지식을 필요로 한다. 이 논문에서는 간편하면서도 사용처에 관계없이 잘 적용될 수 있는 표준 프로그램을 제시하였고, 이 프로그램으로 마이크로프로세서나 프로그램에 대하여 잘 모르는 설계자들도 쉽게 설계를 할 수 있을 것이다. 이 프로그램의 적용성과 응용성을 나타내기 위하여 두가지 예를 Z-80 마이크로프로세서로 설계하여 보였다.
하드웨어의 제품 사양에는 제품의 특징, FBD(Functional Block Diagram), 핀의 기능 및 배열, 프로그래밍 모드 및 각 블록의 기능 등이 함께 제시된다. 이 때 다른 사양과는 달리 설계 초기 단계부터 설정되는 가장 개념적인 FBD는 마이크로프로세서의 경우 메모리 인터페이스, 레지스터 파일, 데이터패스, 예외처리기, 각종 제어기, 타이머 등으로 구성된다. FBD의 각 블록들은 여러 명의 설계자들에게 분할되고 이 중 마이크로프로세서 설계의 대부분의 시간을 소비하게 되는 각종 제어기의 설계는 여러 블록이 공동으로 제어 신호를 공유하게 된다. 이 신호에 의해 전체 시스템의 정확성(correctness)이 결정되므로 제어기예서 각 블록에 공급하는 제어 신호는 적절할 타이밍에 정확한 값을 가져야만 한다. 따라서 본 논문은 마이크로프로세서에서의 각 블록에 공급하는 제어 신호는 적절한 타이밍에 정확한 값을 가져야만 한다. 따라서 본 논문은 마이크로프로세서의 FBD를 모델링할 수 있는 시각도구를 제안함으로써 제어 신호에 따른 전체 블록의 유기적인 데이터 흐름을 한 눈에 파악할 수 있도록 한다. 이는 설계초기부터 각 블록들을 설계하는 설계자들간의 공통의 다이어그램인 FBD를 중심으로 설계를 해나감으로써 대화 오류를 감소시키고 제어신호 디버깅을 용이하게 하여 설계시간을 단축시키는 것을 목표로 한다.
본 논문에서는 전력 소비를 감소시킬 수 있는 클럭게이팅 기법을 제안하여 8bit RISC 마이크로프로세서를 설계하였다. 제안된 설계 방법의 타당성을 검토하기 위해서 저전력을 고려하지 않은 8비트 마이크로프로세서와 클록 게이팅을 이용한 저전력 8비트 마이크로프로세서를 설계하여 소모 전력을 비교하였다. 기존의 마이크로 프로세서와 저전력으로 설계된 마이크로프로세서와의 소모 전력을 비교한 결과 시간에 대하여 비교하였을 경우 동적 소모 전력에 대하여 21.56% 감소를 얻을 수 있었다.
단열회로를 이용한 16-bit 저전력 마이크로프로세서를 설계하였다. 본 논문에서 설계한 마이크로프로세서는 콘트롤 블록, 멀티포트 레지스터 파일, 프로그램 카운터 그리고 ALU로 구성되어 있다. 또한 저전력 단열 프로세서에 필요한 효율적인 4-phase 전원클럭 발생기도 설계하였다. 단열회로는 ECRL(Efficient Charge Recovery Logic)을 기반으로 설계되었고 0.35㎛ CMOS 공정을 이용하여 구현하였다. 단열프로세서와 일반적인 프로세서와 에너지를 비교하기 위해서 CMOS를 기반으로 한 프로세서를 설계하여 에너지 비교를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 기존의 CMOS 프로세서보다 2.9∼3.1배의 에너지 감소효과를 보였다.
마이크로프로세서 제조업체의 대명사로 불리는 인텔이 비메모리 시장을 거의 독점하고 있는 가운데, IBM, Sony, Toshiba 인 세 개의 기업이 도전적으로 힘을 합하여 차세대 엔터테인먼트 프로세서라고 불리는 멀티코어 기반의 Cell 프로세서를 개발하였다. Cell 프로세서는 기존의 Power 라는 아키텍쳐를 기반으로 하는 코어 PPE (Power processor Element)를 중심으로 8개의 데이터 처리용 코어 SPE(Synergistic processor Element)를 포함하고 있으며, SIMD(Single Input Multiple Data) 데이터 처리 방식을 지원하여 데이터 처리량이 많은 멀티미디어나 게임 어플리케이션을 처리하는데 최적화되도록 설계된 프로세서로서, 기본적으로는 Power 마이크로프로세서 아키텍쳐 및 구조에 대한 혁신적인 확장 기능을 포함하고 있다. 본 논문에서는 현존하는 프로세서 중 가장 성능이 우수하다고 평가받는 Cell 마이크로프로세서의 설계 개념과 그 구조에 대하여 분석한다.
비트 슬라이스 소자들을 이용하여 마이크로프로세서를 설계할 때 마이크로프로그램 제어방식을 채택한다. 이때 설계자는 효과적이고 경제적인 마이크로프로그램 개발 환경을 필요로 한다. 마이크로프로그래밍 비용을 최소화시키는 체계적인 마이크로프로그램 개발 환경을 마련하기 위해서, 본 논문에서는 마이크로프로그래밍 과정을 단계별로 고찰하여 마이크로프로그램 특성상 하드웨어와 밀접한 관계를 유지하며 효과적인 마이크로코드를 생성하는 마이크로명령어 정의어를 제안하였다.
비트 슬라이스 소자들은 이용하여 마이크로프로세서를 설계할 때 마이크로프로그램 제어 방식이 효과적이다. 이 때 설계자는 효과적이고 경제적인 마이크로프로그램 개발 환경을 한다. 마이크로프로그래밍 시간과 비용을 줄이기 위한 체계적인 마이크로프로그램 개발 환경을 마련하기 위해서 ,본 논문에서는 마이크로코드를 생성하는 마이크로명령어 정의어를 제안하였다.
32비트 이하의 마이크로프로세서를 위한 메모리 시스템을 설계하는 방법에 대하여 체계화하여 고찰하였다. 이를 위하여 메모리 디바이스 선택을 위한 일반 사항과 메모리 시스템 설계 방법에 대하여 서술하고, 이 설계 방법에 따라 16비트 마이크로 프로세서 메모리 시스템 설계 예와 설계된 메모리 시스템의 분석, 메모리 디바이스의 속도 결정 등에 대하여 서술하였다.
본 논문에서는 16비트 혹은 32비트 고정 소수점 연산을 지원하는 디지털 신호처리 기능을 강화한 명령어 축소형 마이크로프로세서를 설계하였다. 설계한 마이크로프로세서는 명령어 축소형 마이크로 아키텍쳐의 표준에 따라서 범용 마이크로프로세서의 기능과 디지털 신호처리 프로세서의 기능을 함께 갖추고 있다. 산술연산기능 유닛, 디지털 신호처리 유닛, 메모리 제어 유닛으로 구성되어 있으며, 이 연산 유닛들이 병렬적으로 수행되어 디지털 신호처리 명령이나 로드/스토어 명령어의 지연된 시간을 보상할 수 있게 설계되었다. 이 연산유닛들을 병렬적으로 동작하게 함으로써 5단계 파이프라인의 구조로 고성능 마이크로프로세서를 구현하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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