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I.임베디드 시스템
xDSL의 폭발적인 보급에 힘입은 Web 기반의 인터넷 접속의 급속한 확대와 함께 임베디드 시스템 분야에서 interconnection의 기반으로
TCP/IP의 채택이 일반화되고,DVD와 같은 새로운 미디어 매체의 보급에 의한 Consumer electronics의
고기능,다양화에 기인하여 시스템 설계 시 저가격의 저전력,고성능 임베디드 마이크로컨트롤러의 사용이 불가피해지고
있다.
반도체 메이저 업체들은 이런 시장 환경에 맞추어 다양한 아키텍처의 임베디드 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러들을 출시하고 있으며,대표적인
회사들로는 업계 표준 아키텍처로 받아들여지고 있는 68xx,MPC의 Motorola,x86기반의 AMD,Intel (MCS960 포함)외에 NEC,Hitachi등이 있다.
이와 같은 고성능 임베디드 마이크로프로세서의 시장 확대는 시스템 레벨에서의 기능 강화라는 측면과 함께 개발 환경의 변화를 가져오고 있다.
기존 8bit 마이크로컨트롤러의 기계어(assembly language)또는 제한적인 C기반의 개발 환경에서 운영체제(주로 RTOS : Real Time Operating System)사용을
전제하며 표준 C 개발 환경이 요구되고 있고,이는 개발 리소스의 재사용 및 개발 기간 단축이라는 측면에서 유리하다.
개발자들에 있어 목표하는 아키텍처의 변동은 물론 개발환경의 변화조차도 재교육을 필요로 하며 생산성에도 영향을 준다. MCS51 아키텍처 기반의 호환 마이크로컨트롤러들이
현재에도 개발되고 판매되는 주요 이유 중의 한가지는 이러한 개발자의 친숙성이라고 할 수 있다. 개발 담당자에게 있어 오랜 시간에 걸쳐 형성된 두터운 개발자 층과 함께 반도체
생산 회사들이 제공하는 다양한 응용 자료와 장기간 축적,공개된 응용 분야 별 방대한 소스 (source)확보와 개발 환경 구축의 용이성은 떨치기 힘든 유혹이기 때문이다.
㈜인피니어 마이크로시스템에서는 이와 같은 개발자들의 요구와 시장의 안정적 성장 측면에서 기존의 Intel(AMD)x86 계열과 명령어 및 레지스터 레벨에서 호환 가능한 고성능 16bit 임베디드 마이크로프로세서 IMS16B-Tahoe를 개발하고 다양한 응용분야에서의 기술 지원에 노력하고 있다.
본고에서는 IMS16B-Tahoe의 개발 내용과 응용에 대해 소개한다.
II.임베디드 마이크로프로세서의 설계
마이크로프로세서의 설계는 기능 지향의 hardwired logic의 설계(전용 chip)에 비해 복잡하 고 오랜 시간의 테스트가 필요하지만 시스템에의 유연한 대응이 가능해 시스템 구축의 핵심 이며 비메모리 소자의 코어(core)이다.
임베디드용 마이크로프로세서의 경우 이런 programmable core부분과 함께 저가격의 신뢰성 있는 시스템 구축에 요구되는 peripheral 들을 집적하게 되는데 시스템 설계에 요구되는 면적의 감소와 비용을 절약하는데 필수적인 요소가 된다.
따라서 임베디드 프로세서 설계에는 코어 로직(core logic)의 설계와 함께 별 도로 기능을 가진 블록(IP)들의 설계도 병행되어야
한다.따라서 임베디드 마이크로프로세 서는 내부적으로 크게 코어 부분과 peripheral로 나뉘어지게 되며,코어 부분 은 다시 명령어의 해석과 제어,수행을 위한 Decoding logic,Datapath,Bus interface logic 으로 구분되며 peripheral들은 core의 기능 수행에 직접적으로 관계가 되는 interrupt controller,DMA controller,memory controller와 시스템 레벨에서 요구되는 Timer, UART,IO controller등으로 나뉘어 질 수 있다.
Instruction Set과 Decoding 마이크로프로세서에서 명령어 세트는 아키텍처 설계와 함께가장 중요한 요소 중의 하나이다.
물론 아키텍처와 명령어세트도 서로 밀접한 상관 관계가 가지고 있다. ㈜인피니어 마이크로시스템의 IMS16 시리즈는 개발 환경 입수의
선택성과 용이성 그리고 방대한 기존 리소스들의 활용을 고려해 Intel x86 계열의 명령어 세트와 레지스터 파일을 사용하고 있으며,이들 명령어들을 효율적으로 수행하기 위한 최적의 Datapath 구조를 갖도 록 설계 되었다. 메모리로부터 읽혀진 명령어를 해석하고 제어 신호들을 생성하기 위한 Decoding 회로의 설 계는 아키텍처 레벨 모델링으로부터 Logic Array)와 FSM (Finite State
Machine)으로 구성되며,CISC라는 구조 상 분산형태의 PLA로 설계되었고 variable instruction cycle을 지원하기 위해 FSM도 RISC나 DSP의 설계에 비해 다소 복잡한 state를 갖게 되었다.실제 Chip 구현에 있어서 critical path도 PLA 부분으로 0..5um TLM CMOS 프로세스에서 60MHZ로 동작한다. 60MHz의 동작 속도는 Cache controller/memory를 사용하지 않고 일반 플래시 메모리를 외부에 사용하는 임베디드 마이크로프로세서로는 최고속 동작에 속한다. 버스 인터페이스도 기존 회로의 변경 없이 재사용 가능하도록 하기 위해 호환성을 갖고 설 계 되어 있으며 긴 access time을 갖는 메모리도 사용 할 수 있도록 소프트웨어 wait state generate logic을 내장하고 있다.
Peripherals
임베디드 시스템에서 필수적으로 요구되는 peripheral로는 타이머,UART등이 대표적이며 최근에는 핀 수(pin count)를 줄이기 위한 사용이 늘고 있는 I 2 C의 지원과 함께 EDO DRAM을 대치한 고속 Synchronous DARM을 사용할 수 있도록 I 2 C controller,SDRAM
controller를 내장하고 있다.또한 임베디드 네트워크 장비 개발을 위한 10/100BASE-TMAC(Medium Access Control)controller를 내장한 버전을 현재 개발을 진행하고 있다.
IMS16B-Tahoe 탑재되어 있는 on-chip peripheral들은 16B core와 마찬가지로 향후 설계
에 재사용 또는 시스템온칩(System-on-Chip)설계자를 위해 IP의 형태로 설계되어 단일
기능 블록 형태에서 Plug-n-Play로 동작 할 수 있도록 되어 있다.
설계 검증
일반적으로 후발업체의 호환 마이크로프로세서는 개발 환경의 연속성과 개발 성과들의 재사용이라는 무형적인 이익과 함께 진보 된 설계 방식,제조 기술(주로 반도체 제조 프로세스의 진보)의 사용에 의해 낮은 가격과 향상 된 성능을 시스템 개발자에게 제공하는 대신 설계와 검증은 독자 아키텍처의 마이크로프로세서 개발과 비교하여 훨씬 힘들고 많은 시간을 필요로 하는데 이는 호환성이라는 전제에 기인한다.기존의 마이크로프로세서와 명령어 레벨에서 호환성을 갖도록 설계 된 chip은 일반적인 반도체 설계에서 요구되는 동작의 확인과 함께 명령어의 완벽한 호환성 여부를 검증해야 하기 때문이다.이번에 설계 된 16bit 프로세서의 경우 CISC 구조 상 명령어 해석과 수행의 복잡성은 있지만 2 stage pipeline이라는 단순한 구조로 인해 pipeline 충돌이나 branch prediction과 같은 구조적 문제는 RISC나DSP에 비해 상대적으로 낮다.코어의 호환성 검증에는 골든 벡터(golden vector)라는 것이 기본적으로 존재하지 않기 때문에 두 가지 접근 방법으로 진행 되었는데 각각 predictable sequence와 random-and-
complex로 명명하였다.Predictable sequence는 PLA의 호환 동작 여부와 전체 명령어의 수용 여부를 검증하기 위한 일련의 assembly code와 C code로 103개 명령어를 의도적으로 나열하여 예측 한 결과대로 수행되는 지를 검증한다.이 벡터는 아키텍처의 설계에서 chip의 검증까지 유용하게사용된다.Random-and-Complex 테스트는 시스템 레벨에서의 호환성 검증과 성능 계측을 위한 것으
로 boot code를 제외한 나머지 모든 루틴(routine)들은 ANSI C code로 개발하고 각종 C컴파일러를 사용하여 테스트를 진행했으며,아주 작은 규모의 벤치마크 용 루틴에서부터 중소규모의 RTOS 및 어플리케이션 소프트웨어를 포함하고 있다.여러 종류의 컴파일러와 다
양한 어플리케이션의 수행 테스트는 컴파일러 출력의 randomness에 대한 적응성과 복합적인 환경에서의 호환 신뢰성 여부를 검증하는데 유용하다.
개발 환경
개발의 복잡성에 대해 호환성이라는 명제가 제공하는 가장 큰 반사이익은 개발 환경의 연속성 또는 다양성과 오랜 동안 축적되고 공개 된 방대한 리소스들이다.Intel/AMD/NEC의 x86 계열 16bit 임베디드 마이크로프로세서의 경우에도 이미 많은 개발툴들이 프리웨어 또는 쉐어웨어의 형태로 공개 된 것들이 많으며,개발의 편이성과 생산성을 추구한다면 더욱 다양한 MS Windows 기반의 개발 툴과 환경을 구축할 수 있다.최근에는 Linux가 유용하고 강력한 개발 환경을 제공하고 있다.개발 리소스에 있어서도 소규모의 어플리케이션에서부터 RTOS와 TCP/IP 프로토콜 스택까지 매우 방대한 자료와 소스 코드(Source Code)를 쉽게 접할 수 있다.
(주)인피니어 마이크로시스템의 IMS16B-Tahoe 임베디드 마이크로프로세서는 이러한 무형의 자원과 함께 가격 대비 최고 성능이라는 이익을 개발자에게 제공한다.
Applications
60MHz로 동작하는 16bit 임베디드 마이크로프로세서의 응용분야를 모두 기술할 수는 없지만 이미 개발에 사용되는 있는 AMD/NEC의 16bit 18x 계열과 메모리 영역의 한계와 유용한 주변기기의 부족으로 한계를 갖고 있는 8bit MCS51,AVR,PIC 계열의 업그레이드와 운
용체제 및 소프트웨어 개발 자원의 의존성 때문에 32bit RISC 계열을 탑재하여 필요이상의자원을 탑재하고 있는 DSL IP 체인 장비(IP 공유기와 같은),Web Camera등에 적용할 수있다.Infinior MicroSystems에서는 임베디드 네트워크 관련 어플리케이션 개발을 위한
EVM board를 제공하고 있다.
(자세한 사양과 응용 분야별의 기술 지원은 sales@infinior.com로 문의)
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