R8051 구현 및 전력소모 분석

Abstract

국문요지

마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 메모리 등과 같은 CMOS IP(Complementary metal-oxide semiconductor Intellectual Property)들은 모든 스마트 디바이스에 필수적으로 사용 되는 요소이며 최근에 들어서 이러한 IP들은 백색가전에서부터 자동차에 이르기까지 폭넓은 산업분야에 응용되는 핵심요소로 자리 잡았다. 또한 인간의 생활공간, 생활기기, 기계 등 모든 사물에 컴퓨팅, 네트워킹 기능을 부여, 환경과 상황의 자동 인지를 통해 사용자에게 최적의 서비스를 가능하게 하는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)개념이 부각됨에 따라 이에 응용되는 IP들의 중요성은 점점 더 커지고 있다. 이에 응용 되는 IP중 가장 핵심적인 요소는 단연 마이크로컨트롤러라 할 수 있다. 센서노드에 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)는 노드에 부착된 센서의 데이터 처리 및 외부 인터페이스를 위한 SPI, UART, I2C 등의 주변장치, 타이머(timer), 전력 제어(power control) 등으로 구성된다. 이러한 주변 인터페이스들은 MCU 부하를 최소화하도록 제공되어야 하며 대량의 데이터를 발생시키는 ADC/DAC 인터페이스 최적화를 지원해야 한다. MCU는 센서노드에 부착된 센서의 종류 및 노드의 사용 목적에 따라 다양한 성능의 MCU를 필요로 한다. 따라서 사용되는 MCU의 구조가 호환성을 유지하면서 탄력적인 구조를 가지고 있어야 하며, 기술의 소형화, 집적화에 따라 소형 메모리가 내장된 저 전력 초소형 MCU의 개발은 필수적이라 하겠다. 본 논문에서 제안된 MCU는 위에서 언급한 기술동향에 부합하도록 고성능, 호환성, 소형화, 저 전력에 초점을 맞추어 구현 및 검증하고 나아가 전력 분석을 통해 저 전력용 플랫폼에 실제 응용 가능하도록 하는데 목적이 있다. 제안된 8비트 마이크로컨트롤러인 R8051은 인텔사의 8051과 동일한 인스트럭션 세트 아키텍쳐(Instruction Set Architecture) 및 구조를 적용하여 100% 호환이 가능하며 비선형 파이프라인 구조 및 뱅크 스위칭(Bank Switching) 메모리 확장기법을 통해 성능이 향상된 것이다. 제안된 R8051은 Verilog HDL로 설계되었으며 0.18um 공정 ASIC 구현에서 100MHz 동작 스피드로 구현되었다. 또한 여러 가지 형태의 검증과정에서 원활히 동작하는 것을 확인하였으며, 전력소모 측정에서 22.53mW를 보여 USN환경에서 동작에 무리가 없을 것으로 판단된다.