파이프라인 고속 8비트 마이크로콘트롤러 및 메모리 확장 설계

Abstract

마이크로콘트롤러는 CPU, 메모리, I/O, 통신, 아날로그 모듈 등을 한 개의 칩에 집적한 반도체 디바이스로서 가전제품, 사무 자동화, 공장 자동화 등 각종 오토메이션 장치에 폭넓게 사용되고 있다. MCS-51로 불리기도 하는 8051계열의 마이크로콘트롤러는 대표적인 8비트 마이크로콘트롤러로서 1980년 인텔에서 개발되어 지금까지도 사용되고 있다. 그러나 과거와는 달리 각종 오토메이션 시스템의 구성물들이 증가하고 이들의 복잡도가 증가하는 환경에서 30년 전에 개발된 8051을 그대로 사용하는 것이 점점 힘들어지고 있다. 이 때문에 많은 회사들이 16비트, 32비트 프로세서를 채택하는 경우가 증가하고 있으나 이것은 상당한 비용 낭비를 초래할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 고속 8비트 마이크로콘트롤러는 기존의 8051 명령어 세트를 그대로 유지하면서 내부적으로 고속동작을 위한 설계가 포함되어 있다. 또한 어플리케이션의 복잡도에 따라 증가하는 프로그램 메모리의 크기에 맞게 메모리 확장 설계가 추가되었다. 따라서 제안된 마이크로콘트롤러는 기존의 소프트웨어 개발 키트는 그대로 유지하면서 반도체 디바이스만을 교체함으로써 적은 비용으로 고성능의 제품개발을 할 수 있도록 한다. 제안된 8비트 마이크로콘트롤러는 내부적으로 비선형 파이프라인 구조를 채택하였다. 따라서 데이터 패스, 콘트롤 패스 상에 다수의 명령어가 동시에 존재하며 최대 1클럭 사이클 당 한 개의 명령어가 실행되는 특징을 갖게 되었다. 또한 Bank Switching 메모리 확장 기법을 적용하여 기존의 64KB 이상으로 프로그램 메모리를 확장할 수 있도록 하였다. 제안된 마이크로콘트롤러는 Verilog HDL로 설계되었으며 동부 0.18um 공정을 사용하여 ASIC으로 제작되었다. 그 결과로 Synopsys 사의 Astro 툴로 Back-end 과정을 진행한 후 100MHz의 동작 속도를 보였다.