임베디드 시스템을 쉽게 구현해 주는 ARM7 기반 ProASIC3

현재 고성능에 대한 요구가 증가하는 것처럼 임베디드 애플리케이션들에서 제어 요소들의 구현이 8비트에서 32비트로 옮겨가고 있다. 동시에 임베디드 애플리케이션들에 대한 구현 수단은 가격 및 타임-투-마켓의 압박때문에 ASIC에서 FPGA로 옮겨가고 있다. 이것은 소비재, 산업용 그리고 자동차용 애플리케이션에서 명백히 나타나고 있으며, 이 애플리케이션들은 FPGA 시장에서 급속히 성장하는 분야가 되었다. ARM7 프로세서는 이들 시장에서 널리 사용되고 있다.액텔의 플래시 기반 ProASIC3에 ARM7 프로세서를 구현하는 기술은 사용자들에게 산업용 표준 프로세서의 최대 장점을 제공한다.프로그래머블(programmable) 로직을 가지고 ARM7 프로세서를 이용하는 임베디드 설계자들에게 좀더 나은 기능을 제공하기 위하여, 액텔과 ARM은 액텔 ARM-ready M7 ProASIC3 FPGA들을 사용하여 프로세서의 사이즈를 최소화하고 동시에 속도를 최대화해 주는 기술을 공동으로 개발했다. M7 디바이스에 ARM7을 보다 쉽게 구현하기 위하여 액텔은 Libero짋 Inte- grated Design Environment(IDE) 툴과 새로운 front-end 툴인 CoreConsole을 포함하는 전체 개발 툴을 완성했다. CoreConsole은 사용자들에게 보다 빠르게 프로세서의 서브시스템과 시스템 레벨 디자인의 어셈블(assemble)을 가능하게 해준다. 액텔 플래시 기반의 ProASIC3 디바이스들의 유연성과 산업 표준 ARM7의 결합에 따라 사용이 쉬우며, 또한 완벽하고 강력한 제품을 만들어준다.임베디드 시장의 변화최근까지 임베디드 시장은 8비트 마이크로컨트롤러가 주로 사용되어 왔다. 32비트 프로세서가 사용되는 임베디드 애플리케이션들이 존재하지만, 상당수 고성능 분야에 제한적으로 사용되고 있다. 그러나 여러 임베디드 애플리케이션들에서 요구되는 프로세싱의 수준이 통신, 소비재 애플리케이션들 그리고 비디오와 오디오를 포함하는 높은 수준들의 정보들을 처리해야 하기 때문에 32비트 프로세서의 요구가 증가하고 있다. 이것은 시스템 레벨 통합(SLI : System-Level Integration) 애플리케이션들에서 32비트 프로세서 사용의 증가를 부추기고 있다. 소비재, 자동차용, 산업용 그리고 군수/항공우주 시장은 32비트 프로세서에 대한 필요성이 증가하고 있고, 또한 이들 시장에서 디자인의 정교성과 복잡성이 증가하여 32비트 프로세서의 필요성을 부추기고 있다. 그림 1은 프로세서와 통합된 임베디드 디자인에 예상되는 변화를 보여주고 있다.통신부터 소비재, 자동차 애플리케이션 시장까지의 디자인들은 마스크와 실리콘 가격의 증가로 인해 ASIC에서 FPGA로 이동하고 있다. 그림 2는 2002년부터 2008년까지의 FPGA 분야별 백분율 분포에 따른 변화를 보여주고 있다.ASIC 비용의 증가와 함께 FPGA의 게이트 당 가격은 감소하고 있으며, 이 같은 디바이스 내에서 시스템 레벨 통합은 지속적으로 증가하고 있다. 복잡한 시스템 레벨 애플리케이션들은 몇 년 전만 해도 ASIC으로 구현할 수 밖에 없었다. 그러나 빠른 타임-투-마켓과 새로운 시장기회를 맞는 현재의 프로그래머블 로직 회사들은 FPGA를 제안하고 있으며, 이러한 시장의 변화는 계속될 전망이다.ProASIC3와 ARM7의 시너지효과ARM 구조의 시장 점유율은 80%에 이르고 있다. 그 결과 ARM을 지원하는 하드웨어와 소프트웨어 개발 툴에 대한 선택의 폭이 넓어지고 있다. 또한 ARM7 보드에 지식과 경험이 상당히 축적돼 있다. 현존하는 많은 프로그램 코드와 개발 툴은 시스템 레벨 디자인을 위하여 사용되기 때문에, 위의 두 가지는 디자이너들에게 개발에 대한 위험성과 타임-투-마켓을 줄여준다.만약, 마이크로컨트롤러가 애플리케이션에서 요구하는 모든 기능을 가지고 있다면 마이크로컨트롤러는 임베디드 디자인을 위한 가장 좋은 해결책이 될 수 있다. 그러나 현재 디자이너들이 요구하는 여러 기능을 구현하기 위해서는 마이크로컨트롤러와 함께 외부 부품(일반적으로 FPGA)을 사용해야 한다.액텔 ProASIC3 FPGA에 소프트 ARM7 프로세서를 구현하는 방법은 디자이너들에게 한 개의 부품으로 그들 디자인에서 요구하는 기능들을 완성하기 위한 유연성을 제공한다. ARM7 제품군은 액텔 플래시 기반 ProASIC3 FPGA와 함께 상승효과를 얻게 될 것이다.소비재 및 산업용을 비롯해 군용 분야까지 ARM 프로세서에 대한 관심이 증가하고 있다. ProASIC3 디바이스들은 ARM7 프로세서 기반의 프로그래머블 FPGA로서 저가 단일 칩(single-chip), 높은 보안 성능을 갖추고 있다.CoreMP7 특징CoreMP7은 ARM7TDMI-S의 소프트 IP로 액텔의 M7 ProASIC3 FPGA의 속도를 높이고, 크기를 최소화하기 위해 최적화되어 있다. 특히 Thumb 확장자(extensions)를 가진 ARMv4T 명령어 집합(instruction set)을 수행한다. 프로세서는 3-단계 파이프라인(3-stage pipeline), 32비트 ALU, 32비트 레지스터 파일, 하나의 외부 어드레스, 데이터 버스 인터페이스 유닛 그리고 온-칩(on-chip) 트레이스를 제공하기 위한 JTAG 디버그 인터페이스를 가지고 있다. 그림 3은 ARM7TDMI-S와 같은 CoreMP7 소프트 IP 프로세서의 상위 레벨 블록 다이어그램이다.CoreMP7 소프트 IP ARM7 제품군 프로세서의 주요 특징과 장점은 다음과 같다.·ARM7TDMI-S 프로세서와 호환성·32/16비트 RISC ARMv4T 구조·32비트 ARM 명령어 집합·16비트 Thumb 명령어 집합·32비트 연산 로직 유닛·3단계 파이프라인·32비트 외부 버스 인터페스: AHB(Advanced High Performance Bus) & 네이티브 버스·임베디드 리얼타임 디버그(JTAG 인터페이스)·액텔 플래시 기반의 ProASIC3 FPGA 디바이스를 위한 최적화·FPGA 패브릭에 완전 구현·모든 I/O는 사용자가 액세스 가능·사용자는 사용자의 IP를 프로세서에 추가하거나 연결 가능·CoreMP7과 사용자 IP는 디바이스 내에서 지울 수 있고 프로그램 가능·보안 ISP을 제공·FPGA 디자인 및 디버그 툴 플로(flow)와 집적화CoreMP7 구성 항목쪾아키텍처ARMv4T 기반하고 있는 CoreMP7은 ARM7TDMI-S와 호환성을 갖는다. 코어는 명령어와 데이터를 전송하는 32비트 데이터 버스를 가진 본 뉴만(von Neumann) 아키텍처를 기본으로 하고 있다. CoreMP7은 32비트 ARM7 명령어와 16비트 Thumb 명령어들로 구현되며 코어는 8, 16, 32비트의 데이터 형태를 지원한다. CoreMP7은 표준 ARM7 동작 모드를 모두 지원한다.쪾버스 인터페이스CoreMP7은 32비트 ARM7 네이티브 버스 및 컨피규러블(configurable) AHB 인터페이스를 포함하고 있다. AHB 버스는 네이티브 버스와 온-칩 AHB 버스를 상호연결하기 위하여 사용될 수 있다.쪾명령어 파이프라인CoreMP7은 프로세서를 통한 명령어들의 흐름을 높이기 위해 3 단계 파이프라인을 구현했다. 명령어들은 3단계로 페치(Fetch), 디코드(Decode), 익스큐트(Execute)를 수행한다.쪾레지스터CoreMP7은 레지스터 파일에 31개의 32비트 범용(general purpose) 레지스터와 6개의 상태(status) 레지스터로 구현되어 있다. ARM 모드에서 16개의 범용 레지스터와 한 개 혹은 두 개의 상태 레지스터의 이용이 가능하며, Thumb 모드의 경우 8개 범용 레지스터의 사용이 가능하다.쪾메모리 인터페이스CoreMP7의 32비트 메모리 인터페이스는 최적의 성능과 최소 메모리 사용량을 위해 설계됐다. CoreMP7은 AHB 버스 래퍼(wrapper)를 전달하며, 이것은 만약 사용자가 본래의 ARM 인터페이스를 가진 디자인에 연결을 원한다면 쉽게 제거될 수 있다.쪾디버그 특징CoreMP7은 응용 소프트웨어, 운용체제(OS), 하드웨어 등의 개발이 쉽도록 진보된 디버깅 특징을 구현하는 하드웨어를 넣었다. ARM7 코어의 내부 상태는 JTAG 인터페이스를 이용하여 검사할 수 있으며, 외부 데이터 버스를 이용하지 않고 코어 파이프라인에 명령어들을 넣을 수 있다.CoreMP7에 선택적인 디버그 하드웨어는 특정 인스트럭션 페치나 데이터 액세스에 대한 코어의 활동을 감시할 수 있으며, 브레이크포인트(breakpoints)들 혹은 워치포인트(watchpoints)들을 가지고 멈춤(halts) 등을 수행할 수 있다. CoreMP7 디버그 하드웨어의 구성은 JTAG 인터페이스를 통해 이뤄진다.쪾예외(Exceptions)CoreMP7은 7개 타입의 예외를 제공하는데, fast interrupt (FIQ), normal interrupt(IRQ), 데이터 어버트(abort), 프리페치 어버트(prefetch abort), 소프트웨어 인터럽트, 정의되지 않은 인스트럭션(undefined instruction) 그리고 리셋(reset)이다.모든 예외들은 R14와 R13에 대한 레지스터들을 저장한다. 예외(exception) 후, R14는 예외 프로세싱을 위하여 리턴 어드레스를 가지고 있다. 이 어드레스는 예외가 진행되고 어드레스를 리턴하기 위해 예외 처리로 인하여 발생된 명령어 지정을 위해 둘 다 사용된다. R13은 스택 포인터(stack pointer)를 가지고 각 예외 처리를 제공하기 위해 모든 예외 모드를 저장한다.쪾서브시스템 주변장치서브시스템 주변장치들은 마이크로프로세서를 위한 중요한 기능 블록들이다. CoreMP7 서브시스템 주변장치들은 AHB 버스 인터페이스, APB 버스 인터페이스, AHB와 ABP 브리지, 메모리 및 인터럽트 컨트롤러, 시간, 시리얼 인터페이스 그리고 버퍼링된 I/O 인터페이스를 포함하고 있다.M7 ProASIC3 제품군CoreMP7은 ‘M7 ProASIC3’ 디바이스에서 사용이 가능하며, 이 디바이스들은 ProASIC3 제품군 디바이스의 모든 특징을 가지고 있어 부가적으로 ARM 코어를 추가해 CoreMP7을 프로그램 할 수 있다. 디바이스들은 비휘발성, 재프로그래밍이 가능한 플래시 기술과 3만~25만 게이트 및 616개의 고성능 I/O를 제공한다.M7 ProASIC3는 보안, 저전력, 전원을 인가하자마자 동작하는 LAPU(Live at Power Up), 그리고 단일 칩 솔루션을 제공한다. 이 특징은 FPGA 설계 툴과 방법으로 엔지니어들에게 ARM7 기반으로 고성능, 고밀도 시스템 애플리케이션 개발을 가능하게 해준다. 또힌 M7 ProASIC3 디바이스들은 온-칩, 사용자 비휘발성 메모리 저장장치, 6개 PLL을 기반으로 한 클록 조절 회로(clock conditioning circuitry)를 제공한다.액텔 플래시 기반의 M7 디바이스들은 ASIC과 비슷한 전원 특성을 보여주며, 배터리 동작 및 전원에 민감한 애플리케이션에 이상적인 선택을 할 수 있도록 해준다.M7 디바이스는 많은 SRAM FPGA들이 가지고 있는 전원을 인가했을 때의 순간 전류(current surge) 및 높은 전류 변화(high-current transition)가 없다. M7 디바이스는 낮은 정적 및 동적인 전력 소비량을 가지고 있다.CoreMP7 툴액텔은 M7 ProASIC3 기반의 개발을 위해 통합된 툴을 제공한다. Libero IDE 툴과 CoreConsole, 블록 스티처(block stitcher), IP 개발 플랫폼(IDP: IP Deployment Platform), ARM RealView, 그리고 디버그를 보다 빠르게 평가하기 위한 개발/디버그 보드를 제공하고 있다. 그림 5는 CoreMP7 툴을 위한 개발 플로의 다이어그램이다.쪾CoreConsole액텔은 서브시스템 설계 및 IP 블록의 조합을 쉽고 간단히 하기 위해 ‘CoreConsole’이라고 하는 툴을 제공한다. 이 새로운 툴은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 기반으로 사용자들이 직관적이며 보다 쉽게 설계할 수 있도록 지원하고 CoreMP7 주변의 시스템 애플리케이션의 조합을 용이하게 한다.CoreConsole은 CoreConsole IDP 툴과 IP vault로 구성되어 있다. 이 툴은 사용자에 의해 정의된 IP 블록과 서드-파티(third-party) IP 뿐만 아니라 액텔에서 제공하는 IP vault를 가지고 프로세서 서브시스템 기능(timer, UART, 등)들의 통합을 제공한다.CoreConsole은 주로 RTL로 처리해 디자인 프로세스의 디자인 설계 측면에서 사용되며, Libero IDE 및 다른 툴들과 쉽게 통합될 수 있다. CoreConsole은 사용자들에게 그들의 애플리케이션에서 사용하기 위한 IP 블록 구성을 가능하게 해주며, FPGA 내에서 사용자의 애플리케이션과 디버그를 위하여 사용되는 시스템 상호연결 테스트벤치를 생성한다.쪾Libero IDECoreMP7과 M7 ProASIC3 디바이스는 액텔 Libero IDE와 Designer 소프트웨어 툴에 의하여 완벽하게 지원을 받는다. Libero IDE는 최상의 디바이스 성능을 가지고 빠르게 시장에 M7 ProASIC3 제품을 출시할 수 있도록 하기 위해 모든 필요한 디자인 툴을 포함하고 있다.액텔은 Magma Design Automation, Mentor Graphics, Synplicity, SynaptiCAD와 같은 EDA 선두업체들과 함께 내부적으로 툴을 개발해 Libero IDE로 단일 패키지에 통합시켰다.쪾FlashPro3FlashPro3는 M7 ProASIC3의 프로그램 및 디버그를 수행한다. 그림 6은 FlashPro3 프로그래머를 보여준다. M7 ProASIC3는 ISP를 지원하며, ISP 헤더를 통해 보드 상에 장착된 디바이스를 프로그래밍 한다. 프로그래밍 데이터는 마이크로프로세서, Silicon Sculptor II 또는 FlashPro3로부터 표준 JTAG 인터페이스를 통해 공급된다. FlashPro3는 빠른 속도의 프로그래밍을 제공함으로써 가장 큰 M7 디바이스를 2분 내에 프로그램 할 수 있다.쪾RealViewARM은 CoreMP7을 위해 액텔 RealView Developer Kit(RVDK) 개발했다. 이것은 프로세서 동작에서 소프트웨어 개발 프로젝트를 관리, 디버깅, 빌딩(building)하기 위한 툴들을 제공한다. 툴 키트는 최적화된 C 컴파일러, 디버거, 어셈블러 그리고 명령어 집합 시뮬레이터를 포함하고 있다. 개발자들은 CoreMP7을 위한 개발, 빌드, 디버그 C, C++ 그리고 어셈블리 언어를 사용할 수 있다.쪾개발 키트CoreMP7 개발 키트는 M7 ProASIC3 디바이스, 액텔 Libero IDE Gold, CoreConsole, C 프로그램 개발 툴들 그리고 디버거, USB 케이블을 지원하는 FlashPro3, 전원공급기, 설명서와 여러 문서들로 구성된 완벽한 패키지로 제공된다.개발자들은 ISP, 디바이스 시리얼화(serialization), 플래시록(FlashLock), 온-칩 시스템 보안을 포함하고 있는 비휘발성 M7 디바이스에 CoreMP7의 다양한 이점들을 테스트할 수 있고 애플리케이션을 개발할 수 있다.ARM 에코시스템(Ecosystem)CoreMP7은 표준 ARM 아키텍처를 근본으로 한다. 때문에 CoreMP7 소프트 프로세서의 가장 큰 이점은 툴과 디자인 지원에 에코시스템을 이용할 수 있다는 것이다. 이 에코시스템의 존재는 개발자들에게 SoC 애플리케이션 개발에 직면한 일의 양과 위험성을 크게 감소시킨다.결론32비트 마이크로프로세서의 수요가 증가하고 임베디드 시장이 프로그래머블 로직으로 무게 중심을 옮겨가고 있다. 액텔 플래시 기반의 FPGA와 ARM 프로세서를 최적화한 CoreMP7의 결합에 따라, 이 디바이스는 개발자들에게 강력한 애플리케이션 솔루션이 될 것이다. ARM7TDMI-S를 ProASIC3에 가져옴으로써 CoreMP7은 개발자들에게 ARM7 아키텍처를 가지고 그들의 임베디드 디자인을 구현할 수 있게 해준다.액텔 CoreMP7 소프트 프로세서와 M7 디바이스들은 현존하는 ARM7 소프트웨어와 툴들의 거대한 에코시스템과 완벽한 개발 툴들에 의해 지원되며, 이것은 디자인 설계의 위험성과 타임-투-마켓을 줄여준다. 산업 표준 ARM7 프로세서와 액텔 플래시 기반의 ProASIC3 디바이스의 결합으로 액텔은 최상의 솔루션을 탄생시켰고, 대량에서 소량생산까지 ARM7의 유용성을 확장 할 것이다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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