AVR - Chapter 1 황 지 연

프로세서의 역사 전자 계산기의 발달 초창기의 컴퓨터는 부피가 크고, 신뢰성이 다소 떨어졌으나 CPU의 개발로 높은 신뢰도와 빠른 연산을 제공하는 컴퓨터가 개발되고 점차 컴퓨터 크기의 소형화가 이루어지고 있음 전자 계산기 발달 순서 MARK-1 ENIAC EDSAC EDVAC UNIVAC-1

프로세서의 역사 프로그램 내장형 컴퓨터 1945년 폰 노이만(Von Neumann) 프로그램 내장형 컴퓨터 제창 1949년 영국 캠브리지 대학 교수 윌키스(M. Wilkes) EDSAC - 세계 최초의 프로그램 내장 방식 컴퓨터 중앙처리장치 - ALU - Control Unit 입력 출력 기억장치(Memory)

폰 노이만 아키텍처 memory CPU 200 address data IR ADD r5,r1,r3 Embedded System

하버드 아키텍처 Harvard can’t use self-modifying code. Harvard allows two simultaneous memory fetches. Most DSP use Harvard architecture for streaming data: greater memory bandwidth; more predictable bandwidth. CPU PC data memory program memory address data

프로세서의 역사 Intel 의 마이크로 프로세서 기타 마이크로 프로세서 제조업체 1971년 4004, 4bit, 0.5 MHz clock, 16 Kbyte Main Memory 1973년 8080, 8bit 1975년 8085, 8bit 1978년 8086, 16bit 1982년 80286, 16bit 1985년 80386, 32bit 1989년 80486, 32bit 1990년대 80586(Pentium), 32bit 기타 마이크로 프로세서 제조업체 Motorola, 680계열(68000, 68020…), 주로 산업용으로 사용. Zilog, Z80, Intel의 8085와 유사한 8비트 프로세서

마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 마이크로프로세서 vs. 마이크로컨트롤러 마이크로프로세서 마이크로컨트롤러 프로세서를 한 개의 칩으로 구현 데이터부와 제어부가 들어있는 코어를 의미 마이크로컨트롤러 코어 + 여러 가지 크기와 다양한 종류의 메모리 + 여러 종류의 주변장치 + 여러 종류의 입출력 포트 여러 응용분야에 필요로 하는 주변기기들을 한 칩 내에서 모두 제공 시스템보드의 칩의 개수를 줄임 경박단소 (經博短小) 시스템을 성능 및 크기, 그리고 가격을 최적화 제품을 제작 시 제품의 개발기간 및 가격 최소화 제품의 용도에 맞게 프로그램의 변경만으로 적용이 가능하여 적용성 우수 부품수가 적고 시스템 구성이 간단하여 신뢰성이 향상된다.

Netsilicon NET+ARM Embedded Processor 마이크로컨트롤러 vs. 임베디드프로세서 임베디드 프로세서 원래는 마이크로컨트롤러를 의미 마이크로컨트롤러를 확장한 개념으로도 사용 CPU 코어, 메모리, 주변 장치, 입출력장치에 다양한 종류의 네트워크 장치가 추가되는 형태. 10/100BaseT MAC(Medium Access Control) for Internet Netsilicon NET+ARM Embedded Processor

임베디드프로세서 (1) 최근의 임베디드 프로세서 – 주변장치 선택형 주변 장치들을 프로그래머블(programmable)하게 만들어서 사용자가 원하는 정확한 규격대로 주변장치를 선택적으로 구성 칩 내부의 자원의 낭비를 줄일 수 있음 예 : Cypress MicroSystems의 PSoC™ 마이크로컨트롤러 counter 혹은 timer를 구성할 때 8/16/24/32bit counter/timer들 중에서 하나를 선택 ADC(Analog to Digital Converter) 경우: 6-Bit SAR ADC, 8-Bit SAR ADC, 8 to 14-Bit Incremental ADC, 12-Bit Incremental ADC, 8-Bit Delta-Sigma ADC, 11-Bit Delta-Sigma ADC, 들 중에서 하나를 선택 (www.cypressmicro.com)

임베디드프로세서 (2) 알테라(Altera)사의 ARM core를 채택한 SOPC(system-on-a-programmable-chip) PLD를 이용해서 IP를 구현 PLD를 ASIC화 해주는 Hard-copy Devices 프로그램을 지원 www.altera.com

프로세서의 분류 기능에 따른 분류 : 의미 없음 많은 업체에서 여러 종류의 칩을 각각 특별한 기능을 내장하고 여러 응용분야에서 사용하기 때문 데이터 버스의 크기, 산술처리기(Arithmetic Logic Unit) 및 레지스터들의 크기에 따른 분류 8비트 프로세서 : 응용목적이 간단한 경우 16비트 프로세서 : 중간정도의 복잡도를 가지는 응용분야 32비트 프로세서 : 내장형 시스템 시장에서 주류 64비트 프로세서 : 몇몇 업체에서만 제공 명령어 구조에 따른 분류 Complex Instruction Set Computer (CISC) Reduced Instruction Set Computer (RISC) Extended Instruction Set Computer (EISC)

프로세서의 분류 기능에 따른 분류 MPU - Micro Processor Unit 용도 : PC MCU – Micro Controller Unit 마이크로프로세서 중에 1개의 칩 내에 CPU 기능은 물론이고 일정한 용량의 메모리(ROM, RAM 등)와 입출력 제어 인터페이스 회로까지 를 내장한 것 MCU, 단일 칩 마이크로컴퓨터, 마이컴 등으로 불린다. DSP – Digital Signal Processor 디지털 신호를 하드웨어적으로 처리할 수 있는 집적회로 용도 : 영상, 음성 등 신호처리

프로세서의 분류 데이터 버스의 크기, 산술처리기(Arithmetic Logic Unit) 및 레지스터들의 크기에 따른 분류 프로세서가 한번에 처리할 수 있는 비트 수로 분류 8-Bit 프로세서 1970년대 마이크로 프로세서 현재는 소용량 마이크로 컨트롤러가 8-Bit 프로세서이다. 8051, AVR, PIC, SAM88 16-Bit 프로세서 1980년대 초 마이크로 프로세서 현재는 고속의 마이크로 컨트롤러로 사용된다. 8-Bit 와 32-Bit 의 발달로 많이 사용하지 않는다. AM188, MSP430 32-Bit 프로세서 1980년대 중반 이후 현재까지 마이크로 프로세서 PC, 또는 대용량의 데이터 처리를 하는 산업용 장치에 쓰인다.

프로세서의 분류 프로세서의 타입 RISC와 CISC 두 종류의 프로세서의 차이점 프로세서가 제공하는 명령어 세트 (Instruction Set)의 복잡도 Complex Instruction Set Computer(CISC) 복잡한 명령어를 지원하는 프로세서 1980년대 이후 마이크로프로세서 시장에 처음 선을 보임 인텔, 모토롤러 프로세서 Reduced Instruction Set Computer(RISC) 단순한 명령어 세트를 지원하는 프로세서 MIPS와 ARM의 프로세서 RISC와 CISC 두 종류의 프로세서의 차이점 CISC : 복잡한 많은 수의 명령어를 해독하는데 많은 실리콘을 사용 RISC : 작은 명령어 세트로 인하여 남는(CISC에 비해서) 실리콘을 다른 유용한 목적으로 사용 이전 : RISC와 CISC의 관계는 서로의 우월성을 주장하던 관계 최근 : post RISC: 성숙한 단계로 접어들어서 상호간의 장•단점을 CPU 구조에 적절하게 반영하여 최적의 성능 제공

프로세서의 분류 CISC, RISC, EISC의 특징 구분 CISC RISC EISC CPU instruction 회로 구성 명령어 개수가 많고, 그 길이가 다양하며 실행사이클도 명령어마다 다름 명령어길이는 고정적이며, 워드와 데이터 버스 크기가 모두 동일, 실행 사이클도 모두 동일 16비트 명령을 사용하여 32비트 데이터를 처리 회로 구성 복잡 단순 메모리 사용 높은 밀도 메모리 사용이 효율적 낮은 밀도의 명령어사용으로 메모리 사용이 비효율적 코드밀도가 높다(임베디드 시스템에 유리) 프로그램측면 명령어를 적게 사용 상대적으로 많은 명령어가 필요, 파이프라인 사용 RISC보다 더 깊은 파이프 라인 스테이지 컴파일러 다양한 명령을 사용하므로 컴파일러가 복잡해짐 명령어 개수가 적어서 단순한 컴파일러 구현 가능 국산 기술에 의해 개발(ADC corp.)

마이크로 컨트롤러 - AVR AVR은 ATmel사가 개발 제조하고 있는 유사 RISC 구조의 저전력 CMOS 8-bit 마이크로 컨트롤러 임베디드 환경에 적합한 저전력 소모의 칩이며, 내부에 32개의 범용 레지스터 내장 유비쿼터스 및 센서 네트워크를 위한 소형 시스템에 적합 유사 RISC 아키텍처(RISC like Architecture) - 유사 RISC 아키텍처라고 하는 것은 RISC 구조를 따르고는 있으나 명령어와 주소 지정방식의 수가 RISC에 비해 많음 AVR의 종류 Tiny(ATtiny) : 소형시스템에 적합, 외형핀 8 ~ 20개, 메인 마이컴보다 여러 회로를 하나의 소자로 구현한 보조 역할의 칩으로 사용 Classic (AT90S): 중간 규모 시스템의 제어에 적합, 모뎀. 스마트 카드리더. 셋탑 박스 및 각종 자동화기기에 응용  Mega (ATmega) : 대형이고 입/출력 핀의 수가 많은 시스템 에 적합, 무선 전화기 및  프린터용 제어기. FAX 및 CD-ROM제어기, 통신장비 등에 응용

마이크로 컨트롤러–AVR 내부 블럭도

마이크로 컨트롤러–AVR 내부 블록도 (2)

마이크로 컨트롤러 – AVR 특징 AVR 의 특징 프로그램을 다운로드하여 저장 할 수 있는 2K ~128K 바이트의 플래시 메모리를 내장 내부 EEPROM 용량 : 128에서 512바이트까지 가능 내부 오실레이터에 의해 동작하는 워치독 타이머와 전 이중방식의 다양한 외부 접속장치를 내장 다양한 인터럽트 소스와 파워 절약모드, 외부 메모리 추가가 가능 내장 디바이스 타이머/카운터, 직렬 통신 장치, 아날로그 비교기, 외부 데이터 장치 인터페이스, 입출력 포트,    SPI(Serial Peripheral Interface), 아날로그 디지털 변환기(ADC)

마이크로 컨트롤러 - PIC PIC 는 마이크로 칩 테크놀로지(Microchip Technology)사에서 개발 제조 판매하는 RISC 구조의 8-bit 마이크로 컨트롤러임 속도, 내부 메모리 용량, 내장 디바이스 특성에 따라 PIC12, PIC14, PIC16, PIC17, PIC18 시리즈가 있음 모두 동작 전원 범위가 넓고, 소비 전류는 수 mA 이하이며 파워 ON Reset과 원칩 타이머, ROM 등을 내장하고 있어서, 소형 제품을 만드는데 적합한 특징을 가지고 있다 EEPROM, 13개의 I/O 핀, 오실레이터 회로, 리셋 회로, 타이머/카운터 등을 내장하고 있는 아주 편리한 원 칩 마이컴(one chip micom)이다. 동작 범위도 2.0V~6.0V로 확대되었으나, 소비전류는 60μA 정도로 적기 때문에, 건전지 등과 같은 것으로도 동작이 가능

마이크로 컨트롤러 - PIC

마이크로 컨트롤러 - PIC PIC의 특징 35개의 싱글 워드 명령 브랜치 명령(2 사이클)을 제외하고는 모든 명령 싱글 사이클(400ns) 동작 속도 : DC-10MHz 클럭 입력, DC-400ns(명령 사이클) 14비트 크기의 명령어 8비트 데이터 폭 1K×14 EEPROM 프로그램 메모리 내장 36×8 범용 레지스터(SRAM) 8레벨의 하드웨어 스택 직접, 간접, 상대 번지 지정 4개의 인터럽트 소스 외부 RB0/INT 핀, TMR0 타이머 오버플로 PORTB<7:4>가 변할 경우 인터럽트, 데이터 EEPROM 라이트

CISC 프로세서 Intel 계열 마이크로프로세서의 종류 및 역사 연도 프로세서 이름 트렌지스터 개수 특징 1971 4004 2,250 인텔의 첫 마이크로 프로세스, Busicom 계산기에 사용 1972 8008 2,500 Mark-8에서 사용, 최초의 가정용 컴퓨터 1974 8080 5,000 Altair에서 사용 1978 8086/8088 29,000 IBM-PC XT에서 사용, 인텔이 대기업으로 성장 1982 80286 120,000 IBM-PC AT에서 사용, 6년간 천 5백만대 판매 1985 80386 275,000 32비트 멀티 테스킹 지원 1989 80486 1,180,000 수치 보조 프로세서 내장 1993 Pentium 3,100,000 음성, 이미지 처리 기능 강화 1995 Pentium Pro 5,500,000 Dynamic Execution 구조 채택 1997 Pentium 2 7,500,000 MMX 기술 지원 1999 Pentium 3 24,000,000 SIMD 지원, 12 스테이지 파이프라인 2001 Itanium 25,000,000 64비트, Explicitly Parallel Instruction Computing(EPIC) 2002 Pentium 4 55,000,000 20 스테이지 하이퍼 파이프라인, 하이퍼 쓰레딩 2003 Itanium 2 410,000,000 Machine Check Architecture, EPIC, 6MB L3 캐시

CISC-History:Packaging기술 변천

CISC - History

CISC - 8051 인터럽트 8051 입출력 및 인터럽트 인터럽트 처리 순서 8051에서 인터럽트 : 5개 지원 외부 인터럽트 2개(INT0, INT1) 타이머/카운터 인터럽트 2개(TF0, TF1) 시리얼 포트 인터럽트 1개 인터럽트 처리 순서 1. EA(Enable All) bit를 1로 만든다.(인터럽트를 허용하는 상태로 만든다) 2. IE 레지스터의 인터럽트 enable 비트를 1로 만든다. 3. 해당되는 인터럽트 벡터주소로 분기해서 원하는 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다. 4. 외부 인터럽트인 경우에는 INT0 혹은 INT1 비트가 ‘0’이 되어야 한다.

CISC-8051 인터럽트 레지스터 8051 입출력 및 인터럽트 인터럽트 발생 source에 따른 벡터 주소 IE(Interrupt Enable)레지스터

RISC RISC 개요 RISC의 대표적인 칩 : ARM ARM : Advanced RISC Machine 2002년 현재 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 구조를 가진 프로세서들 중에서 세계 시장 점유율 1위 ARM 프로세서가 다른 프로세서와 차별화 된 점 구조적인 점 인텔(Intel)이나 모토롤러(Motorola)의 CISC(Complex Instruction Set Computer) 프로세서과 비교 세부적인 (혹은 최적화된) 구현 방법 같은 종류인 RISC 프로세서들과 비교

RISC vs. CISC load-store architecture: fixed length 32-bit 명령어: 메모리에서 데이터를 읽고 쓰는 명령어와 CPU 내부에서 연산을 수행하는 명령어들을 분리 따라서 연산을 수행하면서 메모리까지 참조하기위해 많은 시간을 소모하는 명령어가 없게 됨 fixed length 32-bit 명령어: 모든 명령어는 한 명령어 당32비트만을 점유 3-address 명령어 구조: 대부분의 ARM 명령어는 두 개의 source address 와 1개의 destination address, 즉 3 개의 address를 보유

RISC의 장점 ARM이 임베디드 프로세서 시장을 석권할 수 있었던 이유 위의 장점들을 살리면서도 동시에 다른 RISC CPU 와 차별화 32-bit RISC의 성능 작은 메모리 저가격 저전력 이동 단말기 시장에서 채택 이동전화시장 즉, GSM과 CDMA 이동통신 시장의 폭발 임베디드 프로세서 시장의 선두주자

RISC - ARM RISC의 특징 ARM RISC vs. other RISC 1.16-bit 명령어 사용가능: Thumb모드 제공 RISC CPU의 단점인 큰 코드 크기 문제(code size problem)를 완화 2.조건부 명령어 구조: ARM 의 모든 명령어는 조건부 수행명령으로 만들 수 있음 분기 명령을 따로 사용하지 않고도 일반 명령어만 이용해서 프로그램을 구현 명령어의 개수를 줄일 수 있음 3.최적화된 레지스터 수: shadow register 이용 꼭 필요한 레지스터들만 context-swiching에서 활용 4.배럴 쉬프트 레지스터(Barrel shift register)의 활용: 배럴 쉬프트 레지스터를 ALU 입력단에 설치 간단한 상수를 즉석에서 만들거나, 간단한 곱셈이 필요한 경우 혹은 쉬프트동작이 연산명령어와 함께 수행되어야 하는 경우에 명령어를 따로 써야 할 필요가 없게 되었고 프로그램의 수행속도를 줄일 수 있음

RISC-ARM Processor Roadmap

RISC - ARM Core 종류 ARM 프로세서 코어의 종류

RISC - ARM 프로세서 구조 ARM7 데이터부의 구성 Address Register, Data-In Register, Data-Out Register, Instruction Pipe(Pipeline) Register CPU와 메모리와의 인터페이스 주소 레지스터(Address Register) 메모리에서 읽어오거나(memory read) 메모리에 써야 하는(memory write) 경우 데이터의 주소를 지정하는 용도 데이터 레지스터(Data Register) 메모리에서 읽어오거나 저장해야 할 데이터를 보관하는데 사용 데이터 입력 레지스터 (Data-In Register) 데이터 출력 레지스터(Data-Out Register) Instruction Pipeline Register : 명령어가 저장

RISC - ARM7 블록도

RISC - ARM7 Registers 레지스터 (register) : 총 37개의 레지스터 사용목적에 따라서 구분해서 사용 12개의 사용자 레지스터 25개의 시스템 레지스터 총 3개의 입력포트와 2개의 출력포트를 지원 범용 레지스터를 위한 두 개의 입력포트(port) 한 개의 출력포트 프로그램 카운터(Program Counter 또는 PC)를 위한 별도의 입력 및 출력포트

RISC - ARM7 Datapath 쉬프터(shifter) ALU의 두 입력 중에서 왼쪽 입력 단에 위치 ALU로 들어가는 데이터를 쉬프트(한비트 자리옮김) 시키는데 사용 barrel shifter 소요되는 시간이 비트 수에 관계없이 일정 ALU(Arithmetic and Logic Unit, 산술논리연산장치) 명령어가 필요로 하는 산술연산 및 논리연산을 수행 제어부 명령어 디코딩(decoding) 모듈과 데이터부를 관리하는 제어신호를 만드는 역할을 수행 데이터 처리 명령어 단일 명령어 사이클만을 필요 두 개의 레지스터 오퍼랜드 ABUS에 실리는 데이터 : ALU로 곧장 보내짐 BBUS를 통과하는 데이터 : 배럴 쉬프터에서 쉬프트되어서 ALU로 보내짐 프로그램 카운터 (PC)값 주소 레지스터로 보내져서 명령어를 가져오는(fetch)데 사용 PC값은 다음 명령어를 위해 Incrementer에서 4만큼 증가 시켜서 PC인 r15에 다시 씌어짐

RISC - ARM7 Pipeline ARM7 파이프라인(Pipeline)의 구성 3단계 파이프라인의 구조 한 CPU는 각 단계에 세 개의 명령어까지 동시에 처리 가능 1.Fetch cycle : 명령어를 메모리에서 읽어서 명령파이프 레지스터 (instruction pipeline register)로 옮긴다. 2.Decode cycle : 명령어를 해독해서 다음 단계에서 데이터부에서 필요로 하는 제어 신호들을 생성한다.  이 단계에서는 데이터부에서는 아무 일도 하지 않고 제어부에서만 일을 한다. 3.Execute cycle : 이 단계에서는 데이터부에서만 일을 한다. 레지스터 뱅크에서 두 오퍼랜드를 읽어서 한 오퍼랜드를 지정된 횟수만큼 쉬프트해서 ALU에 입력한다.  ALU는 이 두 데이터를 입력 받고 지정된 연산을 수행해서 결과 값을 다시 destination 레지스터에 저장한다.  CPU가 간단한 데이터 처리 명령만 수행하는 경우 한 명령어가 처리되는데 3 클럭 사이클이 소요 3단계 파이프라인에서는 한 클럭 사이클마다 한 명령어가 처리 한 명령어에 대해서 응답시간 또는 latency : 3 클럭 사이클 

RISC - ARM Pipeline 개념도 ARM7 파이프라인(Pipeline)의 구성

RISC - ARM7 Operating Modes ARM 7 레지스터의 종류, flag 및 예외처리  사용자 프로그램 작성 15개의 범용 32-bit 레지스터 (r0 - r14) program counter(r15) current program status register(CPSR)들을 사용 시스템 프로그램 모드 총 6가지로 분류 Irq(Interrupt request), Abt(Abort), Svc(Supervisor), Fiq(Fast Interrupt request), Und(Undefined) 모드 가 지원 7번째 : System 모드 지원 system 모드는 user mode와 같은 레지스터를 이용

RISC - ARM7 Modes ARM 7 레지스터의 종류, flag 및 예외처리 

RISC - ARM7 상태 레지스터 CPSR CPSR (Current Program Status Register) user-level 프로그램의 condition code를 저장하는데 사용 Condition code의 각 비트 : 산술 및 논리연산결과를 저장 조건분기명령의 조건을 표시 condition code의 구성 Condition code의 하위부분 CPU의 동작모드, 명령어 세트의 종류(I:32-bit 명령, T:16-bit 명령), interrupt enable (I:interrupt Request, F: Fast interrupt request) 이 비트들은 user-level 프로그램에 의해 변화하지 않음

RISC - ARM7 Flag condition code flag (또는 줄여서 flag) N,Z,C,V flag은 CPSR(Current Program Status Register)이라는 32비트 레지스터의 특정한 4비트를 이용하여 표시한다.  프로그래머에게 도움을 주기 위하여 사용 destination register에 저장되어 있는 명령어의 실행 결과 값과 함께 현재 CPU의 상태를 표시하는데 사용 예 : 덧셈 연산에서 발생하는 자리올림을 나타내는 Carry라는 flag 자리올림이 발생했을 경우 C flag은 1이 됨 자리 넘침 또는 oVerflow 상태임을 표시하는 V flag 어떤 산술연산에서 양수와 양수를 더했는데 결과가 음수가 되는 경우 음수에서 음수를 뺄 때 결과 값이 양수가 되는 경우 연산의 결과가 부호 비트를 침범하여 주어진 자리수로 표현이 불가능하게 되어 처리불능 상태에 빠진 것을 나타냄 N flag 연산결과가 양수인지 음수인지를 구분하는데 용이 N flag이 1이면 음수임을 표시 Z flag 어떤 산술연산의 결과 값이 0인 경우에 1이 되는 condition code

RISC - ARM7 16 Condition Codes

RISC - ARM7 Exception 처리 ARM7 Exceptions Exceptions : interrupt, trap, 그리고 supervisor call 처리순서 1. 현재의 상태가 저장된다 ([PC] -> r14_exc, CPSR ->SPSR_exc, 여기서 exc는 exception 종류를 의미한다. 2. Processor는 동작모드를 exception모드로 바꾼다. 3. PC는 0x00에서 0x1C값 중에서 exception의 종류에 따라 한가지 값이 선택된다.  PC의 새로운 주소(vector address라 불림)의 명령어 대개 exception 처리프로그램으로 branch하는 명령어 stack을 가리키는 r13_exc를 사용해서 사용자 레지스터들의 값을 저장 Exception 처리가 다 끝난 뒤에 다시 사용자 프로그램으로 되돌아오려면, stack에 저장되었던 사용자 레지스터들과 PC와 CPSR을 복구

RISC - ARM7 명령어 명령어 버전: V4 ARM 7 명령어 설명 및 어드레싱 모드 ARM7, ARM9 이 포함됨. 3가지 종류로 분류 데이터 이동 명령어 데이터를 메모리에서 읽거나 쓰는데 사용 데이터 처리 명령어 읽어온 명령어를 처리 분기 명령어 데이터에 산술연산 혹은 논리연산을 수행하는 명령 데이터 처리명령을 수행하고 나면 데이터가 변함 데이터 처리명령을 제외한 다른 모든 명령어들은 데이터가 변하지 않음

RISC - ARM7 데이터 처리 명령어 데이터 처리 명령어 모든 ARM 명령어 : 32비트 두 가지 중요한 내용 첫 번째는 어떤 명령을 수행하라는 것 : opcode (operation code)로 표현 두 번째는 그 명령수행에 필요한 데이터가 무엇이다 혹은 어떤 장소에 있다는 내용 ; opcode가 필요로 하는 데이터는 operand라고 부름 예 : ADD   r1, r2, r3       ;r1 = r2 + r3 Opcode : ‘add‘ Operand : r1, r2, r3 r : 레지스터(Register)를 의미 세미콜론(;) : 그 이후의 내용이 주석 혹은 코멘트임을 표시 세미콜론 이후부터 그 줄의 끝까지의 내용을 무시

RISC - ARM7 데이터 처리 명령어 (2) 데이터 처리 명령어 두 개의 입력 오퍼랜드를 이용해서 한 개의 출력 오퍼랜드를 만들어 냄 일반적으로 ARM에서 모든 오퍼랜드들은 32비트의 크기를 가짐 입력 오퍼랜드 r2와 r3 : source operand r2 : first source operand r3 :  second source operand 출력 오퍼랜드 r1 : destination operand

RISC - ARM7 데이터 처리 명령어 (3) 데이터 처리 명령어 레지스터 오퍼랜드 명령어 ADD   r1, r2, r3       ;r1 = r2 + r3 레지스터 r2의 내용과 r3의 내용을 합하여 그 결과를 r1에 저장 오퍼랜드를 표시하는 순서가 역방향 destination register r1이 먼저 표기되고  그 뒤에 first soruce operand r2 와 second source operand r3의 순서 레지스터에 들어있는 데이터가 부호가 없이 양수만 고려한 경우 연산 결과는 carry만 고려 데이터가 부호 비트를 가지는 2의 보수로 간주되는 경우 연산결과는 carry는 물론 자리 넘침(overflow) 까지도 함께 고려해야 함 자리 넘침 양수와 양수를 더했는데 연산결과가 표현 가능한 범위를 넘쳐서 부호 비트로까지 넘쳐서 음수로 표기되는 경우 음수에서 음수를 뺏는데 결과가 양수인 경우도 자리 넘침이 발생한 상태를 의미

RISC - ARM7 데이터 처리 명령어 (4) 데이터 처리 명령어 산술 명령 레지스터 오퍼랜드 명령어 2진 덧셈, 뺄셈 수행하는 내용에 따라, 즉 opcode의 종류에 따라서 다음의 네 가지로 분류 산술 명령 2진 덧셈, 뺄셈 오퍼랜드의 크기는 32비트 부호없이 크기만 사용할 수도 있고 또는 2의 보수를 이용해서 부호있는 숫자로도 사용할 수 있음 ADD   r1, r2, r3       ;r1 = r2+r3             --ADD ADC   r1, r2, r3       ;r1 = r2+r3+C           --ADD w/ carry SUB   r1, r2, r3       ;r1 = r2-r3             --SUB SBC   r1, r2, r3       ;r1 = r2-r3+C-1         --SUB w/ carry RSB   r1, r2, r3       ;r1 = r3-r2             --reverse SUB RSC   r1, r2, r3       ;r1 = r3-r2+C-1         --rev. SUB w/carry MUL   r1, r2, r3       ;r1 = r3×r2             --32bit multiply ADC 명령 : 64비트 덧셈 SBC 명령 : 64비트 뺄셈 MUL 명령어 : 32비트 두 숫자를 곱해서 32비트의 결과를 저장하는 명령어 결과 값이 32비트보다 큰 경우 : ARM의 다른 곱셈 명령어를 사용

RISC - ARM7 데이터 처리 명령어 (5) 데이터 처리 명령어 산술 명령 레지스터 오퍼랜드 명령어 자리올림이 발생 수행하는 내용에 따라, 즉 opcode의 종류에 따라서 다음의 네 가지로 분류 산술 명령 자리올림이 발생 덧셈의 경우 : C flag으로 그 사실을 반영 뺄셈연산의 경우 : 빌려오는 borrow가 발생 뺄셈은 subtraction by addition 즉, second source operand의 2의 보수를 만들어서 더하게 된다.  Second operand가 1처럼 작은 숫자인 경우에는  2의 보수는 0xFFFFFFFF처럼 큰 숫자가 된다.  즉 1과 같은 작은 수를 뺄 때는 borrow가 발생하지 않아야 하지만 (즉, borrow=0 이어야 하지만) 실제로는 2의 보수가 더해지므로 C flag이 1이 된다.  반대로 작은 숫자에서 더 큰 숫자를 뺄 때는 borrow=1 이지만, 큰 수의 2의 보수는 더 작은 숫자가 되므로 C flag이 0이 된다.  따라서 SUB 명령의 borrow 조건은 C flag으로도 표현이 가능하며 이는 NOT(C flag)으로 나타낼 수 있다. 

RISC - ARM7 어드레싱 모드 데이터 처리 명령의 11가지 어드레싱 모드 어드레싱 모드의 의미? 명령어의 Opcode가 사용할 Operand의 표현 방법

RISC - ARM9 개요 ARM7과 같은 V4 architecture 채용 종류 Share the same instruction set 종류 ARM9TDMI 프로세서 코어, ARM920T 프로세서 코어 + MMU for Platform OS 16KB code cache & 16KB data cache 각 cache별 TLB 사용 ARM940T 프로세서 코어 + MPU for Real-time OS 4KB code cache & 4KB data cache

RISC - ARM9 vs. ARM7 Architecture Improvements ARM7: 3-stage => ARM9: 5-stage pipeline architecture ARM7: unified cache=>ARM9: separate cache (Harvard arch.)

RISC - ARM9 : 5-stage Pipeline Arch.

RISC – ARM920T 구조 블록도

RISC - StrongARM ARM v4 프로세서 코어 + PDA용 주변장치 특징 Forwarding 가능한 5단계 파이프라인 16K 바이트 32-way Set Associative 명령어 캐쉬 8K 바이트 32-way Copy-Back 데이터 캐쉬 명령어와 데이터를 위한 분리된 32-entry TLB 데이터 캐쉬 Thrashing 방지를 위한 2-way Set Associative 미니캐쉬 3단계 전력 관리 기능 정상 (Normal) 모드, 대기 (Idle) 모드, 슬립(Sleep) 모드

RISC – SA1110 블록도

그림 2.26 인텔 SA-1111 companion 프로세서 블록도 RISC – SA1111 블록도                                                                                                                                                                                                                            그림 2.26 인텔 SA-1111 companion 프로세서 블록도 SA1110의 주변장치 확장용도.

RISC – SA1110/SA1111 시스템 블록도

RISC – Xscale Microarchitecture Features Arm Architecture Version 5TE ISA 호환 저전력 & 고성능(최대 400MHz) Modified Harvard Architecture instruction cache와 data cache가 분리(2 caches) 32KB Instruction Cache 32KB Data Cache Intel Media Processing Technology Instruction and Data Memory Management Unit Branch Target Buffer Debug Capability via JTAG Port 0.35μm 3 Layer metal CMOS, 2.6 million transistor 256 PBGA package (17 x 17mm)

RISC – Xscale System Integration Features Memory controller Power management controller Normal, idle, sleep mode 지원 USB client Multi channel DMA controller 소프트웨어 프로그램 가능, 외부 DMA 지원 LCD controller AC97 codec I2S Multimedia card: serial interface to standard memory card, FIFO 포함 FIR communication: 적외선 통신 포트 Synchronous serial protocol port I2C

RISC – Xscale System Integration Features 85 GPIO ports irq, “wake up” interrupt 생성 UART Real-time clock and timer 32비트 카운터, 32.7kHz 크리스탈, 정밀도 +/- 5sec/mon OS timer with alarm register Pulse width modulation Interrupt controller 모든 시스템 인터럽트를 라우팅

RISC – XScale 블록도 Architecture : V5TE로 발전

RISC - Xscale 예제 Palm size device - Example

RISC – Xscale memory model

RISC – Xscale caches Instruction Cache 32bit instruction cache 1024 line of 32bytes(8words) 가상 주소 사용 32way 32set associative cache 라운드 로빈 대체 기법 MMU가 enable일 경우 memory management table에 있는 C 비트에 의해 제어 가상 주소에 해당하는 외부 메모리로부터 single word를 읽어오고 cache에는 쓰여지지 않는다. MMU가 disable일 경우 모든 주소에 대해서 C=1이 된다 8word의 linefetch가 수행돼서 라운드 로빈 대체 기법에 의해 cache bank가 대체된다.

RISC – Xscale MM Memory Management

PXA255 Pin Serial Channel 0 (USB) LCDControl Serial Channel 1 UDC- L_DD(15:0) Serial Channel 0 (USB) UDC+ L_FCLK RXD_1 L_LCLK LCDControl Serial Channel 1 TXD_1 L_PCLK RXD_2 L_BIAS Serial Channel 2 (IrDA) TXD_2 Intelⓡ XScale* PXA250 [256-pins] GP(27:0) GPIO Ports RXD_3 nCAS/ DQM(3:0) Serial Channel 3 (UART) TXD_3 nRAS/ nSDCS(3:0) TXD_C nOE RXD_C nWE Serial Channel 4(CODEC) SFRM_C nCS(5:0) Memory Control SCLK_C RDY BATT_FAULT nSDRAS VDD_FAULT nSDCAS Power Management PWR_EN SDCKE<1:0> TCK_BYP SDCLK<2:0> RD/nWR Transceiver Control TESTCLK nPOE PEXTAL nPWE PXTAL nPIOR nPIOW TEXTAL nPCE<2:1> PCMCIA Bus Signals Clocks, Reset and Test TXTAL PSKTSEL nRESET nPREG nPWAIT nRESET_OUT nIOIS16 SMROM_EN A<25:0> Address Bus ROM_SEL TCK D<31:0> Data Bus TDI TDO VDD JTAG TMS VDDX Supply nTRST VSS/VSSX

PXA255 Address Map Reserved (1280 Mbytes) SDRAM Bank 3 (64 Mbytes) 0hFFFF FFFF Reserved (1280 Mbytes) 0hB000 0000 SDRAM Bank 3 (64 Mbytes) 0hAC00 0000 SDRAM Bank 2 (64 Mbytes) Dynamic Memory Interface 256 Mbytes 0hA800 0000 SDRAM Bank 1 (64 Mbytes) 0hA400 0000 SDRAM Bank 0 (64 Mbytes) 0hA000 0000 Reserved (1344 Mbytes) 0h4C00 0000 Memory Mapped registers (Memory Ctl) 0h4800 0000 Memory Mapped registers Interface 192 Mbytes Memory Mapped registers (LCD) 0h4400 0000 Memory Mapped registers (Peripherals) 0h4000 0000 PCMCIA/CF - Slot 1 (256 Mbytes) PCMCIA Interface 512 Mbytes 0h3000 0000 PCMCIA/CF - Slot 0 (256 Mbytes) 0h2000 0000 Reserved (128 Mbytes) 0h1800 0000 Static Chip Select 5 (64 Mbytes) 0h1400 0000 Static Chip Select 4 (64 Mbytes) 0h1000 0000 Static Chip Select 3 (64 Mbytes) Static Memory Interface (ROM, Flash, SRAM) 384 Mbytes 0h0C00 0000 Static Chip Select 2 (64 Mbytes) 0h0800 0000 Static Chip Select 1 (64 Mbytes) 0h0400 0000 Static Chip Select 0 (64 Mbytes) 0h0000 0000

RISC – Xscale running modes PXA255 동작모드

Register File Operand Shifter PXA255 Processor ALU Execute Register File Operand Shifter Instruction Fetch1 Write Back State Execute PC PC - 12 PC - 16 Instruction Fetch2 PC - 4 Instruction Decode PC - 8 Data Cache Access Data Cache Writeback Multiplier Stage1 Multiplier Stage X Multiplier Stage2 F1 RF X1 F2 ID M1 M2 Mx X2 XWB DWB D2 D1 MAC pipeline Main execution pipeline Memory pipeline XScale Core 32Bit RISC 32Bit registers 32Bit instructions Longword aligned 32Bit datapaths 7~8 stage pipeline

ARM HOST BUS, ARM SYSTEM BUS PXA255 Processor(2) Advanced Microcontroller Bus Architecture CPU버스 : A, B, ALU BUS로 구성 Arbiter TIC EBI ARM Bus I/F Bridge On-chip RAM Decoder Timer Remap / Pause Interrupt Controller Reset External ROM AHB or ASB APB Slow Peripherals ARM HOST BUS, ARM SYSTEM BUS 프로세서 내부에 내장된 고속 장치 연결 ARM PERIPHERAL BUS 저속으로 동작하는 장치 연결

Write Buffer for Write Through Processor Cache Write Buffer DRAM A Write Buffer is needed between the Cache and Memory Processor: writes data into the cache and the write buffer Memory controller: write contents of the buffer to memory Write buffer is just a FIFO: Write Buffer는 쓰는 경우의 성능 향상을 위해 존재 캐시 메모리는 명령어, 데이터를 읽을 경우의 성능 향상 CPU가 쓰기 동작을 하는 동안에도 다른 처리를 계속할 수 있도록, 주소와 데이터가 write buffer에 저장 버스의 사용권한이 write buffer에 주어지면 외부장치에 write You are right, memory is too slow. We really didn't writ e to the memory directly. We are writing to a write buffer. Once the data is written into the write buffer and assuming a cache hit, the CPU is done with the write. The memory controller will then move the write buffer’s contents to the real memory behind the scene. The write buffer works as long as the frequency of store is not too high. Notice here, I am referring to the frequency with respect to time, not with respect to number of instructions. Remember the DRAM cycle time we talked about last time. It sets the upper limit on how frequent you can write to the main memory. If the store are too close together or the CPU time is so much faster than the DRAM cycle time, you can end up overflowing the write buffer and the CPU must stop and wait. +2 = 60 min. (Y:40)

Cache organization DATA RAM 32set 8word 4byte 1 2 3 4 5 6 7 Tag CAM 31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Line offset Virtual address Tag Index 32set 8word 4byte DATA RAM 1 2 3 4 5 6 7 31 Fully Associativety 가 16개 중복됨 1line : 8word : 32byte 1set : 32line : 256 word : 1024 byte 동일한 하위번지 가지고 있는 address의 집합 – 512배수로 됨 I or D cache : 16set : 512line : 4096 word : 16Kbyte 데이터가 연속인 주소 공간에 있는 경우 각각 set의 동일한 line이 연속적인 주소 공간임 Index를 통해 16개의 set중에 해당하는 set을 선택한다. 해당하는 set에 선택한 TAG의 값과 일치하는 값이 있으면 hit 이므로 해당하는 값을 데이터 라인에 쓰거나 읽는다. Miss인 경우는 메모리로부터 데이터를 가지고 온다. Index가 많을 수록 연속된 데이터를 가질 확률이 높다. 30 29 28 32 lines Tag CAM To From CPU 3 2 1

PXA255 - 명령어 캐시 명령어 캐시(Instruction Cache) Instructions 32KB Instruction Cache 1024 lines of 32bytes(8words) Uses the virtual address 32-way 32-set associative Round-Robin replacement Mapped via MMU page C bits MMU가 enable 되었을 경우에는 memory management table에 있는 C비트에 의해서 제어된다. MMU가 disable 되었을 경우에는 모든 어드레스에 대하여 C=1인 된다. C=1 또는 MMU가 disable 상태인 경우 miss인 경우 8word의 line fetch가 수행이 되어 Round-robin replacement에 의해서 Cache bank가 대치된다. MMU가 enable되고 C=0인 경우에는 virtual address에 해당하는 외부 메모리로부터 single word를 읽어오고, cache에 쓰여지지 않는다. Instructions IMMU 32 Kbytes I-cache XScale Core PC Main D-cache & Mini-D-cache DMMU Address Data

PXA255 - 데이터 캐시 데이터 캐시(Data Caches) Two Data Caches(Main Data Cache, Mini Data Cache) Both: writeback, read allocate, virtual Mapped via MMU page B, C bits Main Data Cache, 32KB 32-way 32-set associative Round-Robin replacement B=1 & C=1 Mini Data Cache, 2KB 2-way set associative Least Recently Used(LRU) replacement B=0 & C=1 Instructions IMMU 16 Kbyte I-cache XScale Core PC Main D-cache & Mini-D-cache DMMU Address Data

PXA255 - Read Buffer PXA255 Read Buffer Data prefetcher saves processor waiting load & calculate in parallel for Read-Only data supplements the data cache Under software control Coprocessor 15, register #9 4 entries, 32 bytes each Loads of 1, 4, 8 words Replace or invalidate data Instructions I-cache XScale Core PC D-cache & mini-D-cache Address Data Write Buffer 128 Byte Read Buffer System Bus

Virtual Addresses Space Physical Addresses Space PXA255 Memory Management D-CACHE XScale Core Virtual Addresses Space System Memory Instructions Data Descriptors I-CACHE PXA255 MMU Physical Addresses Space VA PA A C B 32 ITLB DTLB TLB Miss Translation Table Base Register Coprocessor에 의한 MMU 지원

PXA255 Processor - CP15 CP15 Register structure Register Purpose ID Register 1 Control 2 Translation Table Base 3 Domain Access Control 5 Fault Staus 6 Fault Address 7 Cache Operations 8 TLB Operations 9 Read Buffer Operations 10 TLB lockdown 13 Process ID Mapping 14 Debug Support 15 Test & Clock Control 4,11~12 UNUSED

PXA255 CoProcessor CP15 register C0 C1 C2 C3 C5 C6 C13 C0 >> 16..23 : Intel Manufacturer 4..15 : Part Number C1 >> M bit0 MMU 0 – On-chip memory-management unit disabled 1 – On-chip memory-management unit enabled A bit1 Address fault 0 – Alignment fault disabled 1 – Alignment fault enable C bit2 D-Cache 0 – Data cache disabled 1 – Data cache enabled W bit3 Write Buffer 0 – Write buffer disabled 1 – Write buffer enabled P bit4 32-bit/26-bit exception handlers. should always be 1. D bit5 32-bit/26-bit Data address range. should always be 1. L bit6 Inplementation defined. should always be 1. B bit7 Little – Bigendian 0 – Little endian operation 1 – Big endian operation S bit8 System R bit9 ROM F bit10 ; Z bit11 ; I bit12 I-Cache 0 – Instruction cache disabled 1 – Instruction cache enabled V bit13 Virtual interrupt vector adjust 0 – Base address of interrupt vectors is 0x0000_0000 1 – Base address of interrupt vectors is 0xFFFF_0000 RR bit14 ; C2 >> 14..31 ; MMU 가 사용하는 Page table 의 Base 번지 C3 >> Domain Register - 메모리접근권한 Manager or Client C5 >> Fault Status C6 >> Fault address / Page Fault 상태와 주소 C5 C6 C13

RISC – PowerPC Power-PC 코어의 특징 1) 정수 값을 가질 수 있는 32개의 범용 레지스터 ( GPRs) 2) 레지스터와 메모리 사이의 자료를 읽고 쓸 수 있는 명령어 3) 파이프라인과 병렬적인 명령어 추출을 쉽게 하기 위한 단일 크기 명령어 구성 4) 정수연산 명령어는 결과를 저장할 레지스터를 정할 수 있음 5) 정확한 예외처리 구조 6) 각 기능을 하드웨어나 소프트웨어로 구현 할 수 있는 유연한 아키텍처 7) 캐시 제어를 위한 사용자 레벨의 명령어 지원 8) 메모리에 대한 약한 일관성 모델 적용 9) 단일 캐시 뿐 만 아니라 명령어와 자료의 분리된 형태의 Harvard 아키텍처 캐시도 지원 10) big-endian뿐만 아니라 little-endian도 지원 11) 32-bit 주소 뿐 만 아니라 64-bit 주소도 지원

MIPS 코어 구조 MIPS 코어 구조도

MIPS 코어 구조 MIPS 코어 구조도

MIPS 코어 구조 MIPS 코어 구조도

MIPS 코어 로드맵 MIPS 코어 로드맵

EISC - 개요 EISC 프로세서의 종류 AE32000의 특징 16비트 32비트: AE32000 64비트 16비트 명령어 구조 하바드 구조 5단계 파이프라인 32비트 연산을 지원하는 ALU 와 Barrel Shifter 32 × 32-bit 곱셈기 CNT명령 : 허프만(Huffman) 디코딩을 효율적으로 지원 MAC (Multiply and ACcumulate) 연산기: DSP 응용

EISC – AE32000 프로세서 블록도

EISC – ANGEL 칩/내부 사진

EISC – 프로세서 모드 : 3 가지 관리자모드 사용자모드 OSI 모드 OS 사용 사용자 모드에서 SWI로 진입; POP SR로 복귀 사용자모드 응용 S/W 모드 사용자에게 할당된 자원만 사용가능 OSI 모드 프로세서의 동작을 디버깅하기 위한 모드 관리자 모드와 동일한 권한을 가짐 관리자 모드와 구분되는 스택을 가짐

EISC – 프로그래밍 모델

EISC – AE32000 레지스터 범용 레지스터 특수 목적 레지스터 16개 할당 순서: 0, 1, 2, 3, 4, 6, 10, 11, 12, 13, 14, 15 5번: 프레임 포인터 7번: 인덱스 레지스터 8, 9번: Argument Passing 용도. 특수 목적 레지스터 9개 PC: Program Counter USP: User Stack Pointer SSP: Supervisor Stack Pointer LR: Link Register ER: Extension Register ML/MH: Multiply result Low/High Register SR: Status Register

EISC – AE32000 레지스터 SR : 15~8 번은 관리자 모드에서만 사용가능 LR : 호출 되었던 원래 위치로 복기 주소 PC : Next Program Address PC = (address of current instruction) + 2 ER : LERI 사용시 부족한 상수 값을 저장 MH/ML : MAC 연산 결과 저장 SP : 3 가지 동작 모드마다 1개의 SP

EISC – SR 프로세서 모드 (bit.15, bit9) : 프로세서의 동작 모드 00 : 슈퍼바이저 모드 / 01 : OSI mode1x : 사용자 모드 NMI (bit.14) : Non-maskable 인터럽트 0 : NMI disable / 1 : NMI enable ENI (bit.13) : 인터럽트 0 : INT disable / 1 : INT enable AUT (bit.12) : 외부 vectored interrupt 0 : Auto-vectored interrupt / 1 : Vectored interrupt Extend (bit.11) : ER 사용 여부 Endianess (bit.10) : 엔디안(endian) 지정 Lock (bit.8) : 임계 구역(critical section)에 대한 제어 Carry (bit.7) : 캐리(carry) Zero (bit.6) : 연산의 결과가 '0'. Sign (bit.5) : 연산의 결과에서 MSB oVerflow (bit.4) : 연산의 결과에서 오버플로우가 발생

SoC – 개요 & Applications SoC 목적: Multi-chip solution => single chip solution 저전력, 소형화, 저가격, 안정성 증가

SoC – 구현방법 ASIC, ASSP, PLD (엑스칼리버)

SoC - ARM AMBA(Advanced Micro-controller Bus Architecture) 이용하여 IP를 연결 AHB (Advanced High-performance Bus): 고속, burst, split 전송 ASB (Advanced System Bus) : 이전 규격 APB (Advanced Peripheral Bus) : 저속