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CISC 임베디드 컨트롤러를 위한 새로운 비동기 파이프라인 아키텍쳐, A8051
A New Asynchronous Pipeline Architecture for CISC type Embedded Micro-Controller, A8051

이제훈   (충북대학교 정보통신공학과 및 컴퓨터 정보통신연구소UU0001309  ); 조경록   (충북대학교 전기전자공학부UU0001309  );
  • 초록

    비동기 설계 기법은 시스템 클럭을 사용하지 않고, 동작이 필요한 모듈만 활성화시켜 전력 및 성능면에서 동기식 설계 기법에 비해 높은 성능을 갖는다. 본 논문은 임베디드 컨트롤러인 Intel 80csl과 완전한 명령어 호환성을 갖고, 비동기식 파이프라인 구조로 최적화된 A8051 아키텍쳐를 제안한다. 다양한 어드레싱 모드와 명령어를 제공하는 CISC 명령어 수행 스킴은 동기식 파이프라인 구조에 적합하지 않고 많은 오버헤드를 유발한다. 본 논문에서는 명령어 실행 사이클을 비동기식 파이프라인 수행에 적합하도록 명령어별로 그룹화하고, 동기화 및 다중 실행 사이클로 인한 오버헤드로 발생된 버블을 제거함으로서 최적화하였다. 또한 적합한 분기 처리 기법 및 가변적인 명령어 길이의 처리 방법을 제시함으로서 명령어 수행시 필요한 상태 수를 최소화하고, 명령어 수행의 병렬성을 증가시켰다. 제안된 A8051 아키텍쳐는 Verilog HDL로 설계하여 0.,35㎛ CMOS 공정 표준 셀 라이브러리로 합성하였다. 실험 결과로 A8051은 36㎒ 클럭을 사용하는 인텔 80C51과 다른 비동기 80C51에 비해 약 24배의 성능 향상을 얻었다.


    The asynchronous design methods proved to have the higher performance in power consumption and execution speed than synchronous ones because it just needs to activate the required module without feeding clock in the system. Despite the advantage of CISC machine providing the variable addressing modes and instructions, its execution scheme is hardly suited for a synchronous Pipeline architecture and incurs a lot of overhead. This paper proposes a novel asynchronous pipeline architecture, A80sl, whose instruction set is fully compatible with that of Intel 80C51, an embedded micro controller. We classify the instructions into the group keeping the same execution scheme for the asynchronous pipeline and optimize it eliminating the bubble stage that comes from the overhead of the multi-cycle execution. The new methodologies for branch and various instruction lengths are suggested to minimize the number of states required for instructions execution and to increase its parallelism. The proposed A80C51 architecture is synthesized with 0.35 ${\mu}{\textrm}{m}$ CMOS standard cell library. The simulation results show higher speed than that of Intel 80C51 with 36 MHz and other asynchronous counterparts by 24 times.


  • 주제어

    혼성신호 테스트 .   오실레이.  

  • 참고문헌 (10)

    1. Intel, 'Microprocessor and Peripheral Hand book,' 1997 
    2. D. Sima, T. Fountain and P. Kacsuk, 'Advanced Computer Architecture : A Design Space Approach,' Addison-wesley, 1997 
    3. Jamin M. C.Tse and Daniel P. K. Lun, 'ASYNMPU : A Fully Asynchronous CISC Micro-processor,' ISCAS 1997, pp. 1816-1819, 1997 
    4. H. van Gageldonk, D. Baumann, K van Berkel, D.Gloor, A.Peeters, and G. Stegmann, 'An asynchronous low-power 80C51 microcontroller,' Proc. International Symposium on Advanced Research in Asynchronous Circuits and Systems, pp. 96-107, 1998 
    5. I. E. Sutherland, 'Micropipelines,' Communication of the ACM, Vol. 32, No. 6, pp. 720-739, 1989 
    6. S. B. Furber, J. D. Garside, D. A. Gilbert, 'AMULET3 : a high-performance self-timed ARM microprocessor,', Proc. ICCD'98, pp. 247-252, 1998 
    7. M. B. Josephs, S. M. Nowic, C. H. Van Berkel, 'Modeling an Design fo Asynchronous Circuites,' Proc. the IEEE, Vol. 87, pp. 234-242, Feb, 1999 
    8. K. R. Cho, K. Okura, K. Asada, 'Design of a 32-bit Fully Asynchronous Microprocessor (FAM),' Proc. 35th Midwest Symp. on Circuits and Systems, Vol. 2, pp. 1500-1503, 1992 
    9. T. Nanya et al., 'TITAC-2 : an asynchronous 32-bit microprocessor based on scalable-delay-insensitive model,' Prco. ICCD'97, pp. 288-294, 1997 
    10. S. Hauck, 'Asynchronous design methodologes : an overview,' Proc. the IEEE, Vol. 83, No 1, pp. 69-93, Jan, 1995 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (1)

    1. Lee, Je-Hoon 2012. "Instruction-level Power Model for Asynchronous Processor, A8051" 한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, 12(7): 11~20     

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  • Cho, Kyoung-Rok (72)

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    8. 1998 "DS-CDMA 셀룰러 시스템에서 핸드오프 유형별 제공률 분석 및 성능 개선 방법" 電子工學會論文誌. Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics S. S s35 (9): 1~8    
    9. 1999 "다중사용자 환경에서 비선형 전력증폭기로 인한 DS/CDMA의 순방향 성능 분석" 韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 10 (4): 479~486    
    10. 1999 "적응 탐색 영역을 가지는 고속 움직임 추정 알고리즘" 정보과학회논문지. Journal of KISS (a):computer systems and theory. A 26 (8): 966~974    

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