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Module 17 : 통신시스템 SoC Platform 구조

Module 17 : 통신시스템 SoC Platform 구조 . 김재석 교수 ( 연세대학교 ). ( 모듈 17) 목차. SoC Platform 의 정의 및 개요 통신 시스템 SoC Platform 구조 통신 시스템 Platform 예제. SoC Platform 의 정의 및 개요. Platform 정의 주어진 성능 및 기능을 만족시키는 parameterizable/programmable 모듈들의 집합체

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Module 17 : 통신시스템 SoC Platform 구조

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  1. Module 17: 통신시스템 SoC Platform 구조 • 김재석 교수 • (연세대학교)

  2. (모듈17) 목차 • SoC Platform 의 정의 및 개요 • 통신 시스템 SoC Platform 구조 • 통신 시스템 Platform 예제 Copyrightⓒ2003

  3. SoC Platform 의 정의 및 개요 • Platform 정의 • 주어진 성능 및 기능을 만족시키는 parameterizable/programmable 모듈들의 집합체 • 설계 재사용의 극대화를 위해 모듈간에 표준화된 Interface 를 제공하고, 표준화된 모듈간 통신을 수행할 수 있는 기반 • 하드웨어 구조의 유사성으로부터 공통적인 요소를 추출하여 다양한 시스템 구현에 적용할 수 있는 설계 자원 Copyrightⓒ2003

  4. SoC Platform 의 정의 및 개요 • Platform 기반 설계 • 시스템 구현을 위한 Time-to-market 을 줄이기 위하여 Platform 을 사용하여 설계 및 검증 진행 • 새로운 모듈을 설계하여 시스템 구성하거나 이미 설계되고 검증된 IP를 사용 • 프로그래머블 모듈 설계를 통하여 시스템 변경을 원활히 수행 • SoC 구현 방법론으로써의 Platform 기반 설계 • SoC 구현을 위한 설계흐름 초기단계에서부터 Platform 적용 • 설계단계별 Platform 기반 구현 및 검증 과정 진행 • 시뮬레이션, 에뮬레이션 단계에서 Platform 구체화 • 최종 SoC 구현 시 구체화된 Platform 이용 Copyrightⓒ2003

  5. 통신 시스템 Platform • 통신 시스템 Platform • 통신 시스템 개발, 검증 및 구현 과정에서 공통적으로 사용될 수 있는 시스템 수준 설계 자원 • 구성 모듈 개발 단계에서 수정 및 검증이 자유롭게 진행 될 수 있는 구조 • 통신 시스템 구현에 필요한 소프트웨어 및 하드웨어를 처리할 수 있는 구조 • 고속 데이터 통신 시스템 구현을 지원할 수 있는 고속 연산 및 데이터 처리가 가능한 전용 하드웨어 필요 • 무선 통신 시스템의 경우에는 Analog RF 부분과 연동할 수 있는 Interface 포함 Copyrightⓒ2003

  6. 통신 시스템 Platform • 통신 시스템 Platform의 필요성 • 다수의 통신 체계가 공존하는 유,무선 통신 환경 • 통신 방식 별 여러 가지 국제표준 제정 • 여러 가지 표준의 변화에 빠르게 대처하기 위한 방법 필요 • 개발 시작단계에서부터 최종 구현단계까지 모두 적용할 수 있는 통일된 설계 기반 필요 • 설계 시간의 단축을 통한 시장 경쟁력 강화 • SoC 구현을 목적으로 할 때, Platform 기반 설계의 중요성 증대 • 통신 시스템 Platform 구현 경향 • Software Defined Radio • Reconfigurable Platform Copyrightⓒ2003

  7. Software Defined Radio • SDR 의 개념 • 다중 대역, 다중 모드 무선(전 세계적인 로밍) • 수신 신호가 IF 단에서 디지털화되거나 Zero IF 방식 사용 • 모든 프로토콜 스택 계층이 소프트웨어로 정의 • 대부분의 기능이 DSP 및 Reconfigurable Computing Chip에 의해 처리 • 특정 기능을 고속 처리하기 위한 하드웨어 블록 사용 • SDR 의 특징 • 이종 시스템간의 상호 운용성 • 이전 기술과의 호환성(Backward Compatibility) • 미래 안정적(Future-Proof) 시스템 개발 • 이동통신 시스템의 제품 수명(Life Cycle) 최대화 Copyrightⓒ2003

  8. Software Defined Radio • SDR 기술 개요 • 미래의 변화에 대응할 수 있는 유연한 시스템 구조 • API, 객체 지향 프레임 워크를 이용한 개방형 구조 • SDR 장치 재구성을 위한 소프트웨어 다운로드 • 소프트웨어 다운로드 • 프로토콜 스택, 물리계층 configuration 소프트웨어, 제어 소프트웨어 다운로드 • 성능향상을 위한 새로운 소프트웨어나 파라미터의 다운로드 • 사용자 응용 프로그램, 새로운 GUI 다운로드 • 소프트웨어 패치 다운로드 • SIM 카드, 네트워크 터미널, PC, 무선(Over-the-air) 등을 통한 다운로드 Copyrightⓒ2003

  9. C C C C I/O Air I/O I/O Message Process & I/O Baseband RF Antenna Multimedia Voice C Data Flow control Network Control C C DSPFPGA ASICI/F DAC / ADC Synthesizer Power µP / µC I/FI/F chipset Software Defined Radio • SDR 기본 구조 • RF 단 : 수신된 신호를 IF 혹은 BASEBAND 신호로 변환 • BASEBAND 단 : 변조부, 채널 코덱부, 채널화기, 암호화부, 시간/위상 추적부 • Message Process & IO 단 : Rate Conversion, Vocoding 방법 변환, 데이터의 적절한 라우팅과 포맷결정 Copyrightⓒ2003

  10. Software Defined Radio • SDR 단말기 구성 • 라디오 기능 라이브러리 • 기본 라디오 기능을 표현한 소프트웨어 집합 • DAC, ADC와 같은 하드웨어를 위한 제어 프로그램, DSP 내의 모뎀 기능 프로그램 • 소프트웨어 규정 언어 • 각 통신규격의 spec.을 표현한 상위 수준 언어 • 디지털 라디오 프로세서 • 여러 통신 규격 수용 가능한 범용 하드웨어 기능 모듈 • ADC, DAC, FPGA, DSP • 광대역 RF 단 • 여러 RF spec.을 수용하는 범용 RF 단 Copyrightⓒ2003

  11. Software Defined Radio • SDR 구현을 위한 하드웨어 • CPU, DSP, ASIC, FPGA 소자 선택 기준 • 프로그램 능력(Programmability) : 각 규격의 원하는 기능을 수행하기 위해 장치를 재구성할 수 있는 능력 • 집적도(Level of Integration) : 여러 기능을 하나의 장치에 집적 할 수 있는 능력 • 개발 기간(Development Cycle) : 디지털 라디오 기능을 개발, 구현, 테스트하기 위해 소요되는 시간 • 성능(Performance) : 요구되는 시간 안에 기능을 수행할 수 있는 능력 • 전력 소비(Power) : 요구되는 기능을 수행하는 데 소요되는 전력 Copyrightⓒ2003

  12. Software Defined Radio • 소자에 따른 성능 비교 Copyrightⓒ2003

  13. Software Defined Radio • FPGA 와 DSP 비교 Copyrightⓒ2003

  14. SDR 예제 시스템 • CDMAx IP(Sirius Communcations) • 3G 통신용 IP 코어 • 소프트웨어 재구성에 의한 멀티 서비스 지원 • GPS 수신을 위한 재구성 가능 • ARM7TDMI에 의한 재구성 • 다기능 RF 인터페이스 • 8kbps부터 2Mbps까지의 다양한 전송률과 사용되는 채널 수를 ARM-based subsystem이 제어 • 프로그래머블 파형 성형 필터 • 변경 가능한 Rake/searcher 구조 Copyrightⓒ2003

  15. SDR 예제 시스템 • CDMAx IP 구성 블록도 http://www.infoquorum.com/Sirius/ Copyrightⓒ2003

  16. Reconfigurable Platform • Reconfigurable Platform 개요 • 플랫폼은 주어진 성능 및 기능을 만족시키는 parameterizable/programmable 모듈들의 집합체 • sub module의 선택적 재구성을 통한 새로운 시스템 재창출 • sub module들의 독립성과 가변성 유지 필요 • Reconfigurable Platform 필요성 • 4세대 이동 통신 환경의 특징 : Multi-Standard 공존 • 수평적/수직적 핸드오버 지원 필수 • 다양한 통신 규격에 적용 가능한 구조 : Reconfigurable platform 기반의 시스템 설계 Copyrightⓒ2003

  17. Reconfigurable Platform • SDR 과의 유사점 • 다양한 시스템 표준에 적용 가능하도록 구현하기 위한 설계방안 • 하드웨어의 변경 없어 외부에서의 재구성이 가능 • 동일 플랫폼 기반으로 다양한 솔루션 제공 가능 • SDR 과의 차이점 • 소프트웨어를 통한 재구성 뿐만 아니라, 구성 블록의 선택을 통한 하드웨어 재구성도 가능 • SDR 보다 좀더 하드웨어 중심의 Platform 구조 • 특화된 기능의 효율적인 구현이 SDR 보다 용이 Copyrightⓒ2003

  18. Reconfigurable Platform 예제 • Chameleon Structure • 3개의 코어로 구성 • 32-bit 임베디드 프로세서 subsystem • 고성능 32-bit reconfigurable processing fabric • eConfigurable Technology • 32-bit ARC control processor • 32-bit 인터페이스 • 64-bit 고성능 메모리 컨트롤러 • 108 parallel computation units http://chameleon.ctit.utwente.nl Copyrightⓒ2003

  19. 통신 시스템 Platform 예제 Copyrightⓒ2003

  20. 통신 시스템 Platform 예제[1] • TI OMAP1701 • 휴대폰 및 모바일 기기용 최신 application processor • 90nm 공정을 사용한 소형 저전력 고성능 지향 • 다양한 application 의 병렬 처리 가능 • OMAP Multi-engine Architecture 사용으로 여러 기능들 및 서비스를 동시에 제공 가능 • 뛰어난 소프트웨어 유연성, 향상된 멀티미디어 성능 제공 • 소프트웨어 설계 환경을 완전히 구축하고 있어, 사용자의 편의 최적화 Copyrightⓒ2003

  21. 통신 시스템 Platform 예제[1] • OMAP1701 주요 Parameters • 저전력 90nm 공정 사용 • 코어 전력 1.3V, I/O 1.8V • TMS302C55x DSP core • 최대 220MHz 동작 • 24KB Instruction cache 사용 • Video hardware accelerators • ARM926TEJ CPU core • 최대 220MHz 동작 • 32KB Instruction cache 사용 • 32-bit Instruction set 지원 • Memory traffic controller • 다양한 application subsystem 구성 Copyrightⓒ2003

  22. 통신 시스템 Platform 예제[1] • OMAP1701 블록도 http://www.ti.com Copyrightⓒ2003

  23. 통신 시스템 Platform 예제[2] • cdma2000 1x solution • STmicroelectronics 와 TI 양사의 상호 보완 기술 적용 • cdma2000 1x 표준을 지원하는 유연한 오픈 솔루션 • 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼 제공으로 디자인 간소화 • TI 제공 기술 • Digital baseband • RF receiver, transmitter • 다양한 application subsystems • STmicroelectronics 제공 기술 • 통합 analog baseband • Power management • 4개의 블록으로 communication chain 구성 Copyrightⓒ2003

  24. 통신 시스템 Platform 예제[2] • cdma2000 1x solution 블록도 http://www.ti.com Copyrightⓒ2003

  25. 통신 시스템 Platform 예제[3] • SystemonIC TONDELAYO 1 • 802.11a (5GHz) 와 802.11b (2.4GHz) 시스템 통합 구현 • SystemonIC 자사의 OnDSP 기반 Platform • Time-critical 802.11 MAC 기능 수행 • 10bit DACs, ADCs for Tx and Rx • 연산 및 고속동작이 필요한 Filter와 Channel Decoder 는 전용 Hardware 블록으로 구현 • Driver update 를 통한 통신 프로토콜 수정이나 알고리즘 개선이 가능하도록 설계 Copyrightⓒ2003

  26. 통신 시스템 Platform 예제[3] • SystemonIC TONDELAYO 1 주요 Parameters • 0.18 um 공정 사용 • Maximum 54Mbps 지원 • CSMA/CA MAC 기능 지원 • 40-bit / 120-bit 암호화 지원 • 3.3V, 1.8V 동작 전원 • 700 mW ~ 887 mW 소비 전력 • Switched Antenna Diversity 지원 • Analog /Digital 제어 AGC Copyrightⓒ2003

  27. 통신 시스템 Platform 예제[3] http://www.systemonic.com Copyrightⓒ2003

  28. 통신 Platform 구현 예제 Copyrightⓒ2003

  29. 통신 Platform 구조 • 통신 Platform 구조 연구 • Emulation Platform 구조 • Flexibility : Processor 기반의 S/W 설계 • Performance : Logic 기반의 H/W 설계 • 두 관점의 trade-off 를 고려한 구조 제안 • 통신시스템용 SoC Platform 구조 • 통신시스템 분석을 통한 Platform 구성 • 통신시스템 구현을 위한 SoC Platform 구조 제안 • Component 간의 데이터 교환을 위한 IP Networking에 대한 연구 필요 Copyrightⓒ2003

  30. Xilinx Virtex II FPGA Teak DSP Configure S/W H/W Analog Interface LCD Display 10bit/40MHz ADC/DAC 구동/통신 기능 지원 Network 기능 지원 Ethernet Interface CMOS image Sensor Excalibur (ARM922T) RTOS 표준 Interface USB2.0 Actuator Controller 통신 Platform 구조 • Emulation Platform 구조 • CPU+DSP+FPGA구조 • ARM922T • Xpert-Teak DSP • Xilinx FPGA (Virtex II) • RTOS (Qplus) • 다양한 Peripherals 연결 • 구동/통신기능 • 아날로그 Interface (ADC/DAC) • Network 기능 (Ethernet) [통신 Platform 구성도] Copyrightⓒ2003

  31. 통신 Platform 구조 • Emulation Platform 구조 • Emulation Platform 은 Flexibility 가 우선됨 • CPU/DSP 와 같은 Processor 기반 구조 필요 • S/W 개발 환경 구축 • Logic 설계를 위한 FPGA 사용 • 성능향상을 위한 하드웨어 블록 구현 가능 • 전용 H/W 개발 환경 구축 • 다양한 연동 구조를 이용한 시스템 개발 및 검증 가능 • AMBA 버스를 통한 CPU/FPGA 연동 구조 • 개발중인 CPU/DSP/FPGA 연동을 통한 다중코어 구조 Copyrightⓒ2003

  32. 통신 Platform 구조 • 통신용 SoC Platform 구조 • 통신 시스템 분석 • 통신방식이 동일한 시스템은 유사한 하드웨어 구조를 기반으로 시스템 parameter를 조절함으로써 구현 가능 - 여러 시스템을 동일한 Platform 기반으로 구현 • Communication Chain을 구성하는 블록은 동작속도를 기준으로 SW/HW 분할이 가능함 - Flexibility와 Performance 간의 Trade-off 에 따라 선택 • S/W로 처리하는 블록들도 Parallel operation 필요 - Multi-DSP 구조 • H/W는 고속 처리 블록을 위한 전용하드웨어 역할 수행 - H/W Accelerator 구조 Copyrightⓒ2003

  33. MEMORY CPU Peripheral IP NETWORK DSP DSP DSP M M M DAC DSP ctrl. HW ctrl. Accelerator ADC Accelerator 통신 Platform 구조 • 통신용 SoC Platform 구조 • 핵심 연구 내용 • IP Network 구조연구 - 기존 연구 분석 - 통신시스템에 적합한 구조 연구 • 시스템 Scheduling 방안연구 • Multi-DSP 사용을 위한 DSP 제어회로 구성 방안 연구 - 메모리 제어방안 - HW 블록과의 연동방안 [통신용 SoC Platform 구성도] Copyrightⓒ2003

  34. 통신 Platform 구조 • 통신용 Platform 예제 선정 및 설계 • 예제 시스템 선정 • OFDM 기반의 802.11a WLAN system • 시스템 분석 및 구현 • Floating-point C 기반 상위수준 설계 • Fixed-point C 기반 DSP Source code 작성 • TI 320C6201 DSP 상에서 시스템 동작 및 성능 검증 • Real-time 구현을 위한 전용 HW 블록 선정 및 설계 • 전체 시스템의 HW 설계 및 검증 Copyrightⓒ2003

  35. Scrambler Encoder/ Puncturer Interleaver Modulator Pilot/Null Insertion IFFT GI DAC De- scrambler Viterbi Decoder De- interleaver De- modulator remove Pilot/Null FFT remove GI ADC Sync. 통신 Platform 구조 • 예제 시스템 : 802.11a WLAN 시스템 • 송수신 Block Diagram • 주요 Timing Spec. Parameters Copyrightⓒ2003

  36. 통신 Platform 구조 • 예제 시스템의 DSP 구현 • 주요 블록의 DSP 구현 cycle • 802.11a 시스템 전체 구현, 16QAM Modulation • TI TMS320C6201 DSP 사용 (동작주파수 : 200MHz) Viterbi decoder, FFT Module 은 사용한 DSP 로 구현할 경우 Timing Spec. 을 만족하지 못하므로, Real-time구현 할 수 없음 전용 Hardware block으로 구현 Copyrightⓒ2003

  37. 통신 Platform 구조 • 전용 Hardware block 의 구현 • Viterbi Decoder module • Sliding window 방식을 사용한 Memory-Efficient 구조 • gate : 109k (samsung 0.35u) • Maximum clk frequency : 51.3MHz (FPGA based) • FFT/IFFT module • 3.2us 64-point FFT block • gate : 50k (samsung 0.35u) • Maximum clk frequency : 22.3MHz (FPGA based) Copyrightⓒ2003

  38. Scrambler Encoder/ Puncturer Interleaver Modulator Pilot/Null Insertion IFFT GI DAC Excalibur (ARM922T) RTOS DSP 구현 Xilinx Virtex II FPGA HW Accelerator 구현 Teak DSP Configure De- scrambler Viterbi Decoder De- interleaver De- modulator remove Pilot/Null FFT remove GI ADC Sync. 통신 Platform 구조 • 시스템 구현 Example DSP 와 전용 HW block 의 조합으로 Real-time 구현이 가능함 Copyrightⓒ2003

  39. Summary • Platform 정의 및 Platform 기반 설계에 대한 개념 이해 • 통신 시스템 Platform 의 개념 및 필요성 • 차세대 통신 시스템 구현을 위한 Platform 기반 설계 필요 • 통신 시스템 Platform 의 구성 요소 및 각 요소의 특징 • 통신 시스템 Platform 구성 방법과 그에 따른 예제 • 통신 시스템 Platform 을 통한 시스템 구현 예제 Copyrightⓒ2003

  40. (모듈17) 참고문헌 • Shousheng He and Mats Torkelson "Design and Implementation of 1024-point Pipeline FFT Processor", 1998 • Shousheng He and Mats Torkelson "Designing Pipeline FFT processor for OFDM Modulation", 1998 • Adam Robert Miller "Development and Verification of Parameterized Digital Signal Processing Macros for Microelectronic Systems", 2003 • Shousheng He and Mats Torkelson "A New Approach to Pipeline FFT Processor", 1996 • 김재석, 정윤호, 탁연지 “무선 LAN 및 DAB 시스템용 고속 FFT 모듈 설계에 관한 연구”, 2001 • 김재석, 조용수, 조중휘 “이동통신용 모뎀의 VLSI 설계”2001 • 조병각. 손병수, 선우명훈 “OFDM 시스템을 위한 고속 FFT 프로세서”2002 Copyrightⓒ2003

  41. (모듈17) 참고문헌 • http://www.ti.com • http://www.ti.com/cdmasolutions • http://www.infoquorum.com/Sirius/ • http://www.systemonic.com • http://chameleon.ctit.utwente.nl Copyrightⓒ2003

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