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고성능 디지털 신호 제어용 동급 최고 ARM Cortex-M4 프로세서

ARM (한국대표: 김영섭)은 첨단 MCU(마이크로컨트롤러) 애플리케이션을 위한 혁신적인 Cortex(코어텍스)™-M4 프로세서를 출시한다. Cortex-M4 프로세서는 업계 최고인 ARM® Cortex-M 프로세서 제품군의 장점을 유지하면서 동시에 디지털 신호 제어(DSC: Digital Signal Control) 애플리케이션에 고효율의 솔루션을 제공한다.

Cortex-M4 프로세서는 단일 사이클 MAC(Multiply-Accumulate) 장치, 최적화된 SIMD(Single Instruction Multiple Data)장치, 포화 산술연산 명령어(Saturating arithmetic instructions) 그리고 옵션으로 단일정밀도(single precision) 부동소수점처리장치(FPU: Floating-Point Unit)를 내장하고 있다. 이러한 디지털 신호 제어 기능은 ARM Cortex-M 프로세서 제품군의 특징인 혁신적인 프로세서 기술의 바탕 위에 구축되었다. 주요 기능으로는 1.25DMIPS/MHz 를 지원하는 고성능 32-비트 코어, 최적의 코드 밀도를 실현하는 Thumb(썸)®-2 명령어, 뛰어난 인터럽트 처리를 위한 NVIC(Nested Vector Interrupt Controller) 등이 있다.

이외에도 프로세서 동작의 유연성 증대를 위해, MPU(Memory Protection Unit), 저비용 디버그/트레이스 및 통합 수면 상태(integrated sleep states) 등과 같은 기능도 포함되어 있다. 임베디드 개발자들은 최대 성능과 극도로 낮은 전력 풋프린트를 가진 강력한 최종 제품을 신속하게 개발 및 제공할 수 있게 될 것이다.

특히 새롭게 부상하고 있는 모터 제어, 자동차, 전력 관리, 임베디드 오디오 및 산업 자동화 시장용 플렉서블 솔루션(flexible solution)의 요구사항을 충족하기 위해 고효율 신호 처리 기능과 Cortex-M 프로세서 제품군의 특징인 초저전력, 저비용, 사용 편리성 등이 완벽하게 결합되었다.

고성능 신호 처리와 업계 최고 MCU 기술의 결합

디지털 신호 처리(DSP) 기술 기반의 시장을 분석하는 최고의 시장조사기관인 포워드 컨셉(Forward Concepts) 회장인 윌 스트라우스(Will Strauss)는 “임베디드 시장에서 신호 처리에 대한 요구가 전용 프로세서에서 하이브리드 마이크로컨트롤러로 바뀌고 있다. 이러한 제품들은 최고 수준의 디지털 신호 제어 기능을 구현하면서 다른 처리 연산을 효율적으로 수행할 수 있는 유연성도 동시에 제공한다”면서 “최적의 디지털 신호 제어 처리에 필요한 모든 기능과 Cortex-M 제품군 프로세서의 검증된 저전력 성능이 결합된 Cortex-M4프로세서 출시로 ARM의 파트너사들은 이러한 변화 추세를 십분 활용하게 될 것”이라고 말했다.

Cortex-M4 프로세서는 물리적 구현을 위한 가장 폭넓은 파운드리 및 기술 지원을 제공하는 ARM 피지컬 IP 포트폴리오의 지원을 받는다. 여기에는 초 저전력 구현을 목표로 하는 파트너를 위한 TSMC CE018FG(180ULL) 공정용 Cortex-M Low Power Optimization Package (저전력 최적화 패키지)도 포함된다.

앤더스 룬드그렌(Anders Lundgren), IAR 시스템스의 ARM 제품 매니저는 “Cortex-M4프로세서는 모터 제어, 자동차 및 기타 임베디드 애플리케이션에 효율적인 신호 처리 기능을 제공함으로써 MCU 시장 진화에서 중요한 의미를 갖는다”고 말하고, “딥 임베디드 시스템 관련한 세계 선두 독립 소프트웨어 툴 벤더로서 IAR 시스템스는 전통적으로 ARM MCU 프로세서를 열렬히 지지해 왔으며 이와 같은 지지는 앞으로도 변함이 없을 것”이라고 밝혔다.

고성능 MCU 급 장치를 목표로 하는 파트너들을 위해서는 ARM은 주요 파운드리 공정에 관한 피지컬 IP 솔루션도 제공한다. 차세대 MCU 장치에서 150MHz를 목표 주파수로 하는 경우에는 65nm 글로벌파운드리(GLOBALFOUNDRIES) 65LPe 공정용 ARM 피지컬 IP를 이용하면, 65K 이내의 게이트와 40µW/MHz 이하의 동적 전력 소모를 보이는 Cortex-M4 프로세서 표준 구현이 가능하다. FPU를 포함할 경우는 25K 개의 게이트만 추가하면 되며, 이를 통해 업계 최고의 면적 풋프린트 이내에서 가장 강력한 구현이 가능하다.

SIMD와 FPU용으로 확장된 업계 표준의 ARM 컴파일러를 포함한 Keil(카일)™ MDK-ARM (마이크로컨트롤러 개발 키트)를 통해 Cortex-M4 프로세서용 개발 툴 지원이 제공된다. MDK-ARM은 µVision®4와 완벽한 Cortex-M4 프로세서 명령 시뮬레이션과 함께 첨단 트레이스 기능을 통한 타겟 디버깅도 포함하고 있다.

또한, ARM 아키텍처를 기반으로 하는 제품과 관련하여 설계에서 제작까지 완전한 솔루션을 제공하기 위해 제휴한 기업들로 구성된 업계 최대 규모의 에코시스템인 ARM Connected Community(커넥티드 커뮤니티)™회원사의 개발 툴, 디버거, RTOS 등도 Cortex-M4 프로세서를 지원한다. (세부사항은 아래 참조).

CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard)

Cortex-M4 프로세서는 Cortex-M 프로세서 시리즈를 위한 벤더에 비종속적인 하드웨어 추상 레이어(vendor-independent hardware abstraction layer)인 CMSIS(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)에 의해 완벽히 지원된다. CMSIS는 주변장치와 실시간 운영 시스템(RTOS)용 프로세서에 일관되고 단순한 소프트웨어 인터페이스를 구현해준다.

ARM은 현재 CMSIS를 확대하여 Cortex-M4 프로세서 확장 명령어에 대한 C 컴파일러(Compiler)지원과 MCU사용자들을 위해 신호 처리 프로그램을 쉽게 만들어주는 최적화된 라이브러리를 포함하려고 한다. 이 라이브러리에는 디지털 필터 알고리즘과 수학, 삼각법, 제어 함수 등과 같은 일반 함수가 포함될 것이다. 디지털 필터 알고리즘은 필터 설계 유틸리티와 MatLab(매트랩) 및 LabVIEW(랩뷰) 와 같은 설계 툴 키트와 함께 사용하도록 되어 있다.

이외에도, ARM은 Cortex-M4 하드웨어 및 소프트웨어에 관한 일련의 교육 코스를 개발했다. 이 교육 코스는 프로세서 출시와 함께 제공되어 라이선스 업체들이 Cortex-M4프로세서를 자신의 설계에 효율적으로 통합하고 최소한의 위험과 가장 빠른 시장 출시시간으로 최대 시스템 성능을 구현할 수 있도록 지원 할 것이다.

NXP, ST마이크일렉트로닉스(STMicroelectronics), 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments) 등을 포함해 5개 주요 MCU 반도체 회사들이 Cortex-M4프로세서의 라이선스를 취득했다.

NXP 반도체의 마이크로컨트롤러 제품 라인(Microcontroller Product Line) 본부장인 조프 리스(Geoff Lees)는 “본사의 ARM Cortex 포트폴리오에 ARM Cortex-M4프로세서가 추가됨으로써 본사의 Cortex-M3 와 Cortex-M0 프로세서 기반 장치를 보완하게 되었으며, MCU 커뮤니티에 엔드-투-엔드 솔루션을 제공할 수 있게 되었다”고 말하면서 “Cortex-M4 프로세서는 이제 새로운 수준의 마이크로컨트롤러를 구현하여 신호 처리 시장의 고성능, 저전력 요구를 충족한다”고 덧붙였다.

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ST의 마이크로컨트롤러 사업부문의 32-비트 마케팅 매니저인 세미르 하다드(Semir Haddad)는 “Cortex-M4 프로세서 도입으로 집약적인 수학 연산을 요구하는 애플리케이션까지 Cortex-M코어 사용을 확대 할 수 있게 되었다”면서 “Cortex-M4 프로세서 기반의 제품 라인이 본사 STM32마이크로컨트롤러 라인을 보완하여 본사 고객들은 STM32 확장성과 고급 신호 처리 기능을 결합할 수 있게 되었다”고 말했다.

텍사스 인스트루먼츠의 전세계 스텔라리스(Stellaris®) MCU 마케팅 총괄인 쟝 앤 부스(Jean Anne Booth)는 “Cortex-M4 프로세서는 PID 루프를 생성하며 상위 레벨의 모션 컨트롤을 향상시키고 더욱 신뢰할 수 있게 해줄 뿐 아니라 개발자들이 효율적인 모터 제어로 매우 높은 에너지 절감을 실현할 수 있게 한다”며, “또한 랩뷰나 매트랩/시뮬링크와 같은 메타 랭귀지 툴을 사용하는 비-프로그래머(non-programmer) 들도 ARM MCU 사용에 제한이 없게 되었다. 추가로, 내추럴/네이티브 C와 C++ 애플리케이션도 사용가능하여, 워크스테이션/전화/일반 임베디드 프로세서와 딥 임베디드 시스템에서 동일한 알고리듬을 사용함으로써 개발 시간과 위험을 줄일 수 있다”고 덧붙였다.

ARM의 프로세서 사업 부문 마케팅 부사장인 에릭 숀(Eric Schorn)은 “ARM이 본사 프로세서 제품에 DSP 기능을 포함시키기 시작한지 어느 정도 시간이 지났으며, 애플리케이션 시장에서 굉장한 성공을 거두어 왔다. 그러나 딥 임베디드 장치용으로 디지털 신호 제어 기능을 갖춘 프로세서를 설계 한 것은 이번이 처음”이라면서 “Cortex-M4 프로세서는 모터 컨트롤, 의료 기기, 자동차에서 산업 자동화, 전력 관리, 오디오 애플리케이션에 이르기까지 점점 늘어나는 임베디드 애플리케이션의 늘어나는 신호 처리 요구를 충족하기 위해 설계되었다”고 밝혔다.

아이씨엔 매거진 2010년 03월호

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