KR100798302B1 - 버스 및 네트워크의 복합 통신 수단을 갖는 시스템 온칩 - Google Patents
버스 및 네트워크의 복합 통신 수단을 갖는 시스템 온칩 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 프로세서와 상기 프로세서에 의해서 제어되는 다양한 하드웨어 모듈을 포함하는 시스템 온칩의 통신 구조에 관한 것으로,
본 발명의 시스템 온칩은 상기 시스템 온칩에 포함된 하드웨어 모듈들의 동작을 제어하는 하나 이상의 프로세서와, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 프로세서의 제어를 받아서 동작하는 하나 이상의 슬레이브 모듈과, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 슬레이브 모듈을 제어하되, 상기 프로세서의 제어를 받지 않고 동작하는 하나 이상의 마스터 모듈과, 상기 프로세서와 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 버스와, 상기 마스터 모듈과 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 네트워크를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템 온칩은 두 가지의 데이터 통신 경로를 복합적으로 갖도록 하여, 데이터 전송의 특성에 따라서 서로 다른 통신 경로를 사용하도록 함으로써 우수한 성능의 시스템 온칩을 설계할 수 있도록 하는 효과가 있다.
시스템 온칩, 프로세서, 온칩 버스, 온칩 네트워크
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 시스템 온칩 구조도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 시스템 온칩 구조도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 프로세서
110, 210 : 온칩 버스
120, 220 : 슬레이브 모듈
130, 230 : 온칩 네트워크
140, 240 : 마스터 모듈
250 : 슬레이브-마스터 모듈
본 발명은 하나 이상의 프로세서와 상기 프로세서에 의해서 제어되는 다양한 하드웨어(hardware) 모듈을 포함하는 시스템 온칩 (System On Chip, 이하 "SoC"라 함)의 통신 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 SoC에 포함된 상기 프로세서와 다수의 하드웨어 모듈 사이의 데이터 통신을 효율적으로 수행하기 위해 온칩 버스와 온칩 네트워크와 같은 통신 경로를 복합적으로 갖는 시스템 온칩에 관한 것이다.
일반적으로, 상기 SoC는 시스템 전체를 제어하는 프로세서와 그 프로세서에 의해서 제어되는 다양한 하드웨어 모듈로 구성된다. 상기 하드웨어 모듈은 프로세서의 제어를 받기만 하는 슬레이브(Slave) 모듈과 스스로 다른 슬레이브 모듈에 데이터 통신을 요구할 수 있는 마스터 (Master) 모듈로 구분된다. 경우에 따라서는 하나의 하드웨어 모듈이 슬레이브와 마스터 기능을 겸할 수도 있다.
상기 SoC 내에서의 프로세서와 하드웨어 모듈 간의 데이터 통신을 위해, 종래의 기술들은 프로세서와 하드웨어 모듈을 하나의 공통된 온칩 버스 또는 여러 개의 온칩 버스에 연결하여 데이터를 전송하는 방법을 사용하였으며, 최근에는 온칩 네트워크를 이용하는 방법들이 연구되고 있다.
상기 온칩 버스를 사용하는 가장 대표적인 버스 시스템은 ARM(Advanced RISC Machine) 사의 AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)와, 개방형 코어 프로토콜을 기반으로 하는 소닉사(SONICs Inc.) 의 실리콘 백플레인 마이크로 네트워크(Silicon Backplane Micronetwork) 를 들 수 있다.
상기 AMBA 구조로는 단일 버스 구조를 갖는 ASB(Advanced System Bus) 와 멀티레이어 버스 구조를 갖는 AHB(Advanced Highperformance Bus) 가 대표적이다. 기존의 ASB에서는 하나의 물리적인 버스를 하나의 마스터 모듈이 점유하고 있으면, 다른 마스터 모듈은 통신을 할 수가 없었다. 즉, 한 버스에 하나의 프로세서 또는 마스터 모듈만 존재하는 경우에는 효율적으로 데이터를 전송할 수 있지만, 2개 이상의 프로세서나 마스터 모듈이 연결되면 버스에 대한 주도권을 넘겨주는 시간이 필요하며, 하나의 프로세서나 마스터 모듈이 버스를 사용하고 있으면 다른 프로세서나 마스터 모듈은 버스를 사용하기 위해서 대기하고 있어야 한다.
이를 해결하기 위해 상기 AHB는 멀티레이어로 구성된 여러 개의 물리적인 버스를 사용한다. 이러한 물리적인 버스 간의 통신은 버스 브리지를 이용하여 통신을 하는데 상기 버스 브리지는 동시에 서로 다른 버스를 충돌없이 연결할 수 있는 인터커넥션 매트릭스(Interconnection matrix)구조를 갖는다. 버스 레이어 수에 따라서 동시에 처리할 수 있는 통신량이 증가하지만, 각각의 독립된 버스 레이어마다 중재기와 디코더가 있어야 하기 때문에 많은 마스터 모듈이 동작하는 시스템에서는 버스 레이어를 추가할 때마다 비용이 증가하고 버스 레이어를 변경하는 데이터를 전송하는 경우에 한 사이클이 소모되므로 데이터 처리량이 감소하는 문제점이 있다.
한편, 상기 소닉사의 실리콘 백플레인 마이크로 네트워크는 동일한 버스를 사용하면서 버스를 시분할 하여 점유하도록 하는 방식을 채택하고 있다. 버스에 연결된 마스터 모듈에게 각각 사용할 수 있는 시간 영역을 부여를 하고, 버스 중재기는 정해진 시간 동안만 마스터 모듈에게 버스 사용권을 부여하게 된다. 이렇게 되면 버스에 연결된 마스터 모듈은 하나의 마스터 모듈이 많은 시간을 점유해서 그 시간 동안 버스를 기다릴 필요가 없어지고, 자신의 차례가 되어 필요한 통신이 있 으면 버스를 사용하게 된다. 즉, 마스터 모듈은 대역폭이 낮아진 버스를 마스터 모듈 자신이 계속해서 사용하는 것으로 보이게 된다. 그러나 상기 마스터 모듈에 대해 정해진 시간별로 버스 사용권을 부여하기 위해, 각 마스터 모듈별로 별도의 에이전트가 필요하며, 수십여 개의 마스터 모듈이 사용되는 SoC의 설계에 있어서, 상기 에이전트와 같은 추가적인 구성은 전체 버스 사이즈가 커진다는 점과 비용 증가의 원인이 된다는 문제점이 있다.
한편, 상기 온칩 네트워크 구조는 여러 개의 프로세서나 마스터 모듈이 여러 개의 슬레이브 모듈과 동시에 데이터 전송을 수행할 수 있다. 이는 네트워크의 특징을 그대로 온칩에 적용한 것이다. 상기 온칩 네트워크에서는 하나의 모듈이 네트워크를 사용할 동안 다른 모듈이 네트워크의 사용 요청을 하고 기다리는 것이 아니라 동시에 네트워크를 사용할 수 있는바, 이는 패킷 단위로 데이터를 송수신하는 구성과 상기 패킷을 수집하고 원하는 목적지까지 보내는 역할을 하는 스위치의 구성을 통해 가능하다. 또한, 상기 모듈과 스위치까지 서로 다른 패스로 연결하는 구성에 따라 네트워크를 통해 동시에 여러 패킷을 전송할 수 있다.
한편, 상기 스위치는 패킷이 입력되는 인포트(Inport)와 패킷이 출력되는 아웃포트(Outport), 상기 아웃 포트가 비어있는지 여부를 확인하는 중재기(Arbiter)로 구성된다. 상기 인포트를 통해 여러 목적지를 갖는 패킷들이 입력되면, 상기 패킷의 태그(Tag)를 디코딩해서 중재기에 아웃 포트 요청 신호를 보내며, 중재기는 아웃 포트가 비어 있는 경우 요청신호를 받아들여 인포트에 있는 패킷을 아웃 포트 로 보내게 된다. 아웃 포트 개수만큼의 패킷을 동시에 목적지로 보낼 수 있으며, 아웃 포트가 사용 중이라면 패킷은 인포트에서 대기를 하게 되어 큐잉(Queuing)이 일어나는데, 상기 버스 구조와 비교할 때, 하나의 마스터 모듈이 원하는 모든 작업을 마치는 동안 버스의 사용 승인을 기다리는 것보다는 작은 수의 패킷을 기다리게 될 것이다. 상기와 같은 구성을 통해 상기 마스터 모듈의 대기 시간을 감소시킬 수 있지만, 일반적으로 온칩 네트워크 구조는 첫 데이터의 전송이 온칩 버스에 비해서 시간이 더 걸리는 단점이 있다.
이것은 온칩 버스와 온칩 네트워크의 파이프라인 구조 특성의 차이에 따른 것인데, 상기 온칩 버스의 경우 크게 페치(fetch), 디코딩(decode), 실행(execution)의 단계를 거치는 파이프라인 구조를 가짐에 비하여, 상기 온칩 네트워크는 크게 입력 데이터의 패킷(packet)화 단계, 패킷 라우팅 및 전달 단계, 디패킷(depacket)화의 단계를 거치는 파이프라인 구조를 갖는다. 이때, 경우에 따라서 상기 패킷 라우팅 단계는 1~수 사이클의 시간이 걸릴 수 있어서 상기 온칩 버스 구조에 비해 초기 전달 시간이 더 많이 걸릴 수도 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 온칩 버스와 온칩 네트워크를 복합적으로 적용하여 데이터 전송의 특성에 따라 적합한 통신 경로를 사용하도록 함으로써, 더욱 우수한 성능을 갖는 시스템 온칩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템 온칩은 상기 시스템 온칩에 포함된 하드웨어 모듈들의 동작을 제어하는 하나 이상의 프로세서와, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 프로세서의 제어를 받아서 동작하는 하나 이상의 슬레이브 모듈과, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 슬레이브 모듈을 제어하되, 상기 프로세서의 제어를 받지 않고 동작하는 하나 이상의 마스터 모듈과, 상기 프로세서와 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 버스와, 상기 마스터 모듈과 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 네트워크를 포함한다.
바람직하게, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 슬레이브 모듈을 제어하되, 상기 프로세서의 제어를 받고 동작하는 하나 이상의 슬레이브-마스터 모듈을 더 포함하며, 상기 슬레이브-마스터 모듈은 상기 온칩 버스를 통해 상기 프로세서와 데이터 통신을 하고, 상기 온칩 네트워크를 통해 상기 슬레이브 모듈과 데이터 통신을 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템 온칩의 제1 실시 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 통신의 주체가 되는 프로세서(100), 슬레이브 모듈(120) 및 마스터 모듈(140)이 포함되어 있으며, 통신 경로가 되는 온칩 버스(110)와 온칩 네트워크(140)가 포함되어 있다.
상기 온칩 버스(110)를 통해 통신을 하는 모듈은 상기 프로세서(100)와 슬레 이브 모듈(120)이다. 상기 온칩 버스(110)에 연결된 프로세서(100)는 일반적으로 하나이지만, 필요에 따라 복수 개의 프로세서를 연결할 수 있으며, 상기 프로세서(100)는 상기 슬레이브 모듈(120)에 대해 제어신호를 보내고 슬레이브 모듈(120)로부터 전달받은 데이터를 처리한다. 또한, 상기 슬레이브 모듈(120)은 프로세서의 제어를 받아 각 모듈의 특성에 따라서 시스템 외부나 다른 모듈로부터 데이터를 입력받아서 정해진 동작을 수행하고, 그 결과를 다른 모듈이나 시스템 외부로 전송한다. 이때, 상기 슬레이브 모듈(120)은 상기 프로세서(100)의 제어를 받기만 하며, 능동적으로 통신요구를 하지 않으므로, 통상의 온칩 버스 구조에서 발생하는 문제점인 동일한 버스를 공유하는 다른 마스터 모듈의 대기 문제 등이 없다.
상기 온칩 버스(110)로는 앞서 설명한 AMBA 구조를 갖는 AHB와 ASB 버스 구조 또는 실리콘 백플레인 마이크로 네트워크 구조를 가질 수 있으며, 그 밖에 IBM 사의 CoreConnect 버스 구조, OpenCore 그룹에서 추천하는 Wishbone 버스 구조 또는 별도의 버스 형태를 사용할 수 있으나, 쓰기 또는 읽기 응답 시간이 1~2 사이클 이내로 빠른 버스 구조를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 온칩 네트워크(130)를 통해 통신하는 모듈은 상기 마스터 모듈(140)과 상기 슬레이브 모듈(120)이다. 상기 마스터 모듈(140)은 상기 슬레이브 모듈(120)을 제어하면서 이들에게 데이터를 전송하거나 슬레이브 모듈(120)로부터의 데이터 전송을 요구할 수 있으며, 이들은 상기 프로세서(100)의 제어를 받지않고 동작한다. 이와 같이 각 마스터 모듈(140)은 스스로 다른 슬레이브 모듈(110)에 데이터 통신을 요구할 수 있는바, 복수 개의 마스터 모듈과 복수 개의 슬레이브 모듈을 상기 온칩 버스(110)를 통해 통신하게 할 경우, 버스에 대한 우선권을 갖지 않는 다른 마스터 모듈의 대기 문제가 발생하므로, 온칩 네트워크(130)를 통해 통신하도록 한다.
상기 온칩 네트워크(130)의 쓰기 또는 읽기 응답 시간은 2 사이클 이상이 될 수 있지만, 동시에 여러 경로의 데이터를 전송할 수 있어야 하며, 한 번에 많은 양의 데이터를 전송할 때의 평균 응답 시간은 1 사이클에 가깝도록 짧은 것이 바람직하다.
상기 네트워크 통신구조에서 사용하는 데이터 전송방식으로는 회선 스위칭(circuit-switching) 방식 또는 패킷 스위칭(packet-switching) 방식을 사용할 수 있다. 상기 회선 스위칭 방식은 통신하고자 하는 두 노드 사이에서 데이터를 전송하기 전에 두 노드 간의 물리적인 회선을 먼저 결정하고 이를 독점적으로 사용하는 방식을 말한다.
또한, 상기 패킷 스위칭 방식은 통신하고자 하는 두 노드 사이에 경로가 물리적으로 지정되지 않고 목적지 주소와 전송하고자 하는 데이터가 포함된 패킷을 여러 선로를 통해서 전달하는 방식으로, 패킷 교환기를 통해 패킷을 전달한다. 상기 패킷 교환기는 발신자가 보낸 패킷의 주소에 포함된 도착지 주소를 보고, 목적지로 가는 최적의 경로를 선택하여 다음 교환기로 보내며, 다음 교환기에서도 같은 일이 순차적으로 이루어져 목적지로 전송된다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템 온칩의 제2 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 통신의 주체가 되는 프로세서(200), 슬레이브 모듈(220), 마스터 모듈(240) 및 슬레이브-마스터 모듈(250)이 포함되어 있으며, 통신 경로가 되는 온칩 버스(210)와 온칩 네트워크(240)가 포함되어 있다. 제2 실시 예에서는 상기 제1 실시 예와 달리, 슬레이브-마스터 모듈(250)이 포함되어 있다.
기본적인 통신구조는 상기 제1 실시 예와 거의 같다. 다만, 상기 슬레이브-마스터 모듈(250)은 상기 슬레이브 모듈(220)을 제어하는 상기 마스터 모듈(220)의 특성이 있지만, 직접적으로 상기 프로세서(200)의 제어를 받는 슬레이브 모듈의 특성도 갖추고 있어, 상기 마스터 모듈의 특성과 슬레이브 모듈의 특성을 모두 갖는 모듈로서 동작한다. 상기 슬레이브-마스터 모듈은 상기 슬레이브 모듈을 제어하는 마스터 모듈 중에 프로세서의 제어를 받아야 할 필요가 있는 경우에 사용된다.
이때, 상기 슬레이브 마스터 모듈(250)은 하나 이상 포함될 수 있다.
따라서, 상기 슬레이브-마스터 모듈(250)은 상기 온칩 버스(210)를 통해 상기 프로세서(200)의 제어를 받으며, 상기 온칩 네트워크(230)를 통해 상기 슬레이브 모듈(220)과 데이터 통신을 할 수도 있다. 경우에 따라서는 상기 온칩 버스(210)를 통해 상기 슬레이브 모듈(220)과 데이터 통신을 할 수도 있다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 온칩 버스(210)를 통해 통신을 하는 모듈은 상기 프로세서(200), 슬레이브 모듈(220) 및 슬레이브-마스터 모듈(250)이다. 상기 프로세서(200)와 슬레이브 모듈(220) 간의 통신 구조는 제1 실시 예와 같다.
한편, 상기 슬레이브-마스터 모듈(250)의 통신 구조를 살펴보면, 상기 프로세서(200)가 상기 온칩 버스(210)를 통해 통신을 하는 경우에는 슬레이브-마스터 모듈(250)이 버스를 통한 통신을 시도하기 위해 대기할 수도 있지만, 상기 온칩 네트워크(230)를 통한 통신이 가능하므로 대기할 필요가 없게 된다.
상기 온칩 버스(210)로는 제1 실시 예와 같은 버스 구조를 사용할 수 있다.
한편, 상기 온칩 네트워크(230)를 통해 통신하는 모듈은 상기 마스터 모듈(240), 슬레이브 모듈(220) 및 슬레이브-마스터 모듈(250)이다. 상기 마스터 모듈(240)과 슬레이브 모듈(220) 간의 통신 구조는 제1 실시 예와 같다.
또한, 상기 슬레이브-마스터 모듈(250)은 기본적으로 마스터 모듈로서의 특성을 가지므로, 상기 온칩 네트워크(230)구조에서 노드가 하나 더 추가된다는 점 외에는 통신 구조 자체에 큰 변화가 없다. 따라서, 상기 슬레이브-마스터 모듈(250)은 상기 마스터모듈(240)과 마찬가지로 상기 슬레이브 모듈(220)에 데이터를 전송하거나 슬레이브 모듈(220)들로부터의 데이터 전송을 요구할 수 있다.
상기 온칩 네트워크(230)로는 제1 실시 예와 같은 네트워크 구조를 사용할 수 있다.
본 발명은 하나 이상의 프로세서와 하나 이상의 하드웨어 모듈로 구성되는 시스템 온칩의 통신 구조를 제시한 것으로, 본 발명에 따른 시스템 온칩은 두 가지 의 데이터 통신 경로를 복합적으로 갖도록 하여, 데이터 전송의 특성에 따라서 서로 다른 통신 경로를 사용하도록 함으로써 우수한 성능의 시스템 온칩을 설계할 수 있도록 하는 효과가 있다.
Claims (4)
- 시스템 온칩에 있어서,상기 시스템 온칩에 포함된 하드웨어 모듈들의 동작을 제어하는 하나 이상의 프로세서와,상기 하드웨어 모듈들 중 상기 프로세서의 제어를 받아서 동작하는 하나 이상의 슬레이브 모듈과,상기 하드웨어 모듈들 중 상기 슬레이브 모듈을 제어하되, 상기 프로세서의 제어를 받지 않고 동작하는 하나 이상의 마스터 모듈과,상기 프로세서와 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 버스와,상기 마스터 모듈과 상기 슬레이브 모듈 사이의 데이터 통신 경로가 되는 온칩 네트워크를 포함하는 시스템 온칩.
- 제1항에 있어서, 상기 하드웨어 모듈들 중 상기 슬레이브 모듈을 제어하되, 상기 프로세서의 제어를 받고 동작하는 하나 이상의 슬레이브-마스터 모듈을 더 포함하는 시스템 온칩.
- 제2항에 있어서, 상기 슬레이브-마스터 모듈은 상기 온칩 버스를 통해 상기 프로세서와 데이터 통신을 하고, 상기 온칩 네트워크를 통해 상기 슬레이브 모듈과 데이터 통신을 하는 것을 특징으로 하는 시스템 온칩.
- 제3항에 있어서, 상기 슬레이브-마스터 모듈은 상기 프로세서가 상기 온칩 버스를 사용하지 않는 동안에 상기 온칩 버스를 통해 상기 슬레이브 모듈과 데이터 통신을 하는 것을 특징으로 하는 시스템 온칩.
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