본문내용
1. 디지털 논리 설계
1.1. 디지털 논리 기술의 이해
1.1.1. PROM, PAL, CPLD, FPGA의 특징 및 차이점
PROM, PAL, CPLD, FPGA의 특징 및 차이점은 다음과 같다.
PROM은 일회성 프로그래밍이 가능한 ROM으로, 내용을 한 번 기록하면 변경할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 신뢰성이 높고 자료를 영구적으로 보존할 수 있으며, 가격이 싸고 속도가 빠르다는 장점이 있다. 주로 비디오 게임기나 전자사전 등에 사용된다.
PAL은 논리 기능 변경이 용이하고 부품 비용이 절감된다는 장점이 있지만, ASIC 대비 속도가 느리고 개발 환경 구축이 어렵다는 단점이 있다.
CPLD는 NRE 비용 없이 회로를 고치고 재사용할 수 있어 개발 효율성이 높다. 하지만 ASIC에 비해 고속 동작이 어렵고 복잡한 설계에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
FPGA는 수백만 게이트를 포함할 수 있는 매우 높은 집적도를 가지며, PLD와 게이트 어레이의 장점을 결합한 것이다. 개발 시간이 짧고 현장에서 재프로그래밍이 가능하며 초기 개발비용이 저렴하다는 장점이 있다. 반면에 ASIC 대용품보다 느리고 복잡한 설계에 적용하기 어려우며 소비 전력이 크다는 단점이 있다.
종합하면, PROM은 신뢰성과 속도가 빠르지만 한 번 프로그래밍하면 변경이 불가능하고, PAL은 논리 기능 변경이 용이하지만 속도가 느리다. CPLD는 재사용이 가능하지만 고속 동작이 어렵고, FPGA는 집적도가 높고 유연성이 뛰어나지만 ASIC에 비해 성능이 떨어진다고 할 수 있다.
1.1.2. FPGA의 휘발성 특성
FPGA는 기본 구성이 SRAM으로 되어있어 휘발성(volatile)의 특성을 가지고 있다. 즉, 전원을 껐다 다시 켜게 되면 내부에 있던 데이터가 전부 사라지게 된다. 이는 FPGA가 SRAM 기술을 이용하여 구현되었기 때문이다. SRAM은 전원이 공급되는 동안만 데이터를 유지할 수 있는 특성을 가지고 있다.
FPGA에 원하는 논리 회로를 구현하기 위해서는 전원을 연결하고 컴퓨터에서 FPGA 내부의 lookup table에 논리 회로 정보를 저장해야 한다. 이렇게 저장된 정보에 따라 FPGA가 동작하게 된다. 하지만 전원이 차단되면 lookup table에 저장된 데이터가 사라지기 때문에 FPGA는 원하는 동작을 할 수 없게 된다.
이와 대조적으로 CPLD는 비휘발성(non-volatile)의 특성을 가지고 있다. CPLD는 EEPROM 기술을 이용하여 전원이 꺼져도 내부 데이터를 유지할 수 있다. 따라서 CPLD는 전원이 공급되지 않더라도 이전에 저장된 논리 회로 정보를 유지할 수 있다는 장점이 있다.
FPGA의 휘발성 특성은 FPGA 설계 및 사용 시 고려해야 할 중요한 요소이다. FPGA 사용자는 전원이 차단될 경우 FPGA의 동작이 중단되고 데이터가 소실될 수 있음을 인지하고 있어야 한다. 이를 방지하기 위해 FPGA와 함께 외부 비휘발성 메모리를 사용하거나, FPGA 내부에 비휘발성 메모리를 탑재하는 등의 대책을 마련해야 한다.
1.1.3. Xilinx Spartan 3 FPGA 성능 분석
자일링스 Spartan 3 FPGA는 저렴한 가격과 다양한 기능을 갖춘 FPGA 제품군으로, 디지털 논리 회로 설계에 널리 활용되고 있다. Spartan 3 FPGA는 200,000개 이상의 시스템 게이트를 제공하며, 고집적도와 높은 성능 특성을 지니고 있다.
먼저, Spartan 3 FPGA의 핵심 성능 지표를 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 최대 400MHz의 내부 클록 속도를 지원하여 고속 디지털 회로 구현이 가능하다. 둘째, 최대 624개의 I/O 핀을 제공하여 다양한 외부 장치와의 인터페이스가 가능하다. 셋째, 고집적 Configurable Logic Block(CLB) 구조를 바탕으로 200,000개 이상의 시스템 게이트로 구성된다. 넷째, 512KB의 내장 SRAM과 함께 SelectRAM 메모리를 지원하여 대용량 데이터 처리가 가능하다. 다섯째, 저전력 설계로 최대 1.2W의 동적 전력 소모를 나타낸다.
이러한 성능 특성을 바탕으로 Spartan 3 FPGA는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 대표적인 응용 분야로는 DSP 프로세싱, 임베디드 시스템, 네트워크 장비, 자동화 기기, 의료 기기 등이 있다. 예를 들어, 디지털 오디오/비디오 프로세싱, 산업용 제어 시스템, 통신 장비의 물리계층 구현 등에 Spartan 3 FPGA가 적합하다.
특히, 자일링스는 Spartan 3 FPGA의 장점을 활용하여 저가형 FPGA 시장을 공략하고 있다. Spartan 3 FPGA는 기존 ASIC 대비 개발 ...
