[논문]블루투스 임베디드 시스템을 위한 GPIO 설계

문상국

doi:10.6109/jkiice.2012.16.1.107

[국내논문] 블루투스 임베디드 시스템을 위한 GPIO 설계
Design of a GPIO Unit for Bluetooth Embedded Systems 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.1, 2012년, pp.107 - 112

문상국 (목원대학교)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 임베디드 시스템, 특히 블루투스 베이스밴드에서 사용이 가능한 범용 GPIO (general purpose input output)를 설계하였다. 제안하는 구조는 AMBA 버스구조의 APB 저전력 버스에 호환되도록 설계하였다. 응용 분야가 다양한 임베디드 시스템에서는 GPIO 방식의 인터럽트 소스가 가장 유용하게 사용된다. 본 논문에서는 에지 반응 방식과 레벨 반응 방식 모두를 고려하여 인터럽트를 수용할 수 있도록 설계하였고, 동작 폴라리티를 선택할 수 있어 다양한 응용의 블루투스 임베디드 디바이스에 유연하게 적용될 수 있도록 고려하였다. 설계한 GPIO 모듈은 Altera QuartusII 툴을 사용하여 자동합성하여 P&R을 수행하였다. 결과물은 CycloneII FPGA로 구현하였으며 타겟으로 정한 25MHz에서 충분히 동작 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this contribution, we designed a general purpose input/output (GPIO) suitable for embedded systems, especially for Bluetooth baseband. Proposed architecture is compatible for the APB bus in AMBA bus architecture. General purpose I/O should be used as multi-functional and versatile interrupt sources. We considered the edge-sensitive mode as well as the level-sensitive mode for acquiring the interrupt sources. Also, we provided an option to select the operation polarity for flexible application to the embedded systems. The designed GPIO module was automatically synthesized, placed, and routed. The proposed GPIO was implemented through the Altera FPGA and well operated at 25MHz clock frequency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 블루투스 임베디드 시스템을 위한 다양한 모드를 가지는 GPIO를 설계하고, Altera의 CycloneII의 타이밍 검증 요소를 가지고 시뮬레이션 하여 결과를 확인하였다. 설계한 GPIO는 기본적인 방향성, 트리거 방식 (에지 혹은 레벨), 극성 선택 등 블루투스 시스템에서 발생 가능한 모든 경우의 기능을 유추하여 탑재하여 다양한 응용에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

제안 방법

GPIO의 특성상, 검증은 양방향 PD 버스와 외부입력 포트 PORTIn를 통하여 데이터를 쓰고, 읽어보는 방식으로 행하였다. GPIO의 자원 사용량은 표 2에 나타내었고, 포트 A에 대한 시뮬레이션 파형을 그림 5에 보였다.
GPIO의 자원 사용량은 표 2에 나타내었고, 포트 A에 대한 시뮬레이션 파형을 그림 5에 보였다. 검증은 3단계로 진행하였는데, 첫 번째로 PWRITE가 low인 파형의 왼쪽 부분은 내부 레지스터의 초기값을 읽는 과정이다. 가운데 부분은 PWRITE 신호를 주고 PA를 바꿔가면서 DataDir, IntMask, IntEdge, IntClear, IntPolarity 레지스터에 값을 넣고, PWRITE 신호를 해제하여 확인하는 과정이다.
본 논문에서 설계한 GPIO는 하나의 연결 단자를 입력이나 출력으로 고정시키지 않고 선택적으로 사용할 수 있도록 하기 위하여 포트 당 8비트 외부 입력, 외부 출력과 외부 입력에 의한 인터럽트 신호를 출력하며, 추가적으로 내부 마이크로프로세서와 통신을 위한 AMBA 기반의 8비트 양방향 입출력 버스를 가진다. 또한, 소비전력을 줄이기 위하여 포트 개념을 도입하여 실제 필요한 포트만 사용할 수 있도록 설계하였다. 전체적인 구조는 A, B, 두 포트로 이루어진 그림 3과 같다.
하나의 GPIO 단자를 설계하려면 GPIO 레지스터, 에지 검출 회로, 멀티플렉서, 3상태 버퍼 등이 필요하다. 본 논문에서 설계한 GPIO는 하나의 연결 단자를 입력이나 출력으로 고정시키지 않고 선택적으로 사용할 수 있도록 하기 위하여 포트 당 8비트 외부 입력, 외부 출력과 외부 입력에 의한 인터럽트 신호를 출력하며, 추가적으로 내부 마이크로프로세서와 통신을 위한 AMBA 기반의 8비트 양방향 입출력 버스를 가진다. 또한, 소비전력을 줄이기 위하여 포트 개념을 도입하여 실제 필요한 포트만 사용할 수 있도록 설계하였다.
기존의 인터럽트 제어기가 양의 값에 기반한 (active-high) 신호에 의해서만 제어되기에 유연성이 떨어지는 것에 비해 GPIO는 다수의 제어 레지스터를 설정하여 자유롭게 구현할 수 있는 장점이 있어 입력 극성, 에지-레벨 선택을 가능하게 구현할 수 있다. 본 논문에서는 유연한 방식의 GPIO를 FPGA로 구현하여 칩 레벨의 포스트-레이아웃 레벨에서 시뮬레이션 하여 정상적인 동작을 검증하였다.
설계한 GPIO는 Verilog HDL로 구현하였으며, 자동 합성은 Altera의 QuartusII 통합 환경을 사용하고 시뮬레이션은 ModelSim을 사용하였다..
PA, PD, PWRITE, PSELGPIO, PSTB의 신호들이 AMBA APB 프로토콜에 기반한 신호이며, 표 1에 보인 기능 레지스터에 값을 각각 저장하거나, 기능 레지스터의 값을 읽기 위해 사용된다. 외부 입력 포트로 PORTAExtIn, PORTBExtIn을 두어 외부 패드를 입력장치로 쓸 때 입력 신호를 받을 수 있도록 하였고, GPIO 패드를 출력장치로 사용할 때는 그림 4의 DataR 레지스터의 값을 APB 프로토콜로 조작하여 각각 PORTAExtout, PORTBExtout 출력으로 내보내도록 하였다. 외부 패드를 입력으로 할 것인지 출력으로 할 것인지는 그림 4의 DirR 레지스터에 값을 넣어 외부 패드에 존재하는 3상 버퍼의 제어 신호로 보낸다.
MaskR 레지스터는 GPIO가 외부 입력으로 작용할 시 입력을 사용자의 요구에 따라 무시할 수 있는 역할을 하고, EdgeR 레지스터의 값에 따라 외부 패드의 입력 인터럽트를 눌리는 즉시 받아들일 것인지, 아니면 레벨 값을 저장하여 사용할 것인지를 결정한다. 외부 패드 입력으로 받아들인 데이터는 ClearR 레지스터의 값에 의해 비트별로 클리어 할 수 있고, PolarR 레지스터를 두어 외부 입력의 인터럽트 값을 active high로 할 것인지 아니면 active low로 할 것인지 결정할 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

표 1은 GPIO의 주요 역할을 수행하는 레지스터에 대한 크기와 메모리 맵에서의 위치, 읽기/쓰기 권한, 기본 값을 나타낸다. 베이스 주소는 0x8002_3000이며 실제 사용하는 데이터는 8비트이지만 추후 확장성을 위해 32비트 레지스터를 할당하였다. 표에 나타나 있는 레지스터의 이름이 기능을 의미한다.
이 중 본 연구에서 설계한 부분은 AMBA SlowAPB 버스로 연결한 주변 모듈의 하나인 GPIO이다 (그림 2 음영부분). GPIO는 ASB 영역의 모듈과는 동작 속도의 차이가 발생하기 때문에, 타이머나 UART와 함께 SlowAPB 영역에 할당이 되어 있다.
설계한 GPIO 모듈은 타겟 블루투스 임베디드 시스템의 동작 주파수인 25Mhz에서 충분히 정상적으로 동작하였다. 타겟 FPGA는 CycloneII를 사용하였고, 총 256개의 LUT를 사용하였으며 162개의 레지스터가 자동 합성되어 사용되었다.

성능/효과

이와 같이, 포트A에 데이터를 AMBA APB 버스 프로토콜과 외부 핀을 함께 사용하여 저장되고 읽혀지는 과정을 확인할 수 있다. 설계한 GPIO 모듈은 타겟 블루투스 임베디드 시스템의 동작 주파수인 25Mhz에서 충분히 정상적으로 동작하였다. 타겟 FPGA는 CycloneII를 사용하였고, 총 256개의 LUT를 사용하였으며 162개의 레지스터가 자동 합성되어 사용되었다.

후속연구

본 논문에서는 블루투스 임베디드 시스템을 위한 다양한 모드를 가지는 GPIO를 설계하고, Altera의 CycloneII의 타이밍 검증 요소를 가지고 시뮬레이션 하여 결과를 확인하였다. 설계한 GPIO는 기본적인 방향성, 트리거 방식 (에지 혹은 레벨), 극성 선택 등 블루투스 시스템에서 발생 가능한 모든 경우의 기능을 유추하여 탑재하여 다양한 응용에 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 follow-up 과제로는 이렇게 설계한 GPIO를 실제로 ARM 프로세서와 연결시켜 PC 상에서 사용자 프로그램을 통하여 GPIO를 동작시킬 수 있는 임베디드 시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
설계한 GPIO는 기본적인 방향성, 트리거 방식 (에지 혹은 레벨), 극성 선택 등 블루투스 시스템에서 발생 가능한 모든 경우의 기능을 유추하여 탑재하여 다양한 응용에 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 follow-up 과제로는 이렇게 설계한 GPIO를 실제로 ARM 프로세서와 연결시켜 PC 상에서 사용자 프로그램을 통하여 GPIO를 동작시킬 수 있는 임베디드 시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블루투스의 구조는 어떻게 나누어져있는가?	블루투스의 구조는 물리층을 규정하는 RF, 호핑 패턴 및 통신 제어를 담당하는 베이스밴드, 패킷의 구성을 규정하는 링크 매니저, L2CAP과 상위 호스트간의 인터페이스를 규정하는 HID와 RFCOMM으로 나누어진다 [4].
	베이스밴드의 세부 블록은 무엇이 있는가?	• RF 인터페이스 • LMP 인터페이스 • 홉 선택 제어기 • ACL & SCO 링크 제어기 • HEC, FEC 제어기 • 액세스코드 상관기 • 데이터 화이트닝 • 암호화 • 인증 • 오디오 인터페이스 • 클럭 복원과 동기화 모듈 • 채널 제어기 • RX/TX 버퍼와 레지스터
	블루투스 기술의 특징은 무엇인가?	블루투스 기술은 작고 저렴한 가격, 저전력 소모로 근거리 송수신기를 소형 이동형 디바이스에 직접 또는 어댑터를 통해 탑재되어 무선 환경을 제공하는 무선 통신 규약 중 하나이며, IEEE 802.15에 표준화되어 있으며 현재 버전 4.0까지 발전하였다 [1]. 무선 환경은 세계적으로 이용이 가능한 전역 주파수 대역인 2.

참고문헌 (8)

http://www.bluetooth.org
Bluetooth Specification Version 4.0 [vol.2] Radio Specification, Core System Package [BR/EDR Controller volume] Part A.
http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Special_Interest_Group
Specification Volume 1, Specification of the Bluetooth System, Architecture and Terminology Overview, Covered Core Package version: 4.0.
Hynix Semiconductor, "Bluwave HBN3031 - Bluetooth Single Chip"
Das, A. et al., "Adaptive link-level error recovery mechanisms in Bluetooth," Personal Wireless Communications, 2000 IEEE International Conference on , 17-20 Dec. 2000 pp. :85-89
Cheol-Hee Park et. al., "Design and implementation of error control algorithms for Bluetooth system: open-loop and closed-loop algorithms," Consumer Electronics, 2000. ICCE. 2000 Digest of Technical Papers. International Conference on , 13-15 June 2000, pp. 302-303
Y.Taur and T.H.Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambrigde, U.K.: Cambrigde Univ. Press, 1998.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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