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문제 정의
- 하지만 기존의 수중음향통신모뎀은 상용 제품들을 기반으로 개발되어 수중음향통신모뎀의 기능 및 성능 구현은 가능하지만 개발 시스템을 제품화하기에는 시스템의 크기나 개발 비용 등에서 단일 플랫폼으로의 시스템 구현이 필수적으로 요구된다. 이에, 본 논문에서는 신호처리를 위해 아날로그 디바이스 사의 TigherSHARC 칩을 사용하고, TigerSHARC 칩에 부족한 peripheral을 위해 TI 사의 TMS320 칩을 사용했으며, 이 두 DSP 칩 간에 데이터를 주고받기 위해 DPRAM을 사용하여 수중음향통신모뎀의 신호처리 모듈을 설계 및 구현하고자 한다.
제안 방법
- 또한 기존 수중무선통신모뎀의 DSP 보드는 4개의 DSP 칩을 가지고 있어 프로그램 소스도 4개의 DSP 칩에서 각각 다른 태스크들을 실행하기 위해 그림 1에 보이는 여러 태스크들을 4개의 NODE로 묶어 실행시키며, 이를 위해 VSPWorks라는 실시간 운영체계를 사용하였다. 각 태스크들은 VSPWorks에 의해 스케줄링 되어 실행된다.
- 매우 높은 속도의 데이터 입출력을 제공하고, 7 GFLOPs 이상의 성능을 낼 수 있다. 또한, 클러스터 아키텍처와 빠른 공유 메모리 구조로 인해 차세대 통신 및 실시간 영상 처리에 이상적이며, 자일링스 사의 Virtex-II FPGA를 포함하여 개발자에게 FPDP, LVDS, 채널 링크나 다른 디지털 인터페이스를 위해 주문 제작된 빠른 데이터 포트에 사용되어질 수 있는 추가적인 프로세싱 소스를 제공한다.
- 진정한 의미의 병렬 Heterogeneous Parallel System을 위한 실시간 시스템 개발환경으로, 특히 순차성을 내제한 시스템 엔지니어가 병렬성을 내재한 프로세서 및 시스템을 위한 설계를 용이하게 하기 위하여 VSP(Virtual Single Processor) 개념을 도입하였다. 시스템 컨피규레이션과 태스크 코드를 분리함으로써, 하드웨어 사양이 변하더라도 소스 코드의 변경 없이 어플리케이션을 수행할 수 있도록 하였다.
- 신규 시스템은 그림 4와 같이 신호처리를 위해 아날로그 디바이스 사의 Tighersharc 칩을 사용하고, Tigersharc 칩에 부족한 peripheral을 위해 TI 사의 TMS320 칩을 사용했으며, 이 두 DSP 칩 간의 통신을 위해 DPRAM을 사용하여 수중음향통신모뎀의 신호처리 모듈을 설계 및 구현하고자 한다.
- 6V 등의 전압이 사용되었다. 2개의 ADSP-TS201S 중 하나를 Default ID를 0으로 설정하여 메인으로 설정하였으며, 다른 하나를 Default ID를 1로 설정하여 서브로 설정하였다. 각각 FLASH와 SDRAM에 연결하였고, JTAG Emulator를 사용하여 프로그램 및 디버깅할 수 있도록 하였으며, ADSP-TS201S 간의 Link Port를 연결하였다.
- 2개의 ADSP-TS201S 중 하나를 Default ID를 0으로 설정하여 메인으로 설정하였으며, 다른 하나를 Default ID를 1로 설정하여 서브로 설정하였다. 각각 FLASH와 SDRAM에 연결하였고, JTAG Emulator를 사용하여 프로그램 및 디버깅할 수 있도록 하였으며, ADSP-TS201S 간의 Link Port를 연결하였다. DSP에 공급되는 Clock은 500MHz로 설정하였으며, DSP 자체에 외부 통신 peripheral이 없으므로 LED를 배치하여 디버깅 시 사용하도록 하였다.
- 각각 FLASH와 SDRAM에 연결하였고, JTAG Emulator를 사용하여 프로그램 및 디버깅할 수 있도록 하였으며, ADSP-TS201S 간의 Link Port를 연결하였다. DSP에 공급되는 Clock은 500MHz로 설정하였으며, DSP 자체에 외부 통신 peripheral이 없으므로 LED를 배치하여 디버깅 시 사용하도록 하였다.
- DPRAM 관련 회로에는 ADSP-TS201S 측과 TMS320 F28335 측의 IRQ와 FLAG를 DPRAM에 연결하여 DPRAM의 사용 여부 확인 및 한 쪽에서 메모리 사용 시 다른 쪽에 IRQ를 통해 알려줄 수 있도록 설계하였다. 또한 DPRAM은 3부분으로 나누어 ADSP-TS201S 측에서 쓰는 부분, TMS320F28335 측에서 쓰는 부분, DPRAM의 현재 상태를 나타내는 부분으로 각각 사용하도록 하였다.
- DPRAM 관련 회로에는 ADSP-TS201S 측과 TMS320 F28335 측의 IRQ와 FLAG를 DPRAM에 연결하여 DPRAM의 사용 여부 확인 및 한 쪽에서 메모리 사용 시 다른 쪽에 IRQ를 통해 알려줄 수 있도록 설계하였다. 또한 DPRAM은 3부분으로 나누어 ADSP-TS201S 측에서 쓰는 부분, TMS320F28335 측에서 쓰는 부분, DPRAM의 현재 상태를 나타내는 부분으로 각각 사용하도록 하였다.
- TMS320F28335 관련 회로에는 프로그램 및 디버깅을 위해 JTAG을 연결하였고, 디버깅을 위해 외부와 시리얼 통신을 할 수 있는 포트와 LED를 배치하였다. 외부의 A/D 및 D/A 보드와도 연결할 수 있도록 백 플레인 쪽에 컨넥터를 설계하였다.
- 구현 시스템을 이용한 테스트는 각 Task 별 연산량을 측정하였다. 그 결과는 그림 8과 같은 연산량을 측정할 수 있었으며, 이는 기존 수중음향통신모뎀과 비슷한 성능을 내는 것으로 파악되었다.
대상 데이터
- 기존 수중무선통신모뎀에서 신호 처리를 담당하는 주요 부분이다. 그림 2와 같이 아날로그 디바이스 사의 ADSP- TS101S 4개를 사용하였으며, PMC 모듈 구조로 이루어져 있다. 매우 높은 속도의 데이터 입출력을 제공하고, 7 GFLOPs 이상의 성능을 낼 수 있다.
- 신규 시스템은 표 1에서 보는 것과 같이 기존 수중음향통신모뎀에 사용하였던 ADSP- TS101S 보다 2배의 클럭 스피드와 성능을 가지는 ADSP-TS201S를 사용하였다. 따라서 기존에는 4개의 ADSP-TS101S를 사용하였으나 신규 시스템에서는 2개의 ADSP-TS201S를 사용하여 시스템의 성능은 유지하면서 그 크기를 줄일 수 있다.
- ADSP-TS201S에 부족한 peripheral을 보완하기 위해 다양한 peripheral을 가지는 TMS320F28335를 사용 하였다. 그림 5에서 보는 것과 같이 TMS320F28335는 SPI, I2C, RS232, RS422, CAN 등의 다양한 peripheral을 가진다.
- 신호처리를 위한 ADSP-201S와 peripheral을 담당하는 TMS320F28335 사이에서 데이터를 주기 받기 위해 IDT70V28L를 사용하였다. 빠른 속도의 64K x 16 Dual-Port Static RAM으로, 그림 6에서처럼 좌·우측에서 서로 독립적으로 데이터를 읽고 쓸 수 있다.
이론/모형
- VSPWorks는 멀티 프로세서 개발 환경, 유저 태스크들에 대한 프로파일링, 어플리케이션 개념에서 필요로 하는 여러 신호의 생성, 외부와의 인터페이스 용이성 등을 쉽고 이식성이 높게 하기 위한 실시간 운영체계이다. 진정한 의미의 병렬 Heterogeneous Parallel System을 위한 실시간 시스템 개발환경으로, 특히 순차성을 내제한 시스템 엔지니어가 병렬성을 내재한 프로세서 및 시스템을 위한 설계를 용이하게 하기 위하여 VSP(Virtual Single Processor) 개념을 도입하였다. 시스템 컨피규레이션과 태스크 코드를 분리함으로써, 하드웨어 사양이 변하더라도 소스 코드의 변경 없이 어플리케이션을 수행할 수 있도록 하였다.
후속연구
- 다만 그림 8에서 보듯이 “down" Task에 많은 연산이 몰리는 것으로 파악 되었으며, 따라서 LPF 부분을 하드웨어 적으로 처리하였다면 더 좋은 성능이 발휘될 것으로 생각된다.
- 본 논문을 통해서 기존 수중음향통신모뎀의 신호처리 모듈을 그 성능은 유지하면서 소형화 및 단일화 시킬 수 있었으며, 추후 A/D, D/A 모듈과 파워 공급 모듈, 사용자 인터페이스 모듈 등을 구현하여 함께 적용한다면 좀 더 완벽하게 단일화되고 소형화된 수중음향통신모뎀을 완성할 수 있을 것이다.
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