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마이크로프로세서에서 부동소수점 연산은 결과의 정확도를 높이기 위하여 실수형 데이터를 대상으로 시행하는 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등의 계산을 의미한다. 일반적으로 프로세서를 설계할 때는 복잡도 때문에 부동소수점 연산은 제외하고 정수형 연산만을 지원하는 경우가 많다. 그러나, 공학 기술 연산, 디지털 신호처리 뿐 만이 아니라, 오늘날 각광 을 받고 있는 인공지능 및 신경망에 대한 연산을 수행하기 위하여 필요에 따라서 부동소수점 연산이 포함되어야 한다. 본 논문에서는 VHDL을 이용하여 부동소수점 연산 명령어 기능을 갖는 32 비트 ARMv4 계열의 프로세서를 설계하고, ModelSim으로 검증하였다. 그 결과, ARM의 부동소수점 명령어에 대한 연산을 성공적으로 수행할 수 있었다.

Floating point arithmetic in microprocessor is the computation of addition, subtraction, multiplication, and division of floating point data to improve accuracy. In general, when designing a processor, floating point instructions are often excluded because of its complexity and only integer instructions are provided. However, in order to carry out the computations for not only engineering and technical operations but also artificial intelligence and neural networks that are in the spotlight today, floating point operations must be included. In this paper, we design a 32-bit ARMv4 family of processors with floating-point arithmetic instructions using VHDL and verify with ModelSim. As a result, ARM's floating point instructions are successfully executed.

ARM은 저가임에도 불구하고, 저전력 소비와 신뢰할만한 성능으로 인하여 스마트폰, 디지털 카메라, 가정용 네트 워크 장치, 무선 기술 등에 널리 쓰이고 있다. 국내는 메모리 반도체 설계에 있어서 세계 최고의 수준이나, 프로세서의 설계는 그에 미치지 못하여 메모리와 프로세서의 균형있는 발전을 이루지 못하고 있다. 일반적으로 프로세서를 설계할 때는 반드시 예외처리 및 인터럽트 기능까지 갖춰야하지만 연구단계에서는 이것이 누락되는 경우가 많다. 그러나, 프로 세서가 완벽하게 동작하기 위하여 예외처리 및 인터럽트 기능까지 포함되어야 한다. 본 논문에서는 VHDL을 이용하여 예외처리 및 인터럽트 기능을 갖는 32 비트 ARMv4 계열의 프로세서를 설계하고, ModelSim으로 검증하였다. 그 결과, ARM의 예외처리 및 인터럽트 기능을 성공적으로 수행할 수 있었다.

Despite its low cost, ARM is widely used in smartphones, digital cameras, home network devices, and wireless technologies because of its low power consumption and reliable performance. The domestic memory semiconductor design technology is in the world's highest level, but that of the processor is far less than that, which results in the technology unbalance between the memory and the processor. When designing a processor, exception and interrupt capabilities are requisite, but this is often omitted in the research stage. However, exception processing and interrupts must be included in order for the processor to function fully. In this paper, we design a 32-bit ARMv4 family of processors with exception handling and interrupts using VHDL and verify with ModelSim. As a result, ARM's exception and interrupts are successfully performed.

RISC-V는 프로세서의 혁신을 위하여 개방형 표준 협력을 통하여 개발된 무료이며 개방된 명령어집합 아키텍처 프로세서이다. 산업체와 학계의 협동으로 태동한 RISC-V는 프로세서 구조에 새로운 수준의 하드웨어 및 소프트웨어의 자유 를 가져다주면서 확장 가능하기 때문에, 향후 50 년의 컴퓨터 설계와 혁신에 견인차 역할을 할 것으로 기대된다. 본 논문에서 는 RISC-V가 개발되고 도입됨에 따라, 산술논리, 메모리, 분기, 제어 및 상태레지스터, 환경호출 및 중단점으로 구성된 명령 어 아키텍처를 고찰하고 특징을 살펴보았다. 또한 Verilog를 이용하여 설계된 RISC-V 프로세서를 ModelSim으로 모의실행 하고 Quartus-II로 합성한 결과, RISC-V의 38 개 명령어를 성공적으로 수행할 수 있었다.

RISC-V is a free and open ISA enabling a new era of processor innovation through open standard collaboration. Born in academia and research, RISC-V ISA delivers a new level of free, extensible software and hardware freedom on architecture, paving the way for the next 50 years of computing design and innovation. In this paper, according to the emergence of RISC-V architecture, we describe the RISC-V processor instruction set constituted by arithmetic logic, memory, branch, control, status register, environment call and break point instructions. Using ModelSim and Quartus-II, 38 instructions of RISC-V has been successfully simulated and synthesized.

ARM은 2016년 현재 매일 4천만 개씩 선적되고 있으며 860억 개 이상 이동통신, 가전, 기업, 임베디드 시스템 분야에 서 탑재되어 널리 이용되고 있다. 국내의 반도체 기술은 메모리 반도체 설계에 있어서는 세계 최고의 수준이나, 프로세서의 설계는 그에 미치지 못하여 메모리와 프로세서의 균형있는 발전을 이루지 못하고 있다. 일반적으로 프로세서를 설계할 때는 고가의 전용 소프트웨어의 필요로 인하여 환경을 갖추기가 어렵다. 그러나 최근에 Altera에서 제공하는 ModelSim은 무료로 누구나 이용할 수 있다. 본 논문에서는 유럽 및 전 세계의 대학 및 연구소에서 ASIC 설계에 널리 쓰이는 VHDL을 이용하여 32 비트 ARMv4 계열의 프로세서를 설계하고, ModelSim으로 모의실행하였다. 그 결과, ARM의 37 개 명령어를 성공적으로 수행할 수 있었다.

As of in the year of 2016, 40 million ARM processors are being shipped everyday and more than 86 billion ARM processors are mounted in mobile communications, consumer electronics, enterprises, and embedded systems. Nationally, we are capable of designing high-end memory semiconductors, but not in processors, resulting in unbalance. Generally, highly expensive software programs are necessary for designing processors which makes it difficult to set up proper environments. However, ModelSim simulator provided by Altera is free and everybody can use it. In this paper, the VHDL language which is widely used in Europe, universities, and research centers around the world for the ASIC design is selected for designing 32-bit ARM processor and simulated by ModelSim. As a result, 37 instructions of ARMv4 has been successfully executed.