FFT(Fast Fourier Transform)는 멀티미디어 통신 및 디지털 신호처리 분야, 특히 무선통신이나 디지털 방송 등에서 쓰이는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)에서 필수적인 역할을 하고 있다. 본 논문에서는 파이프라인 FFT 프로세서 설계의 다양한 알고리즘 및 하드웨어 구조에 대해 살펴보고 이를 한 눈에 파악할 수 있는 설계 가이드라인을 제시한다. 또한 분석 중 Radix-2 Single-path Delay Feedback의 복소곱셈기의 비효율적인 면을 찾고 새로운 R2SDF 구조를 제안한다.
내적을 계산하는데 있어서 Distributed Arithmetic(DA)을 사용하면 곱셈기를 사용하는 것보다 소비전력 및 크기를 효율적으로 줄일 수 있고, 고속동작이 가능한 회로구현이 쉽기 때문에 신호처리 시스템 설계에 많이 사용하고 있다. DA에는 롬-기반 DA와 가산기-기반 DA를 이용한 방법이 있는데, 가산기-기반 DA는 Sharing property와 계수의 Spare non-zero bit property를 최대한 이용하여 설계가 가능하기 때문에 크기 및 동작속도 측면에서 효율적인 구현이 가능하다. 본 논문에서는 가산기-기반 DA의 이러한 특성을 최대한 이용하여 멀티미디어 신호처리에 적합한 DCT/IDCT 프로세서를 설계하였고 다른 구조 및 롬-기반 DA와 비교 평가해본 결과 크기 및 속도 측면에서 효율적인 결과를 얻었다.
본 논문에서는 고성능 내장형 프로세서에서 멀티미디어 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 SIMD-DSP/FPU를 설계하였다. 하드웨어 증가를 최소화하기 위해 기존 연산기의 분할 구조를 제시하였고 면적이 작은 연산기를 제안하였다. 연산기의 공유를 통해 FPU의 하드웨어 면적을 크게 줄였다. 제안된 구조는 HDL로 모델링되고 0.35 $\mu\textrm{m}$ 표준 셀 공정으로 합성되어, 약 십만 등가 게이트의 면적을 갖는 것으로 보고되었으며 최악조건에서 코어 주파수인 50MHz 이상으로 동작하는 것이 예상된다.
배터리의 용량이 제한적인 핸드헬드 시스템에서의 전력소비를 절감시키기 위한 동적전압변경 기법에 관련한 많은 연구가 이루어지고 있으나, 프로세서나 LCD 같은 각각의 요소에 기반을 둔 저 전력 정책들은 전력절감에 있어 한계에 다다르고 있다. 이를 극복하기 위하여, 본 연구에서는 전력관리의 대표적인 기법인 프로세서 DVS와 LCD 재생 프레임 빈도 제어를 통합한 다차원 전력관리를 시스템 전력관리 차원에서 제시한다. 실제 시스템에서의 구현 결과를 제시함으로써 다차원 동적전압변경 기법이 멀티미디어 응용에 있어서 단일 요소의 전력관리보다 시스템 차원에서의 부가적 전력 절감을 할 수 있음을 보인다.
As the use of mobile multimedia devices is increasing in the recent year, the needs for high-performance multimedia processors are increasing. In this regard, we propose a SIMD (Single Instruction Multiple Data) based parallel processor that supports high-performance multimedia applications with low energy consumption. The proposed parallel processor consists of 16 processing elements(PEs) and operates on a 3-stage pipelining. Experimental results for the JPEG encoding algorithm indicate that the proposed parallel processor outperforms conventional parallel processors in terms of performance and energy efficiency. In addition, the proposed parallel processor architecture was developed and verified with verilog HDL and a FPGA prototype system.
멀티미디어 도메인의 응용 프로그램에는 풍부한 병렬성이 내재하기 때문에 VLIW (Very Long Instruction Word) 형식의 신호처리 프로세서가 많이 사용되고 있다. VLIW 프로세서를 구성하는 복수의 연산처리유닛 (processing unit, PU)의 사용률은 컴파일러의 명령어 스케쥴러의 성능에 의하여 결정된다. 명령어들 사이의 병렬성을 분석하여 동시 수행가능한 명령어들을 각기 다른 PU 에서 수행되도록 프로그램 코드를 최적화한다. 하지만 기존의 명령어 스케쥴러는 복잡한 데이터 디펜던스 그래프 (data dependence graph, DDG)를 구성하여 복수의 PU 를 충분히 사용하도록 하지 못하는 문제점을 내재하고 있다. 이는 명령어 스케쥴러가 각 레지스터 사용시간을 별도로 고려하지 않기 때문에 실제로 내재된 데이터 디펜던스 보다 복잡성이 높은 디펜던스 그래프를 구성하게 되어 스케쥴러가 올바르게 최적화된 코드 스케쥴링 결과를 제공하지 못하기 때문이다. 본 연구에서는 레지스터의 라이프타임을 다른 레지스터를 이용하여 적절히 끊어주는 것으로 데이터 디펜던스 복잡도 완화하여 시스템 성능 향상의 가능성을 보이고 있다.
본 논문에서는 RISC 마이크로프로세서에 DSP프로세서를 추가하여 멀티미디어 기능이 강화된 응용에 알맞은 마이크로프로세서(YS-RDSP)를 제안한다. YS-RDSP는 최대 4개의 명령어를 동시에 병렬로 처리할 수 있다. 프로그램의 크기를 줄이기 위해 YS-RDSP는 16비트와 32비트의 두 가지 명령어 길이를 지원한다. YS-RDSP는 칩 하나로 RISC마이크로프로세서의 programmability 및 제어능력에 DSP의 처리능력을 제공하기 위하여 8-KByte ROM과 8-KByte RAM을 내장하고 있다. 칩 내에 있는 주변장치중 하나인 시스템 컨트롤러는 저전압 동작을 위한 3가지의 전압강하모드를 지원하며 SLEEP명령어는 CPU코어와 주변장치의 동작상태를 변환시킨다. YS-RDSP프로세서는 Verilog-HDL를 이용하여 하향식설계방식으로 구현되었고 C-언어로 작성된 사이클 단위 시뮬레이터를 이용하여 개선되고 검증되었다. 검증된 모델은 0.6um, 3.3V CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성되었으며 자동화 P&R에 의해 10.7mm8.4mm코어 면적을 갖도록 레이아웃 되었다.
모바일 프로세서와 모바일 운영체제의 발달에 따라 스마트폰에서도 멀티미디어 신호 처리를 실시간으로 처리가 가능해 졌다. 또한 스마트폰의 급격한 보급률의 증가 및 대중의 악기에 대한 관심이 높아졌다. 이러한 흐름에 따라 국내에 특히 많이 보급되어 있는 안드로이드 스마트폰을 이용하여 고비용의 멀티 이펙트를 대체할 수 있는 어플리케이션을 구현했다. 멀티 이펙트에는 디스토션, 오버드라이브, 딜레이, 에코, 플렌저, 코러스 및 비브라토를 포함하였으며, 구현 결과 매틀랩 시뮬레이션과 유사함을 보였다.
본 논문은 비동기 전송모드에서 중첩 입력하는 서로 다른 속도의 트래픽에 대한 데이타 처리를 셀의 손실 면에서 분석한 것이다. 멀티미디어 데이타를 대상으로 할 중첩 입력 프로세서의 트래픽 제어로서 사용감시제어를 대상으로 하였으며 Leaky-Bucket 알고리즘의 발생-소멸 프로세서를 이용 셀 손실률을 계산하였다. 해석결과는 버퍼용량의 증가에 대하여 셀 손실률이 현격하게 감소하는 결과를 보였으며 셀 손실률은 유한용량 버퍼에 대한 토큰풀의 특성을 고려하여 2-state MMPP(Markov Modulated Poisson Process) 입력 프로세서를 가정하였다. 해석 값을 검증하기 위해 SIMSCRIPT II.5를 사용하여 시뮬레이션을 하였으며 on/off 입력소스와 비교하였다.
최근 임베디드 시스템의 고성능화에 따라 고해상도의 디스플레이를 채용하고 대용량 멀티미디어 데이터응용 등 다기능을 갖춘 임베디드 프로세서가 다수 발표되고 있다. 이러한 응용 중 실시간 오디오 스트리밍 같은 시간 제한적 응용을 다루어야 하는 모바일 시스템의 경우, 전력, 메모리 용량등 여러 자원이 부족한 상황에 놓이게 된다. 본 논문은 스크래치 패드 메모리에 대하여 활용도를 높이고 저전력을 구현하기 위하여 압축 기법을 스크래치 패드 메모리의 데이터 영역에 구현하였다. 무선 통신과 실시간 오디오 스트리밍에 사용하는 GDM1202 프로세서에 제안한 방법을 구현하여 측정한 결과, 압축으로 얻어진 스크래치 패드의 영역에 코드와 데이터를 추가하여 할당함으로써 13.3% 에너지 절감을 얻을 수 있었으며, 기존의 방법과 동등한 프로그램 수행 성능을 나타냈다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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