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비동기 설계 기법은 시스템 클럭을 사용하지 않고, 동작이 필요한 모듈만 활성화시켜 전력 및 성능면에서 동기식 설계 기법에 비해 높은 성능을 갖는다. 본 논문은 임베디드 컨트롤러인 Intel 80C51과 완전한 명령어 호환성을 갖고, 비동기식 파이프라인 구조로 최적화된 A8051 아키텍쳐를 제안한다. 다양한 어드레싱 모드와 명령어를 제공하는 CISC 명령어 수행 스킴은 동기식 파이프라인 구조에 적합하지 않고 많은 오버헤드를 유발한다. 본 논문에서는 명령어 실행 사이클을 비동기식 파이프라인 수행에 적합하도록 명령어별로 그룹화하고, 동기화 및 다중 실행 사이클로 인한 오버헤드로 발생된 버블을 제거함으로서 최적화하였다. 또한 적합한 분기 처리 기법 및 가변적인 명령어 길이의 처리 방법을 제시함으로서 명령어 수행시 필요한 상태 수를 최소화하고, 명령어 수행의 병렬성을 증가시켰다. 제안된 A8051 아키텍쳐는 Verilog HDL로 설계하여 0.35㎛ CMOS 공정 표준 셀 라이브러리로 합성하였다. 실험 결과로 A8051은 36MHz 클럭을 사용하는 인텔 80C51과 다른 비동기 80C51에 비해 약 24배의 성능 향상을 얻었다.


The asynchronous design methods proved to have the higher performance in power consumption and execution speed than synchronous ones because it just needs to activate the required module without feeding clock in the system. Despite the advantage of CISC machine providing the variable addressing modes and instructions, its execution scheme is hardly suited for a synchronous pipeline architecture and incurs a lot of overhead. This paper proposes a novel asynchronous pipeline architecture, A8051, whose instruction set is fully compatible with that of Intel 80C51, an embedded micro-controller. We classify the instructions into the group keeping the same execution scheme for the asynchronous pipeline and optimize it eliminating the bubble stage that comes from the overhead of the multi-cycle execution. The new methodologies for branch and various instruction lengths are suggested to minimize the number of states required for instructions execution and to increase its parallelism. The proposed A8051 architecture is synthesized with 0.35㎛ CMOS standard cell library. The simulation results show higher speed than that of Intel 80C51 with 36 MHz and other asynchronous counterparts by 24 times.