마이크로컨트롤러 마스터하기: 구조, 기능, 실전 응용

보드 위의 마이크로컨트롤러

출처: 위키미디어 커먼즈

임베디드 전자공학 세계에 뛰어들기 전에 무엇이 필요한지 이해해야 합니다. 예를 들어 이 분야는 직접 코드를 작성하는 일이 포함됩니다. 마이크로컨트롤러 기초, 사용하는 프로그래밍 언어, 기본 프로그래밍 개념을 이해하지 못하면 시작할 곳도 모르고 압도당하기 쉽습니다.

하지만 좋은 소식이 있습니다:

이 글에서 임베디드 전자공학을 시작하는 데 필요한 기본 사항을 배웁니다. 마이크로컨트롤러 정의, 작동 원리, 기본 구조 등을 다룹니다.

시작해 봅시다!

마이크로컨트롤러란?

마이크로컨트롤러들

출처: 위키미디어 커먼즈

마이크로컨트롤러를 정의하기 전에 마이크로프로세서(나중에 논의)와 다르다는 점을 알아야 합니다.

마이크로컨트롤러는 초대규모 집적(ULSI) IC입니다. I/O 포트, 논리 연산 장치, 메모리, 전자 연산 장치, 기타 모듈이 단일 칩에 융합되어 있습니다. 싱글칩 컴퓨터(Single-Chip-Computer)라고도 부릅니다.

또한 마이크로컨트롤러는 임베디드 컨트롤러(Embedded Controller)이기도 합니다. 장치와 지원 회로가 제어 대상 가전제품 내부에 들어가기 때문입니다.

데이터 표시, 측정, 제어, 저장, 계산하는 많은 기기나 응용 분야에서 마이크로컨트롤러를 찾을 수 있습니다. 흥미롭게도 자동차 산업이 가장 큰 마이크로컨트롤러 사용자입니다. 엔진 제어와 다른 시스템 조절에 필요하기 때문입니다.

마이크로컨트롤러가 흔한 또 다른 분야는 가전제품입니다. 오븐, 디지털 카메라, DVD 플레이어 등에서 찾을 수 있습니다. 테스트 및 측정 장비도 마이크로컨트롤러를 사용합니다(함수 발생기, 멀티미터 등).

마이크로컨트롤러 기초 – 마이크로컨트롤러 작동 원리

일반적으로 마이크로컨트롤러는 특정 프로그램을 실행하며 한 가지 작업에 전념합니다. 제어 대상 기기로부터 입력을 받아 작동합니다. 결과적으로 신호를 기기의 여러 부분으로 보내 제어를 유지합니다.

예: TV 마이크로컨트롤러는 리모컨으로부터 입력을 받아 TV 화면에 출력을 표시합니다.

마이크로컨트롤러 종류

명령어 세트, 메모리, 비트 수에 따라 다양한 마이크로컨트롤러가 있습니다.

명령어 세트 (Instruction Sets)

명령어 세트 구성에 따른 두 가지 마이크로컨트롤러 범주:

RISC

Reduced Instruction Set Computers의 약자입니다. 명령어당 클럭 사이클을 줄여 작업 시간을 단축합니다.

CISC

Complex Instruction Set Computer의 약자입니다. 여러 단순 명령어를 하나의 명령어로 대체할 수 있게 합니다.

메모리 (Memory)

메모리 카드 (RAM)

출처: 위키미디어 커먼즈

메모리 구성 범주에는 두 가지 마이크로컨트롤러 유형이 있습니다:

내장 메모리 마이크로컨트롤러 (Embedded Memory Microcontroller)

타이머, 카운터, I/O 포트, 데이터 메모리, 인터럽트 등 많은 구성 요소가 칩에 내장된 유형입니다. 인텔 8051이 대표적 예입니다.

외장 메모리 마이크로컨트롤러 (External Memory Microcontroller)

이 유형은 칩에 프로그램 메모리가 없는 설계입니다. 인텔 8031이 좋은 예입니다.

비트 수 (Bits)

비트 구성 범주에는 세 가지 마이크로컨트롤러 유형이 있습니다:

32비트 마이크로컨트롤러

의료 기기 등 자동 제어를 사용하는 가전제품에서 찾아볼 수 있습니다.

16비트 마이크로컨트롤러

고성능과 정밀도가 필요한 응용 분야에 유용합니다. 논리 및 산술 연산에 이 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있습니다. 인텔 8096이 좋은 예입니다.

8비트 마이크로컨트롤러

이 범주에서 가장 기본적입니다. 나눗셈, 뺄셈 등 단순 논리 및 산술 연산 실행 같은 간단한 작업에 사용합니다. 인텔 8051, 8031이 예입니다.

마이크로컨트롤러 기본 구조

마이크로컨트롤러는 I/O 포트, 메모리, 중앙 처리 장치(CPU) 세 가지 기본 구성 요소를 가집니다.

다른 구성 요소들도 중요하지만 위에서 언급한 것들이 지원 장치입니다. 마이크로컨트롤러의 주요 구성 요소를 구조 기반으로 자세히 살펴보겠습니다.

마이크로컨트롤러 기초 – 메모리 (Memory)

일반적으로 연산 시스템에는 데이터 메모리와 프로그램 메모리 두 가지 메모리 유형이 필요합니다. 데이터 메모리는 명령어 수행 중 임시 정보를 보관합니다. 프로그램 메모리는 프로그램을 포함합니다. 즉, CPU가 수행할 명령어들을 담고 있습니다.

버스 (Bus)

시스템 버스는 잘 거론되지 않는 구성 요소 중 하나지만 마이크로컨트롤러의 필수 부분입니다.

CPU를 I/O 포트 및 기타 지원 구성 요소와 연결하는 전선 모음을 의미합니다.

마이크로컨트롤러 기초 – CPU

CPU는 마이크로컨트롤러의 두뇌와 같습니다. 제어 장치(CU)와 산술 논리 연산 장치(ALU) 두 부분으로 구성됩니다.

CPU는 데이터, 논리, 산술 전송 연산을 실행하기 위해 명령어를 디코딩, 읽기, 수행하는 역할을 합니다.

인터럽트 (Interrupts)

인터럽트는 마이크로컨트롤러의 또 다른 핵심 구성 요소입니다. 인터럽트 처리 메커니즘을 가집니다. 소프트웨어, 외부, 하드웨어, 내부 관련일 수 있습니다.

마이크로컨트롤러 기초 – I/O 포트 (I/O Ports)

I/O는 입력/출력 포트를 의미합니다. 이 구성 요소는 마이크로컨트롤러에 외부 연결 인터페이스를 제공합니다. 예: 키패드, 스위치 같은 입력 장치가 사용자로부터 CPU에 이진 데이터 형태로 정보를 제공합니다.

CPU가 입력 장치로부터 정보를 받으면 적절한 명령어를 수행합니다. 그런 다음 프린터, 디스플레이, LED 같은 출력 장치를 통해 응답합니다.

시리얼 포트 (Serial Port)

이 구성 요소는 마이크로컨트롤러가 시리얼 통신으로 상호작용하도록 돕습니다. 마이크로컨트롤러는 시리얼 포트를 통해서만 다른 외부 주변장치 및 기기와 통신할 수 있습니다. UART가 마이크로컨트롤러에서 가장 일반적인 시리얼 통신입니다.

DAC (Digital to Analog Converter)

디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 회로입니다. 마이크로컨트롤러 CPU와 외부 아날로그 장치를 연결합니다.

ADC (Analog to Digital Converter)

ADC는 DAC의 반대입니다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 회로입니다. 외부 아날로그 입력 장치와 마이크로컨트롤러 CPU 사이 연결을 만듭니다.

아날로그 장치는 주로 센서입니다. 따라서 CPU가 통신을 이해하려면 아날로그 데이터가 디지털로 변환되어야 합니다.

마이크로컨트롤러 기초 – 카운터/타이머 (Counters/Timers)

카운터와 타이머는 마이크로컨트롤러의 필수 구성 요소입니다. 외부 이벤트 카운팅과 시간 지연 동작을 제공합니다. 또한 클럭 제어, 함수 생성 등을 제공합니다.

구성 비트 (Configuration Bits)

마이크로컨트롤러에는 보통 고유한 비트인 구성 비트가 있습니다. 이 구성 요소는 마이크로컨트롤러의 특수 옵션을 구성하는 데 도움을 줍니다(다음을 포함하되 이에 국한되지 않음):

• 저전압 프로그래밍 켜기/끄기
• 파워업 타이머 켜기/끄기
• 내부/외부 스위치오버 켜기/끄기
• 발진기 유형
• 페일세이프 클럭 모니터 켜기/끄기
• 브라운아웃 리셋 켜기/끄기
• 워치독 타이머 켜기/끄기

PIC 마이크로컨트롤러에서도 구성 비트를 볼 수 있습니다. 데이터 코드 보호와 프로그램 코드 보호 역할을 합니다.

즉, 구성 비트가 외부 프로그래밍 하드웨어가 프로그램과 데이터 공간을 읽지 못하게 합니다. 따라서 다른 사람이 코드를 훔치기 어렵게 만듭니다.

마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 비교

마이크로프로세서

출처: 위키미디어 커먼즈

마이크로컨트롤러

출처: 위키미디어 커먼즈

마이크로컨트롤러는 타이머, ROM, 기타 주변장치로 구성된 컴퓨터입니다. 따라서 미니 컴퓨터라고 부를 수 있습니다. 다양한 버전으로 나옵니다. 하지만 마이크로프로세서는 집적 회로로, CPU만 내부에 있는 처리 능력만 가집니다.

차이점을 보여주는 표:

장점 (Pros)

• 메모리에 명령어를 쓰고 저장하므로 복잡한 운영체제가 필요 없습니다.
• I/O 포트 같은 주요 구성 요소의 외부 인터페이싱이 필요 없습니다.
• I/O 포트 프로그래밍 가능.
• 모든 필수 구성 요소를 칩에 넣어 제품 면적, 비용, 설계 시간 단축.

단점 (Cons)

• 운영체제가 없어 모든 명령어를 직접 작성해야 합니다.
• 마이크로컨트롤러 메모리(용량에 따라)가 장치가 수행할 수 있는 명령어를 제한할 수 있습니다.

마무리

요약하자면, 마이크로컨트롤러 기초는 싱글칩 마이크로컴퓨터의 힘을 설명합니다. 메모리, CPU, I/O 포트, 발진 회로 등 장치 구조를 이루는 여러 주변장치로 구성됩니다. 또한 제조사는 제어 대상 장치에 마이크로컨트롤러를 내장합니다.

각 주변장치는 마이크로컨트롤러 기능에 기여하는 중요한 역할을 합니다. 마이크로컨트롤러에 대해 어떻게 생각하시나요? 프로젝트에 가장 적합한 것을 찾는 데 도움이 필요하신가요? 언제든 연락 주세요.