규칙으로 배우는 임베디드 시스템: CPU 이론 및 펌웨어 개발 규칙

개정 2판

장선웅 지음

북랩 2024년 11월 23일 출간 국내도서 : 2024년 10월 23일 출간

작품소개

책소개

전기 / 전자시스템 개발 전문가 길잡이

베테랑 엔지니어의 전기/전자
임베디드 시스템 개발을 위한 확실한 로드맵!

\"이 책을 읽는 가장 좋은 방법은 소설책 읽듯이 반복하여 읽어 기초 이론과
시스템 개발 규칙 간의 연관관계에 대해 이해하는 것입니다.\"

CPU(Central Processing Unit)는 목표하는 동작을 수행하기 위해 명령을 읽고 해석하여 처리하는 중앙 처리 장치로 정의된다. 수동 소자, 능동 소자와 반도체 IC. 특히 플립플롭 같은 메모리 소자들을 모두 이용한 회로를 하나의 패키지에 집적하여 만들어진 IC가 CPU이며, 집적회로의 최고봉이라 할 수 있다.

CPU의 사용은 하드웨어만으로 설계된 시스템에 비하여 소프트웨어만 변경함으로써 시스템의 구현 및 수정을 쉽게 할 수 있다는 최대의 장점으로 대부분의 전기/전자 시스템에 사용되므로 구조 및 동작에 대해 알아 두어야 한다.

특정 CPU를 지정하여 자세히 알아보는 것도 충분히 의미가 있겠지만, 여기서는 CPU의 일반적인 구성 요소들과 동작에 대해서 살펴봄으로써, 사용하게 될 CPU의 종류가 바뀌더라도 쉽게 접근할 수 있는 능력 배양을 목표로 한다.

목차

I. CPU 기초 이론
1. CPU 일반
1.1. CPU의 구조 및 동작
1.2. 명령어 구조와 실행 파일
1.3. CPU 동작을 위한 주변 하드웨어
1.4. 리셋 후 펌웨어 부팅 과정
1.5. 인터럽트
2. MCU(Micro Controller Unit)
2.1. GPIO
2.2. MCU 선택의 고려사항
3. 펌웨어의 동작 이해
3.1. CPU 의 동작과 바이너리 파일 생성 과정
3.2. 스타트업 프로그래밍 실습

II. 펌웨어 개발 규칙
1. 펌웨어의 설계 및 구현 규칙
1.1. 펌웨어 구조
1.2. 펌웨어의 환경 설정
1.3. 펌웨어의 안전성
1.4. 펌웨어의 성능
1.5. 펌웨어의 양산 및 유지보수

III. 펌웨어 설계 및 개발
1. 시스템 개발 프로세스
2. 시스템 요구사항 및 펌웨어 설계
2.1. 시스템 요구사항
2.2. 펌웨어 설계
3. 제어기로 보는 코드 구현 순서
3.1. ON/OFF 제어기
3.2. 온도 제어기의 설계 및 코드 구현
3.3. 채터링 방지 알고리즘
4. 데이터 취득 및 처리
4.1. ADC 와 DAC&PWM
4.2. 수치 해석
4.3. 디지털 필터
5. 통신
5.1. 직렬 통신 일반
5.2. 직렬 통신 종류
5.3. 자료 구조론
5.4. 모드버스(Modbus) 펌웨어 구현

IV. [참고] 디버깅

책 속으로

1.3.4. CPU 버스 구조

CPU 가 메모리에서 데이터를 취득하고 기록하는 전기적 과정을 알기 위해서는 버스 구조를 알아야 한다.
버스(BUS)는 동일한 목적을 가진 신호선들의 묶음을 의미하는 것으로, 일종의 데이터 교환을 위한 통신 선로로 정의된다.
물론, 데이터 전송을 더 효율적으로 처리하기 위해 설계된 표준 인터페이스인 ARM CPU에서 사용되는 AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스와 같은 경우 이 장에서 볼 단순한 SRAM 버스보다 복잡한 구조와 프로토콜을 가지는데, 결국 데이터를 주고받는 목적으로써의 개념은 동일하므로, CPU 동작의 이해 측면에서는 이 전통적인 SRAM 버스의 동작을 이해하는 것만으로도 충분할 수 있다.
이 버스 구조는 비단 CPU 와 메모리 사이의 연결 통로일 뿐 아니라, CPU 와 디지털 입/출력과 같은 주변 장치들과의 연결 통로가 된다.

p. I-33


4.1.3. PWM(Pulse Width Modulation)

앞에서 디지털 신호를 전압으로 만들어 주는 DAC 컨버터를 보았다. 이보다 간단한 개념인 PWM(Pulse Width Modulation)은 펄스의 주기를 고정한 상태에서 HIGH 상태의 시간을 바꾸어 가며 평균 전압을 제어하는 것을 말한다.
이런 PWM 구동 방식은 특정 전압을 출력하기 위하여 DAC 나 저항 분압 등의 방식을 사용하지 않고도, 디지털 포트 제어로 듀티비(HIGH 기간)를 조절하여 전압을 제어할 수 있어 간단하고, 낮은 전력 손실로 동작시킬 수 있기 때문에 많이 사용되는 방법이다.
PWM 의 ON/OFF 스위칭 동작에서 스위칭 주파수 노이즈와 그의 하모닉(정수배) 노이즈를 유발하고 작은 링잉 노이즈가 계속 발생하게 되는 단점도 가지고 있지만, 단점보다 장점이 훨씬 크기 때문에 인버터, DC-DC 컨버터, LED 밝기 제어, 모터 제어 등 많은 곳에서 사용되는 기술이므로 알아 둘 필요가 있다.
아래는 ON 구간과 OFF 구간의 폭이 다른 디지털 펄스 출력에 대한 평균 전압을 나타낸 그림이다.

p. III-192

작가정보

저자(글) 장선웅

1999년도 충남대학교 메카트로닉스학과를 졸업했다. 이후 반도체 팹리스 업체에서 18년 동안 엔지니어로 근무하면서, 특허청장 표창을 받은 이력이 있다.