1. Embedded System 의 이해

2 목 차  Embedded System 정의  Embedded System 활용 분야 및 전망  Embedded System Hardware  Embedded System Software

Embedded System 정의  Embedded 란 ?  Micro processor 또는 Micro controller 가 내장 (embed) 되어 있는 시스템  Hardware 와 Software 가 결합되어 동작한다.  주로 특수한 목적에 활용된다.  사무 작업, 멀티미디어, 프로그램 개발, 웹 서핑 등 범용으로 다양한 분 야에 사용되는 PC 와 달리, 한 가지 또는 몇 가지 특수한 작업을 수행  PC 의 부품 ( 그래픽 카드, 사운드 카드 )  자동차 엔진 제어 장치  가전 제품 제어 장치 (TV 리모콘, 전자 레인지 )  최근에는 PDA 와 같이 Embedded System 에서도 점차 범용성을 띄어 가고 있다.

Embedded System 활용분야  Home Automation & Home Networking  가전 제품에 Microprocessor 또는 Microcontroller 를 내장하여 사람이 해야 할 일을 대신 수행하거나 network 을 통해 서로 연결되어 정보를 주 고 받고, 통제 관리 될 수 있는 환경을 말한다.  Example  자동 온도 조절 장치  무인 경비 시스템  가스 누출 / 수도 감시 장치  이동 전화를 통한 가전 제품 제어 ( TV 녹화, 문단속, 세탁기, 에어컨 등 )  인터넷 기능을 가진 가전 제품 (TV, 냉장고 등 )

Embedded System 활용분야 (1)  Home Automation & Home Networking ( cont’ )

Embedded System 활용분야 (2)  정보 단말기  PDA, 휴대폰, 화상 전화기 등

Embedded System 활용분야 (3)  통신장비  라우터, 스위치 등의 네트워크 장비

Embedded System 활용분야 (4)  Factory Automation  생산 공정의 제어 및 자동화에 필요한 시스템  고성능이 필요한 경우 즉, 실시간으로 공정이 제어되어야 하거나 또는 매우 정밀한 값이 처리 되어야 하는 공정에 실시간 운영체제를 갖춘 고 성능의 Embedded System 을 사용

Embedded System 활용분야 (5)  게임기

Embedded System 활용분야 (6)  환경 감시 시스템

Embedded System 시장 현황  2002 년 임베디드 시스템 세계시장  약 1,000 억 달러 규모  Embedded Software 분야 : 약 200 억 달러 규모  매년 평균 20% 의 성장률  2007 년 약 500 억 달러 수준으로 성장 전망 (RCW Mirus, 2001)  2002 년 국내 시장규모  약 7 천 8 백 억원 규모  2007 년  1 조 9 천 5 백 억원 규모로 성장 전망 ( 정보통신연구진흥원, 2002)

12  미국  프로세서, OS, 프로토콜 등 전 분야를 점유  미국은 군사 / 과학용 Embedded S/W 를 21 세기 핵심 분야로 선정하고, 매년 4 천억 달러 이상을 연구개발에 투자  유럽  개발도구, 브라우저 등의 일부 업체가 존재  군사 / 교통용 Embedded S/W 에 '99 년부터 7 년간 3 조 8 천억을 투자  일본  총무성 주도로 Ubiquitous 네트워크 개발을 추진 중  ‘84 년부터 TRON 협회에서 표준 Embedded OS 를 개발, 일본 내 가전제 품에 적용 중

13 참고 ) TRON  일반적으로 TRON 이라는 약자 불리 우는 트론은 사용자가 개인용 컴퓨터의 기능과 사용법을 정 의하는 컴퓨터 구조. 본래 일본의 전자 회사들이 주도하여 개방된 구조를 가진 새로운 CPU 와 시 스템 소프트웨어를 개발하여 일반 컴퓨터는 물 론 일반 가전 제품과 산업용 기계들에 이르기까 지 모든 제품을 하나의 구조로 통일하여 사용자 들이 보다 쉽고 편리하게 사용하며 이들 기계 사 이에서 정보를 교환할 수 있도록 도와주는 작업 들로 이루어져 왔다. 트론은 산업용 로보트를 이 용하여 공업 분야의 응용을 목적으로 하는 I 트론, 컴퓨터를 이용하여 일반 사무 업무 처리를 목적 으로 하는 B 트론 그리고 개인용 컴퓨터와 웍스 테이션 사용을 목적으로 하는 M 트론 그리고 이 들 여러 기계 장비를 통신망으로 연결하여 데이 터를 교환하면서 작업을 수행하도록 하는 C 트 론 등이 있다

Embedded System H/W  Microprocessor  프로그램의 명령어 처리  8bit/16bit/32bit  Arm 계열, Power PC 계열, MIPS 계열  Memory  프로그램 및 data 저장  RAM/ROM/FLASH memory  Peripheral device  사용자와의 I/O, Microprocessor 보조를 위한 devices  Key button, touch screen, LCD  Network interface chip, Sound codec, UART chip

15 Embedded System H/W 향후 전망  컴퓨터 하드웨어 기술 : 무어의 법칙에 따라서 계속 발전  프로세서  데이터 처리용량 증가 : 32 비트 코어 => 64 비트 코어로 발전.  고성능의 파이프라인, DSP, 자바 처리 전용 H/W 추가  메모리  대용량화 DRAM  FLASH 메모리의 사용증가.  네트워크  유 / 무선 네트워크의 대역폭의 계속적인 증가.  SOC (System-on-a-chip)  CPU, 메모리, DSP, 주변장치 등을 한 칩으로 만드는 기술  이전에 한 PCB 보드에 CPU 칩, 메모리 칩, 주변장치 칩 들을 따로 사용하여 설계.  각 칩에 해당되는 회로를 각각의 IP(Intellectual Property 또는 지적재산권 ) 로 확보해서 한 개의 칩으로 설계  Post-PC 시대의 하드웨어 기술의 핵심  고성능, 저전력, 저가격, 안정성, 내구성, 혁신적 디자인 등이 가능

Embedded System S/W  System software  System 의 하드웨어를 관리하고 응용프로그램에게 시스템을 사용할 수 있는 효율적이고 안전한 interface 를 제공하는 software  운영 체제  Linux, Window XP Embedded, Window CE, VxWorks, uC/OSII  Device drivers  Device 를 제어하기 위한 interface 제공  Application software  실제 필요한 기능을 수행하는 software  PDA 의 일정 관리 software  휴대폰의 각종 서비스 (game, 벨소리, 전화번호부 )

17 Embedded OS  Embedded Linux  Embedded Real-time OS  Nucleus RTOS  Monta vista Linux  Window CE  Symbian’s EPOC  Palm OS  Qplus  Tiny OS

18 정보통신부 임베디드 소프트웨어 육성 배경  임베디드 소프트웨어가 첨단 제품에 탑재  휴대폰, D-TV, 냉장고, 정보 가전 기기  금융, 자동차 등 다양한 서비스 창출 기대  세계적인 통신 인프라와 제조업 기반에 S/W 기술 접 목하여 비즈니스 창출 기회  Embedded Everywhere  Smart Home/Town  유무선 도시통신망  행정, 교통, 교육, 의료, 재난, 환경, 물류  Ubiquitous Korea

19 Embedded S/W 적용

20 환경 감시시스템 Embedded S/W 적용

21 지능형 교통정보 시스템 Embedded S/W 적용

22 MICROS  Micro Information Communication Remote Object-oriented Systems  초소형 원격 무선정보시스템  IEEE 저전력 개인용 무선 테트워크  역할  감지 (Sensing), 추적 (Tracking), 감시 (Monitoring), 행동화 (Actuator)  분야  교량, 교각 안전 진단용, 감시용

23 RISC 프로세서 특징  모든 명령을 하드웨어적으로 해독하고 실행한다.  모든 명령을 1 클럭 사이클 이내에 실행한다.  명령어 수가 적다.  명령어 형식의 수가 적다.  명령어에서 주소지정방식 수가 적다  명령어 길이가 워드 및 데이터 버스폭과 같은 길이로 통 합되어 있다.  범용 레지스터의 수가 많다.  대부분의 연산명령은 범용 레지스터를 중심으로 동작한 다.

24 ARM 개발장비 ADS  Code Generation Tools - C and Embedded C++ compilers, Assembler, Linker for ARM and Thumb® instruction sets  An Integrated Development Environment for Windows  - CodeWarrior® IDE from Metroworks® (PC version only)  Powerful GUI debugger  Instruction set simulators  ROM-based debug tools (ARM Firmware Suite)  ARM cores and processors, ARM9E, ARM10, Jazelle, XScale™  ARM Applications Library  Real Time Debug and Trace 지원

25 ARM 개발장비 MultiICE  400 MHz 에서 130KB/s 빠른 다운로드  여러개의 ARM 디바이스 디버그  ARM7, ARM9, ARM9E,ARM10, 인텔 XScale™ 지원  Low voltage 코어 디버그  플래쉬 메모리에 코드 다운로드  프로세서 정지 없이 호스트 콘솔 I/O 서비스 ( 예, printf)

26 ARM Program

Processor Modes ProcessormodeDescription UserUsr 정상 프로그램 실행 모드 FIQFiq 고속 데이터 전송 및 채널 처리 지원 IRQIrq 인터럽트 처리 모드 SupervisorSvc O/S 를 위한 보호 모드 AbortAbt 가상메모리와 ( 혹은 ) 메모리 보호 구현 UndefinedUnd 코프로세서의 소프트웨어 에뮬레이션 지원 SystemSys 특별한 권한을 가지는 O/S task 지원 (ARM4 이상 버전에서만 )

Total Register  31 general-purpose registers  The unbanked register, R0-R7 : refers to the same 32-bit physical register in all processor mode  The banked register, R8-R14 : refers to depends on the processor mode  Register15, PC  6 status register

29 The Register Organization

30 Program Status Registers  Flag Bit  N : negative  Z : zero  C : carry  V : overflow  Q : DSP – overflow/saturation  Control Bit  I : irq disable  F : fiq disable  T : thumb execution NZCVQDNM(RAZ)IFT MMMMM M[4:0]Mode 0b10000 User 0b10001 FIQ 0b10010 IRQ 0b10011 Supervisor 0b10111 Abort 0b11011 Undefined 0b11111 System

31 The features of the ARM architecture  a 32-bit load/store architecture.  37 total registers for 7 processor modes:  Conditional execution of instructions  ARM (all instructions)  Thumb (one instruction)

bit load/store Architecture  레지스터를 통한 값만을 처리하고 이러한 처리결과는 다시 레 지스터를 통한다.  load instructions : 메모리 값을 레지스터에 복사  store instructions: 레지스터 값을 메모리에 복사  Single/multiple Load/Store instructions.

33 Pipeline Comparison

34 ARM9TDMI Processor Core  ARM 32-bit and Thumb 16-bit instructions (v4T ISA).  Very high code compatibility with ARM7TDMI:  Portable to 0.25, 0.18 µm CMOS and below.  Harvard 5-stage pipeline implementation:  Higher performance from reduced cycle per instruction (1.5)  Coprocessor interface for on-chip coprocessors:  Allows floating point, DSP, graphics accelerators.  EmbeddedICE debug capability with extensions:  Hardware single step  Breakpoint on exception.

35 TDMI  Thumb:  32-bit ARM instruction set 의 16-bit 압축형  Debug:  On-chip debug 지원, debug request 가 오면, processor halt.  Multiplier:  A full 64-bit result  EmbeddedICE™ Logic:  내장 ICE(In-circuit emulator)  JTAG 를 통해 프로그램 됨.  On-chip breakpoint 와 watchpoint 를 제공

36 Thumb 16-bit Instructions  32-bit ARM instruction set 의 압축형  외부 메모리 사이에서 더 낮은 밴드폭을 가진다  코드 밀도를 높인다.  A Thumb enabled ARM  32-bit ARM 과 16-bit Thumb instructions 을 같이 사용  ARM and Thumb code 사이에서 상호 데이터 교환가능  branch with exchange (BX) instruction 을 통해 상태 변화  Instruction 만이 16-bit 이다.

37 ARM7TDMI Block Diagram  Decode 단계에서 16-bit Thumb 명령을 32-bit ARM 명령으로 전환하는 decompression diagram

38 Thumb Benefits

39 Thumb Benefits  Thumb programs typically are:  ~30% smaller than ARM programs  ~30% faster when accessing 16-bit memory  Thumb reduces 32-bit system to 16-bit cost:  Consumes less power  Requires less external memory

40 Debug Extensions  The ‘D’ debug extension adds:  Scan chains around the core.  Scan chain 을 억세스 하는 A test access port (TAP) controller 제공  JTAG(Joint Test Action Group) boundary scan test architecture 를 따른다.  Macrocell testusing an extension of the JTAG architecture  The ‘I’ EmbeddedICE Logic adds:  Breakpoints 와 watchpoints 실행 로직  use the debug features of the core.  A scan chain to communicate with the EmbeddedICE Macrocell.

41 EmbeddedICE feature  Scan Chain 0, Scan Chain 1 와 the TAP controller + the EmbeddedICE logic plus Scan Chain 2  PC parallel port 에 직접 연결되는 the Multi-ICE protocol converter 에 의해 debud code 해석된다  Multi-ICE 와 EmbeddedICE 는 ASIC 내 부 processor 의 완전한 debugging 이 가능하게 한다

42 ARM9TDMI

43 ARM920T

44 System on Chip 시스템온칩 (System-on-a-Chip) 이란 ? SoC (System on Chip) - 하드웨어 로직 뿐만 아니라 프로세서, 롬, 램, 컨트롤러, 주변장치의 회로를 하나의 Chip 에 집적화 하는 기술입니다. SoC 특징 - 모든 제품이 시스템온칩화 : 냉장고, D-TV, MPEG4, Mobile Phone - 회로의 복잡도 증가 : SoC Test 가 문제, IEEE P IEEE P1500 등 - 고성능, 저소비 전력 요구 : ARM Core 장점 - 설계 검증 시간, 비용증가 IP 사용증가로 이한 IP 검증 필요 IP 재사용및 IP 공유가 중요 Simulation, Emulation Tool 중요 TTL 1970 SoC 2002 ASIC, ASSP 1992 CPLD/FPGA 1987 반도체, 집적회로 변화

45 SoC Design Flow