1 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러

마이크로컴퓨터와 마이크로컨트롤러의 차이점을 이해한다. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러의 발달 과정을 살펴본다. 마이크로컨트롤러의 장점을 이해한다. 마이크로컨트롤러의 응용 분야를 알아본다. MCS-51 계열의 마이크로컨트롤러를 제조사별로 알아본다. 01. 마이크로프로세서 개요 02. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 03. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러

1. 마이크로프로세서 개요 1.1 마이크로프로세서 개념 마이크로프로세서(Microprocessor) 작은 실리콘 칩 위에 트랜지스터를 수천 만 개 집적한 소자 마이크로()는 매우 작은 크기, 프로세서는 처리기 혹은 CPU를 뜻하므로 마이크로프로세서는 “매우 작은 처리기”를 의미 인텔에서 Intel 4004라는 최초의 마이크로프로세서 개발(1971년) 마이크로프로세서의 2가지 형태 CPU형 마이크로프로세서 - CPU 기능 대부분을 칩 하나에 집적하고, - CPU형 마이크로프로세서를 중심으로 ROM, RAM, 입출력장치 등을 추가하여 마이크로컴퓨터(microcomputer)를 구성할 수 있음 단일 칩 마이크로컴퓨터(single chip microcomputer) - 마이크로컴퓨터에 들어가는 모든 부품들을 하나의 반도체 칩에 집적한 것(혹은 one chip microcomputer 라고도 함) - 연산용과 제어용으로 분류하며, 제어용 단일 칩 마이크로컴퓨터를 마이크로컨트롤러(microcontroller)라고 하고 8051, AVR, PIC 등이 있음

1. 마이크로프로세서 개요 1.2 마이크로컴퓨터 개념 마이크로프로세서(Microprocessor) 컴퓨터의 CPU(Central Processing Unit)가 가진 기능의 대부분을 하나 혹은 몇 개의 반도체 칩(Chip)으로 집적한 것 마이크로컴퓨터(Microcomputer) 마이크로프로세서를 중심으로 ROM, RAM, I/O 장치 등으로 구성된 소규모 컴퓨터 시스템 마이크로컴퓨터 구성

1. 마이크로프로세서 개요 산술 논리 연산 장치(ALU : Arithmetic Logic Unit) 레지스터(Register) 가산이나 승산 등의 산술 연산과 AND 조작과 같은 논리 연산을 수행 레지스터(Register) 프로그램의 실행 중에 데이터를 보관하는 작은 메모리로 고속 액세스 가능 제어 장치(Control Unit) 명령어를 해석하고 그것을 실행하는데 필요한 컴퓨터 내부의 각 장치 사이의 데이터 흐름을 제어 버스(Bus) 마이크로프로세서와 각 장치들이 서로 정보를 교환하기 위해 필요한 전송로 주소 버스 : 메모리 내의 특정 장소나 입출력 장치의 특정 포트(port)를 지정하는 주소가 실린다. 데이터 버스 : 각 장치간에 주고받는 정보가 실린다. 제어 버스 : CPU 내부 또는 외부로부터 시스템 동작을 제어하는 신호가 실린다.

1. 마이크로프로세서 개요 1.3 메모리 구성에 따른 마이크로프로세서 분류 폰 노이만 구조 폰 노이만 구조 데이터 영역과 프로그램 영역의 물리적인 구분이 없고 버스 크기도 동일 데이터와 프로그램 코드를 동일하게 취급하므로 데이터도 프로그램 코드에 함께 들어감 마이크로프로세서 속도가 빠를수록 고성능이며, 대표적인 예는 일반 데스크톱 PC 폰 노이만 구조

1. 마이크로프로세서 개요 하버드 구조 데이터 영역과 프로그램 영역이 물리적으로 구분되어 있고 각 버스의 크기도 다를 수 있다. 데이터와 명령어를 분리해서 처리하며, 대표적인 예는 8051, PIC, AVR 하버드 구조

1. 마이크로프로세서 개요 1.4 명령어 구조에 따른 마이크로프로세서 분류 CISC(Complex Instruction Set Computer) 구조 ‘복합 명령어 셋 컴퓨터’라는 의미를 지니는 방식이며, 대표적으로 인텔의 x86계열 CPU와 펜티엄 4도 이 방식을 사용 CPU가 처리할 수 있는 명령어를 모두 내장하므로 CPU의 구조가 매우 복잡 CISC 방식의 장점은 뛰어난 하위 호환성에 있음 개인용 컴퓨터인 PC에 많이 사용. 8051은 CISC 방식임 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 구조 ‘축소 명령어 셋 컴퓨터’라는 의미를 지니는 방식이며, 주로 대형컴퓨터나 워크스테이션에 사용 CPU에 내장된 명령어를 줄여 보다 빠른 처리속도가 특징 CPU의 구조를 보다 단순화 복잡한 명령어는 단순한 명령어를 조합해서 사용 AVR, PIC는 RISC 방식임

1. 마이크로프로세서 개요 CISC와 RISC 비교 CISC는 내장된 수백 개 명령어를 이용해 프로그램을 작성하기 편리하고, CPU를 좀 더 복잡하고 세밀하게 다룰 수 있다는 장점이 있으며, 하위 호환성이 있으므로 다양한 환경에서도 제 성능을 발휘 RISC는 일부 명령어만 포함해 구조가 효율적이지만 특정 목적에 특화되어 다양한 용도로 사용하기에는 적합하지 않음 결국, 개인용 컴퓨터처럼 호환성이 절대적으로 필요한 환경에서는 당분간 CISC가 강세일 것이며 좀 더 전문 용도에서는 효율적이고 속도가 빠른 RISC가 우위를 점할 것임 인텔은 CISC 방식만 고집하다가 64비트 CPU에서는 RISC 방식을 도입 AMD는 CISC 방식에 일부 RISC 방식을 더 일찍 도입해 CPU 성능을 높임 이를 통해 아직은 CISC 방식을 더 많이 사용하지만 대세는 분명 RISC 방식임을 알 수 있음

1. 마이크로프로세서 개요 1.5 단일 칩 마이크로컴퓨터 단일 보드 마이크로컴퓨터(One Board Microcomputer) 마이크로컴퓨터 중에서 부품들을 한 장의 기판 위에 배치해 놓은 것 단일 보드 마이크로컴퓨터

1. 마이크로프로세서 개요 단일 칩 마이크로컴퓨터(Single Chip Microcomputer) 단일보드 마이크로컴퓨터에 들어가는 모든 부품들을 하나의 반도체 칩(VLSI)에 집적 단일 칩 마이크로컴퓨터는 용도에 따라 연산 및 데이터의 처리를 목적으로 하는 연산용과 기계의 제어를 목적으로 하는 제어용으로 분류 마이크로컨트롤러 : 제어를 목적으로 하는 단일 칩 마이크로컴퓨터 8051 계열 : 마이크로컨트롤러에 속함 단일 칩 마이크로컴퓨터

1. 마이크로프로세서 개요 1.6 마이크로컨트롤러 장점 제품이 소형화되고, 경량화된다. 제품의 가격이 저렴하다. 융통성이 높아서 기능 변경이나 확장이 용이하다. 신뢰성이 향상된다.

1. 마이크로프로세서 개요 1.7 마이크로컨트롤러 응용 마이크로컨트롤러의 분야별 응용 산업 • 모터 제어 • 로봇 제어 • 프로세스 제어 • 수치제어 • 지능형 변환기(transducer) 계측 • 의료용 계측기 • 가스 크로마토 그래프 • 오실로스코프 가전제품 • 비디오 레코더 • 레이저 디스크 • 비디오 게임기 유도제어 • 미사일 제어 • Torpedo 유도 제어 • 지능형 무기 • 우주선 유도 제어 데이터 처리 • 플로터(plotter) • 복사기 • 하드디스크 구동장치 • 테이프 구동장치 • 프린터 자동차 • 점화 타이밍 제어 • 연료 분사 제어 • 변속기 제어 • ABS 제어 • 열 방사 제어 통 신 • 모뎀 • 지능형 line card 제어

1. 마이크로프로세서 개요 마이크로컨트롤러의 CPU 성능에 따른 응용 • 전자렌지, 전기밥솥, 가스 오븐, 전기세탁기 등 가전제품 • 휴대용 음향기기 • 자동차용 라디오 • 게임기 8비트 CPU • 단말기 • 계측기기 • 고급 탁상계산기 • 학습기 • 재고 관리기 • 감시장치 12비트 CPU • 자동차 전자 장치 • 계측 • 상수도, 가스 등의 telemeter 16비트 이상의 CPU • 프로세서 제어 • 기타 복잡한 기계나 시스템 제어

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 2.1 마이크로프로세서 발달 과정

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 2.2 마이크로컨트롤러 발달 과정 마이크로컨트롤러의 기본 구성

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 2.3 8051, AVR, PIC, ARM 계열별 마이크로컨트롤러 8비트 : 인텔의 8051 계열, 마이크로칩(Microchip)의 PIC 계열, 아트멜(Atmel)의 AVR 계열, 모토롤라의 68k 계열, 자이로그(Zilog)의 Z88 계열 32비트 : 인텔 80960, 모토롤라 68332, ARM 계열, 프리스케일 ColdFire, MIPS 인텔의 8051 계열 마이크로컨트롤러 초창기에 8비트 시장에서 큰 인기를 누린 인텔이 8051을 이용한 마이크로컨트롤러를 직접 생산했지만, 현재는 아트멜, NEC, 필립스(현 NXP) 등의 주요 업체가 호환 프로세서를 생산 하지만 8비트 마이크로컨트롤러의 대표격인 8051 코어를 이용한 제품은 전자제품 등에서 아직도 많이 사용 마이크로칩(Microchip)의 PIC 계열 RISC 방식의 8비트 마이크로컨트롤러 속도, 내부 메모리 용량, 내장 디바이스 특성에 따라 PIC12, PIC14, PIC16, PIC17, PIC18 계열이 있음 동작 전원 범위(2.0V~ 6.0V)가 넓고, 소비 전류는 수 mA 이하며, 파워 on Reset과 원 칩 타이머, ROM 등을 내장하고 있어 소형 제품을 만드는 데 적합

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 아트멜(Atmel)의 AVR 계열 ATiny, AT90S, ATmega 계열이 있음 동작 전원 범위(1.8V~5.5V)가 넓고, 프로그램 코드를 저장할 플래시 메모리와 데이터를 저장할 EEPROM, SRAM 등 다양한 내부 메모리를 제공 모든 계열이 ROM writer와 같은 별도의 장비 없이 PC에서 AVR의 내부 플래시 메모리로 프로그램을 저장하는 ISP(In-System Programming) 기능을 갖추고 있음 동작 속도 비교 PIC : 5Mips(20MHz를 내부적으로 1/4 분주), 8051 : 2.5~3Mips(20M → 내부적으로 1/7~8 분주) AVR이 8Mips(8MHz를 내부 분주 않음) AVR이 빠르다고 볼 수 있음 명령어 개수 비교 PIC : 약 35개, 8051 : 약 111개, AVR : 약 120개 PIC는 명령어가 적어서 배우기 편하지만 프로그램 작성 시 어려움이 있음

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 가격 비교 PIC, 8051 : OTP(One-Time Programmable) 타입이 있으므로 단가 저렴 AVR : OTP 타입은 없고 플래시 메모리만 제공되므로 불리 데이터 메모리(RAM) 비교 PIC : 128~256바이트 정도 8051 : 128+외부 RAM(최대 64K바이트) AVR : 512+외부 RAM(최대 64K바이트) 데이터 메모리는 AVR이 가장 크며, 8051이나 PIC도 뒤지지는 않는다. 프로그램 메모리(ROM) 비교 PIC, 8051 : 초기에 ROM, EPROM 타입만 제공되었으나 요즘에는 플래시 타입 모델도 출시되고 있음 AVR : 모든 계열에서 플래시 타입을 제공하는 특징이 있음

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 프로그래밍 방식 비교 PIC, 8051 : 일부 모델은 ROM 라이터와 자외선 이레이저(UV erasure)가 필요하지만 플래시 타입은 ISP로 편리하게 프로그래밍할 수 있음 AVR : 모든 계열을 ISP 방식으로 프로그래밍할 수 있다는 장점이 있음 개발 언어 비교 PIC : 어셈블리어가 좋고, C 언어는 하드웨어 구조상 문제점이 많고 생성하는 코드의 효율도 좋지 않음 8051 : 어셈블리어와 C 언어 모두 좋지만 C 언어는 느리다. AVR : 어셈블리어와 C 언어 모두 좋으며, C 언어의 경우 속도 차가 있지만 무시해도 좋을 정도다. 8051이나 PIC는 C 컴파일러가 고가지만 일부 기능을 제한하여 무료로 제공하는 버전이 있으며, AVR은 상용에 뒤지지 않는 무료 버전인 AVR-GCC가 있음 최근에 8051은 무료로 제공하는 SDCC도 있음

2. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 발달 과정 ARM 코어 임베디드 시스템에서 저전력, 저발열, 고성능의 이점이 있어 많은 마이크로컨트롤러 제조업체로부터 주목을 받기 충분했음 이후 여러 마이크로컨트롤러 제조업체가 ARM 코어를 선택함에 따라, ARM 7을 필두로 ARM 9, ARM 11 등의 ARM 코어는 관련 업계의 폭넓은 지지를 받았음 현재 ARM 코어는 PDA나 PMP, 게임기 등의 저전력을 요구하는 소형기기에 사용되며 네트워크 장비인 IP 공유기나 라우터 등에서도 사용된다.

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 3.1 인텔의 8051 계열 마이크로컨트롤러 8051 마이크로컨트롤러 MCS-51 계열 : 8051 기본 구조를 중심으로 일부 변형된 CPU를 통칭 하버드 구조, CISC 머신(machine) 8051 마이크로컨트롤러 4K바이트 프로그램 메모리(ROM)와 128바이트 데이터 메모리(RAM)를 내장 16비트 타이머 2개 64K바이트 외부 프로그램 메모리 공간과 64K바이트 외부 데이터 메모리 공간 내장된 프로그램 메모리는 MROM(Mask ROM) 8031 마이크로컨트롤러 프로그램 메모리(ROM)를 외장한다는 점만 제외하면 8051과 같음 프로그램 크기가 4K바이트 이상인 경우에 적합 8751 마이크로컨트롤러 8751은 내부 프로그램 메모리가 EPROM으로 되어 있음 EPROM 라이터를 사용해 사용자가 프로그램을 기록할 수 있고, 자외선 이레이저를 사용해 기록된 데이터를 지우고 다시 사용할 수 있음

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 8032, 8052, 8752 마이크로컨트롤러 80C51BH 마이크로컨트롤러 8032, 8052, 8752 마이크로컨트롤러 8031, 8051, 8751의 후속 모델로, 내부 프로그램 메모리와 데이터 메모리가 2배고 타이머와 이에 관련된 인터럽트가 하나씩 더 추가 - 내부 데이터 메모리 : 256바이트 - 내부 프로그램 메모리 : 8K바이트 - 인터럽트 소스 : 6개 - 내부 타이머 개수 : 3개 80C51BH 마이크로컨트롤러 CHMOS 기술로 제작된 모델이며 전력 소비가 적음 두 가지 절약 모드(idle mode, power down mode)가 준비되어 있음

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 인텔의 MCS-51 계열 주요 모델의 특징 모델명 ROM RAM T/C INT UART I/O 선 클록(MHz) 비고 80C31BH - 128 2 5 1 32 12, 16 80C51BH 4K, ROM 87C51 4K, EPROM 12, 16, 24 80C32 256 3 6 12, 16, 24, 33 80C52 8K, ROM 87C52 8K, EPROM 80C54 16K, ROM 87C54 16K, EPROM 80C58 32K, ROM 87C58 32K, EPROM 80C51 FA 7 83C51 FA 87C51 FA 83C51 FB 87C51 FB 83C51 FC 87C51 FC 80C51 GB 15 48 83C51 GB 87C51 GB 80C51 RA 512 12, 16, 20, 24 WDT 83C51 RA 87C51 RA 83C51 RB 83C51 RC 87C51 RC

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 3.2 아트멜의 8051 계열 마이크로컨트롤러 인텔의 오리지널 모델에 새로운 I/O 기능을 추가하거나 처리 속도를 높여 성능을 향상시킨 다양한 MCS-51 호환 기종 등장 아트멜(Atmel)이 다양한 MCS-51 모델을 개발했는데, 플래시 메모리에 강한 회사의 특성을 살려 내부 프로그램 메모리를 플래시 메모리로 사용한 모델을 출시 또한 사용자 편의성을 높이거나 패키지의 핀 수를 20개로 소형화하는 등 다양한 모델을 출시했다.

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 아트멜의 MCS-51 계열 주요 모델의 특징 모델명 ROM RAM T/C INT UART I/O Line 클록(MHz) 비고 AT89C1051 1K(Flash) 64 1 3 - 15 24 AT89C2051 2K(Flash) 128 2 6 AT89C4051 4K(Flash) AT89C51 32 AT89C52 8K(Flash) 256 8 AT89C55WD 20K(Flash) 33 WDT AT89C51RC 32K(Flash) 512 AT89LV51 12 AT89LV52 AT89LS53 12K(Flash) 9 AT89S2051 WDT, ISP, PWM(8비트) AT89S4051 AT89S51 WDT, ISP AT89S52 AT89S53 AT89LS51 16 AT89LS52 AT89S8252 WDT, ISP, EEPROM(2K) AT89LS8252 AT89S8253

3. MCS-51 계열 마이크로컨트롤러 필립스(Philips) 달라스(Dallas) 초저가형, 저전압형, OTP형, 플래시 메모리형 등 다양한 모델의 제품군을 갖추고 있다. 달라스(Dallas) 배터리 백업 기능이나 RTC 기능이 내장된 모델을 출시