최적의 마이크로컨트롤러를 찾아서

MICROCONTROLLER

우리의 일상은 수많은 임베디드 시스템으로 둘러 싸여 있다. 가령 새벽에 전자시계의 알람소리를 듣고 일어나고, 냉장고의 문을 열고 물 한 잔을 마시는 일련의 행위처럼 하루의 시작부터 현대인의 손에 닿는 모든 익숙한 기기들은 대부분 임베디드 시스템이다. 그리고 임베디드 시스템에 지능형 기능을 제공하는 핵심부품이 마이크로컨트롤러, 즉 MCU이다.개인이 인식하던 못하던 간에 보통 사람이 오전의 활동 중에 동작시키는 임베디드 시스템 내의 MCU 수를 헤아려 보면 평균적으로 100여개에 이른다고 한다. 이처럼 가정 내부의 토스터, 무선전화기, 도어록, 세탁기와 같은 물건에서 및 의료기기, 자동차, 산업용 제품에 이르기까지 빠지지 않고 사용되는 MCU는 제품을 동작시키기 위한 기능에 필수적인 부품이다. 또한 기기의 안정성 향상, 에너지 효율 개선, 변화에 대한 적응과 사용자 인터페이스 단순화를 돕고 있다.8비트? 32비트!대부분의 MCU는 8/16/32비트 제품으로 생산되고 있으며, 현재 시장규모에서 8비트 MCU가 임베디드 시스템의 주류를 이루고 있다. 특히 8비트 MCU의 경우 이미 1달러 미만의 가격으로 떨어진 지 수년이 지났고 냉장고, 세탁기는 물론 리모컨이나 장난감과 같은 단순한 제품에도 광범위하게 활용되고 있다. 그밖에도 자동차에는 수십 개의 MCU를 사용하는 등, 한 장치 내에서 사용 개수의 증가 및 모바일 제품의 유행에 힘입어 전체 MCU 시장이 급속도로 성장했다.한편, 고성능 애플리케이션 수요 증가에도 불구하고 그동안 8비트 제품에 비해 가격 대비 효율성 측면에서 열세였던 32비트 MCU의 가격 하락 추세가 뚜렷해지고 있다. 이와 더불어 소비자가전제품의 기능이 고급화 되면서 보다 고성능 MCU 수요가 증가하고 있어, 여러 MCU 제조사는 점차 32비트 제품의 비중을 늘릴 태세다. 따라서 프리스케일, ST마이크로일렉트로닉스, 르네사스 등 주요 MCU 제조사는 각기 차별화된 제품 개발전략으로 32비트 시장에서의 확실한 자리매김을 위해 최근 고성능-저가격 제품을 경쟁적으로 출시하고 있다.32비트 MCU 시장은 범용 제품 시장과 SoC 제품 시장으로 구분할 수 있으며 이전에는 고도의 신뢰성이 요구되는 분야로 사용처가 한정되었지만 최근에는 소비가전분야까지 그 영향력을 확대하고 있다. 가령 기본적인 모터 제어로 충분했던 가정용 청소기의 경우 로봇 청소기와 같이 다양한 기능과 고도의 제어 및 연산기능을 요구함에 따라 32비트 MCU를 채용했다. 그밖에도 헬스캐어 분야 제품인 혈압계 역시 간단한 측정을 위한 가정용 제품은 8비트 MCU로 충분하지만 좀 더 전문적인 기능을 지원하기 위해서는 32비트 MCU가 필요하다.ARM의 Cortex-M3의 경우 저비용, 고성능 32비트 MCU 시장을 전략적으로 몰고 가고자 개발된 코어이다. 이 코어를 이용한 ST마이크로의 STM32 MCU는 동급의 ARM7TDMI 기반 제품군보다 최대 30%의 빠른 프로세싱 능력과 최대 75%까지 전력 소모를 줄였다. ST마이크로의 최경화 차장은 “STM32 제품군 중 32K 플래시 메모리를 내장한 저가형 모델의 경우 가격이 1달러 후반”이라며 “Cortex M3 코어를 채용해 이제 32비트 MCU를 가격 부담 없이 사용할 수 있을 정도로 경쟁력을 갖춘 제품군”이라고 설명했다.그러나 단순한 결정론적 구현, 저렴하면서도 강력한 개발 툴, 견고한 5V 동작 그리고 검증된 저가형 검증기술로 인해 8비트 MCU는 32비트 프로세서에 비해 매력적인 요소가 아직 충분하다. 또한 개발자 입장에서도 그동안 익숙했던 개발 환경과 툴에서 새로운 제품에 적응해야 하는 시간과 스트레스를 따진다면 32비트 제품으로의 체제변환이 그리 쉽지만은 않은 결정일 것이다. 한국 마이크로칩의 한병돈 지사장은 “8비트 부문에는 새로운 애플리케이션이 있다.”며 “현재 헤지 트리머, 잔디깎기, 리모컨을 비롯하여 우리가 생각해 본 적 없는 부분까지 MCU가 사용되고 있다.”고 여전히 8비트 시장이 건재함을 강조했다.한편, 8비트/32비트 제품 중 어느 것을 선택해야 하는가에 대한 고민을 해결해줄 수 있는 흥미로운 제품이 있다. 프리스케일의 컨트롤러 컨티늄(Controller Continuum) 개념이 바로 그것. 프리스케일의 플렉시스(Flexis) 제품군은 제품 간 Pin-to-Pin 호환이 가능하고, MCU 내 주변장치 및 기능이 동일하게 가져가면서 내부 코어는 8비트, 32비트 중에서 필요에 따라 선택이 가능하다. 따라서 이 제품군을 사용한 애플리케이션 개발 시 로엔드 시장을 타깃으로 한 8비트 MCU 제품 기반이더라도, 전용 툴을 사용한 간단한 프로그램 수정만으로 MCU를 32비트 제품으로 업그레이드가 가능하다. 프리스케일의 임구빈 차장은 “프리스케일은 이미 고성능쪾저전력으로 높은 신뢰성이 입증된 8비트 S08 코어와 32비트 코어 ColdFire를 갖추고 있다.”며 “이 같이 우수한 코어를 활용해 많은 8비트 제품 사용자들이 32비트 벽을 넘을 수 있도록 하는 것이 프리스케일의 목표이자 플렉시스 제품군이 타깃으로 하는 시장”라고 설명했다. 플렉시스 제품군은 범용 MCU 외에도 USB 지원 MCU, LCD 컨트롤러 내장 MCU, 산업용 애플리케이션 장치를 위한 MCU 등 지속적으로 라인업을 확대해 나갈 계획이다.주요 제조사별 최신 MCU마이크로칩 테크놀로지마이크로칩은 8비트 및 16비트 PIC MCU를 공급하고 있으며 고성능, 저렴한 비용 및 소형 패키지와 같은 사양이 적절히 조합되어 높은 가격 대비 성능을 제공한다.마이크로칩의 8비트 PIC MCU는 강력한 RISC 코어를 기반으로 하며, PIC MCU 아키텍처는 코드를 거의 또는 아예 변경할 필요 없이 모든 제품군에서 6핀에서 100핀으로 손쉽게 마이그레이션할 수 있도록 지원한다. 고급 기능에는 정교한 타이밍 주변장치, 통합 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 통신 주변장치(이더넷/I2C/SPI/USB/CAN 포트 및 LIN USART), 인써킷 시리얼 프로그래밍 기술을 비롯하여 PEEC 플래시(광범위한 작동 온도에서 메모리 위치마다 1백만 회의 소거/쓰기 주기 실행 가능), EEPROM, OTP(One -Time Programmable), ROM(Read-Only Memory)와 같은 메모리 기술이 있다.16비트 PIC MCU와 함께 16비트 PIC24 MCU도 8비트 PIC18 제품군의 성능, 주변장치 및 기능을 바탕으로 제작되어 최대 40MIPS를 제공한다. PIC24 MCU를 최적화된 MPLAB C30 C 컴파일러와 함께 사용할 경우 시스템 성능 목표 및 제품 출시 일정을 달성하는 데 필요한 높은 처리량과 C 코드 집적도를 얻을 수 있다.PIC24 제품군은 두 개의 하위 제품군으로 구성되어 있다. PIC24F는 8비트 MCU 기능의 한계를 압박하는 많은 애플리케이션을 위해 성능, 메모리 및 주변장치를 경제적으로 향상시킬 수 있게 해준다. 요구 사항이 좀 더 까다로운 애플리케이션의 경우 PIC24H를 사용하여 40MIPS의 성능, 추가 메모리를 비롯하여 CAN 및 통신 모듈 같은 주변장치를 얻을 수 있다.프리스케일 세미컨덕터프리스케일은 RS08(S08) 8비트 코어를 이용한 제품군을 통해 저가쪾저전력 컨트롤러 제품군 시장을 확대하고 있으며, ColdFire 코어를 이용한 제품군을 통해 지속적으로 32비트 성능을 높여가고 있다. 특히 지난해에는 8비트 성능의 한계를 극복하기 위해 업계 최초 8비트와 32비트 MCU가 호환되는 컨트롤러 컨티늄 개념을 소개하고, 플렉시스라는 이름으로 선보인다. 프리스케일의 플렉시스 제품군은 코어와 상관없이 8비트-32비트 MCU가 상호 호환되어 아키텍처 간의 손쉬운 통합을 지원한다. ColdFire 코어 기반의 플렉시스 제품군은 S08 아키텍처 기반의 제품과 동일한 주변기기 모듈과 개발 도구를 사용할 수 있으므로 상위 호환성이 제공되며 애플리케이션 설계의 간소화가 가능하다.이미 프리스케일은 수십 년 간 쌓아온 MCU 관련 전문 지식을 바탕으로 풍부한 주변기기 제품군을 갖추고 있다. 따라서 플렉시스 제품군 역시 이러한 이력을 활용하여 새로운 애플리케이션 특성과 기능을 지원하고 있다. 또한 제품 개발자들을 위해 저가형 데모 보드와 풀 스펙의 평가보드와 같은 사용이 편리한 툴킷을 함께 공급하고 있다. 프리스케일의 32비트 ColdFire 코어와 8비트 S08 아키텍처는 CodeWarrior 6.0 개발 스튜디오를 비롯한 다양한 공용 도구를 공유한다. CodeWarrior 도구 세트를 사용하면 8비트 마이크로 컨트롤러에서와 같은 간편성으로 32비트 ColdFire 아키텍처를 프로그래밍할 수 있다. 특히 플렉시스 제품군에 사용된 ColdFire V1 코어는 향상된 시스템 활용률을 제공함으로써 현재까지 발표된 ColdFire 제품 중에서 가장 낮은 전력을 소비하면서 8비트 마이크로 컨트롤러보다 높은 프로세싱 성능을 제공하도록 설계되었다. 또한 V1 코어는 S08 버스 구조를 사용하므로 유사한 주변기기와 메모리 모듈을 사용할 수 있다. 패키지 핀 호환성의 경우, V1은 S08의 단일 핀 백그라운드 디버그 모드를 사용하므로 간단한 인터페이스 구성이 가능하다.ST마이크로일렉트로닉스ST마이크로일렉트로닉스는 ARM Cortex M3 코어에 기반한 32비트 플래시 MCU 제품군을 최근 선보였다. STM32 제품군은 Thumb-2 명령 세트를 포함해 Cortex M3의 수많은 새로운 아키텍처 향상으로 다양한 이점을 제공, 우수한 코드 밀도가 통합된 향상된 성능, 완벽히 조합된 네스트 벡터 인터럽트 컨트롤러(Nested Vectored Interrupt Controller)를 통해 저전력을 구현한다.STM32는 강력한 수준의 성능과 에너지 효율을 제공하면서 개방형의 산업 표준 ARM 아키텍처 및 개발 환경으로 동작하는 모든 장점을 유지하도록 설계되어, 2가지 제품 라인으로 제공된다. STM32F103 ‘Performance’ 라인은 72MHz 클록 주파수를 갖추고 있으며 최고 수준의 32비트 MCU 성능을 제공한다. STM32F101 ‘Access’ 라인은 36MHz 클록 주파수를 갖추고 있으며 16비트 디바이스 사용자에게 동일한 16비트 가격 수준에서 상당히 우수한 성능 향상을 제공한다. 두 제품 라인 모두 32K~128K의 임베디드 플래시 메모리를 제공하지만 최대 SRAM 크기 및 주변기기 결합 부분이 다르다. 72MHz에서 플래시를 실행하는 STM32는 32비트 시장에서 최저 소비전력인 36mA만 소모하며, 0.5mA/MHz와 대응된다.STM32는 배터리 구동식 애플리케이션에서 이상적이며 2.0~3.6V 전원 공급장치에서 동작하며 리셋 회로 액티브 기능으로 대기 모드에서 2㎂까지 전력 소비를 낮춘다. 다른 전력 절감 기능에는 배터리 동작을 위한 전용 핀을 갖춘 통합형 RTC, 전용 32kHz 오실레이터, 4개의 저전력 모드가 포함된다.주변기기 세트는 최대 128KB 임베디드 플래시, 최대 20KB의 RAM, 최대 2개의 ADC(1㎲ec 변환 시간에서 12비트), 최대 3개의 USART, 최대 2개의 SPI(18MHz 마스터/슬레이브), 최대 2개의 I2C, 최대 3개의 16비트 타이머(4개 입력 캡처/4개 출력 비교/4개의 PWM 각각), 레귤레이션 및 모터 제어 벡터 드라이브 애플리케이션을 위한 임베디드 데드 타임 기능의 전용 6PWM 타이머를 비롯해 USB, CAN, 7개의 DMA 채널을 포함한다.

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신용진 (webmaster@techworld.co.kr)

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