글: Dirk Heinen, Arno Rabenstein
인피니언 테크놀로지스 / www.infineon.com
ARM Cortex-M0 프로세서 코어를 채택한 XMC1000 마이크로컨트롤러
인피니언의 새로운 XMC1000 마이크로컨트롤러 제품군은 8비트 제품을 대체할 수 있도록 8비트 가격으로 훨씬 높은 32비트 성능을 제공한다. XMC1000 제품군은 8비트 시장의 애플리케이션에 이용하도록 설계된 ARM의 표준 Cortex-M0 프로세서 코어를 채택하고 있다. 이 프로세서 코어와 함께 다양한 전용 주변장치 기능들을 결합하고 있으며, 설계 작업 시의 생산성을 향상시키는 다양한 툴들을 제공한다. 비용 효율적인 첨단 프로세스로 생산되는 이들 제품은 지금까지 8비트 제품을 사용해 왔던 사용자들이 이용할 수 있도록 저렴한 가격대로 크게 향상된 성능을 제공한다.
8비트 마이크로컨트롤러를 32비트 마이크로컨트롤러로 교체하는 경향이 갈수록 분명해지고 있다. 한 예로 시장 전문가들에 따르면 독일 산업에서 거의 절반에 가까운 개발자들이 이런 전환을 계획하고 있다. 지금까지는 마이크로컨트롤러의 가격이 이러한 전환을 가로막는 제한 요인이었다. 하지만 이제 인피니언이 XMC1000 제품군을 출시함으로써 더 이상 가격이 제한 요인이 아니게 되었다. 새로운 XMC1000 제품은 65nm의 내부 선폭 기술과 300mm 웨이퍼를 이용해서 제조된다. 다양한 유형의 마이크로컨트롤러를 이용하는 고객들은 2012년 초에 출시된 XMC4000 마이크로컨트롤러 제품군과 함께 이제 XMC1000을 이용할 수 있게 됨으로써 여러 면에서 이점을 얻을 수 있게 되었다.
XMC1000 제품군은 타이머, A/D 컨버터, 직렬 통신 인터페이스 등의 다수의 주변장치 유닛이 XMC4000 Cortex M4 제품과 구조적으로 동일하다. 따라서 다양한 방식으로 확장이 가능하다. 또한 효율적인 소프트웨어 개발을 위해서 DAVE 개발 환경을 무료로 이용할 수 있도록 제공한다. XMC1000 제품은 XMC4000 제품군에 이용되고 있는 다수의 주변장치 기능들뿐 아니라 지금까지 8비트 마이크로컨트롤러에 없던 기능들을 제공한다(그림 1). 또한 이 시장 분야에 적합하도록 플래시 메모리 용량이 8KB부터 최대 200KB에 이르는 제품들을 제공한다. 전용 주변장치 기능은 LED 조명 애플리케이션과 에너지 효율적인 모터 제어를 전문적이면서 간편하게 구현할 수 있도록 한다.
또한 이들 제품은 마이크로컨트롤러 시장의 갈수록 더 중요해지고 있는 임베디드 소프트웨어의 IP 보호를 위한 메커니즘을 포함하고 있다.
그림 1. ARM Cortex-M0 프로세서 코어를 채택한 인피니언의 새로운 XMC1000 마이크로컨트롤러는 8비트 가격으로 32비트 성능 및 혁신적인 기능들을 제공한다.
다양한 애플리케이션 요구 충족하는
3개의 제품 시리즈
다양한 기능들을 제공하는 XMC1000 제품군은 지금까지 8비트 제품을 이용해 왔던 다양한 유형의 애플리케이션 요구를 충족한다. 이러한 애플리케이션으로는 모터 제어, LED 조명, 디지털 전력 변환, 스마트 센서, 커패시티브 제어 소자 및 LED 디스플레이, 그 외 다양한 용도의 애플리케이션을 포함한다. 이들 애플리케이션 요구를 충족할 수 있도록 새로운 XMC1000 제품군은 32MHz로 동작하는 32비트 Cortex-M0과 함께 최대 200KB 플래시 메모리, 강력한 혼성신호 주변장치, 터치 제어 및 LED 디스플레이 제어 모듈, LED 디밍 및 컬러 제어에 이용하도록 인피니언의 특허기술을 적용한 주변장치 유닛, 소프트웨어 IP 보호를 위해서 128비트 AES 암호화를 적용한 플래시 로더, 효율적인 모터 제어를 위한 64MHz의 MATH 코프로세서 등을 비롯한 다수의 새로운 기능들을 제공한다.
뿐만 아니라 이들 새로운 마이크로컨트롤러 제품들은 하드웨어 ECC(error correction code) 및 관련 메모리 테스트 등의 기능들을 이용해서 유럽에서 판매되는 가전의 안전성에 관해서 규정하고 있는 IEC60730 클래스 B 표준에서 정의하고 있는 요구를 충족한다.
그림 2. 다양한 애플리케이션 요구를 충족할 수 있도록 최적화된 3개 시리즈(XMC1100, XMC1200, XMC1300) 제공
3개 제품 시리즈(그림 2)로 20개 이상의 제품을 포함하고 있는 XMC1000 제품군은 각각의 제품이 각기 특정한 애플리케이션 요구를 충족한다. 예를 들어서 XMC1100 엔트리 시리즈는 XMC 제품을 처음 사용할 때 이용할 수 있도록 기본적인 기능들을 제공한다. 하지만 이들 기능은 12비트 A/D 컨버터와 다양한 PWM 패턴을 생성할 수 있는 16비트 타이머와 같은 첨단 기능들이다.
XMC1200 피처 시리즈는 LED 컬러 제어를 위한 주변장치 유닛과 커패시티브 터치 제어 및 LED 디스플레이에 이용하기 위한 회로 유닛 등과 같은 추가적인 애플리케이션 전용 기능들을 제공한다. 또한 이들 제품은 -40℃~105℃의 확장 온도범위로 이용할 수 있다.
XMC1300 제어 시리즈는 모터 제어 및 디지털 전력 변환 애플리케이션에 이용하기에 적합하도록 설계되었다. 이들 애플리케이션에 이용할 수 있도록, 강력한 Capture/Compare Unit 8(CCU8)과 함께 모터 위치를 정밀하게 검출할 수 있는 위치 인터페이스(POSIF)와 전기 모터의 효율적인 센서리스 FOC(field oriented control)를 가능하게 하는 MATH 코프로세서 등의 기능들을 제공한다. 이 코프로세서는 Cortex-M0 기반 제품으로서는 유일한 것이다. XMC1300 제품은 최대 105℃ 온도 범위로 동작하는 제품들을 제공한다.
강력한 특정용도 지향적 주변장치
XMC1000 제품군은 다양한 산업용 애플리케이션에 이용할 수 있도록 다수의 강력한 주변장치 기능들을 제공한다.
XMC1000 제품군의 중요한 특징은 CCU4와 CCU8 타이머 유닛이다. Capture/Compare Unit 4(CCU4)는 신호 모니터링 및 프로세싱과 PWM 신호 생성을 위해서 효율적인 타이머를 필요로 하는 시스템에 중요한 기능이다. 이 기능을 이용함으로써 SMPS와 UPS를 구현할 수 있다. 이 16비트 타이머 모듈은 편리하게 캐스케이드 연결할 수 있는 4개의 동일한 '타이머 슬라이스'로 이루어져 있다.
타이머 유닛의 이와 같은 내부적인 모듈러 특성에 의해서 신속하게 코드를 개발하고 간편하게 이식할 수 있는 소프트웨어 친화적 시스템을 달성할 수 있다. 각각의 CCU4 타이머 슬라이스가 "compare" 모드(1개의 비교 채널)나 "capture" 모드(최대 4개 포착 레지스터)로 동작할 수 있다. 또한 최대 4개의 독립적 PWM 신호를 생성할 수 있다.
CCU8은 또한 보조적인 하프 브리지 구성의 스위치, 다위상 제어, 패리티 검사와 결합해서 좀더 복잡한 PWM 신호 생성을 지원할 수 있다. 이 기능과 신호 컨디셔닝을 위한 고도로 범용성이 뛰어난 프로그래머블 기법을 결합함으로써 CCU8은 특히 강력한 모터 제어, 다중위상, 다중레벨 시스템에 이용하기에 적합하다. 비교 모드일 때는 각 타이머 슬라이스로 2개 비교 채널을 이용할 수 있다. 그러므로 스위치에서 단락 회로를 방지하기 위해서 지연시간을 이용해서 각 타이머 슬라이스로 최대 4개 PWM 신호를 생성할 수 있다(각 CCU8 유닛으로는 최대 16개 신호). 각각의 CCU8 모듈은 4개 서비스 요청 라인을 포함하므로 이들 라인을 타이머가 PWM 신호 생성기와 A/D 컨버터 사이의 동기화된 트리거로 동작하도록 프로그램할 수 있다.
이들 새로운 MCU(XMC1300) 제품은 또한 회전 트랜스듀서, 홀 센서, 다중채널 위치 검출을 지원하기 위해서 포지셔닝 인터페이스 모듈(POSIF)을 포함한다. 이 모듈은 입력 필터링, 에지 검출, PWM 유닛의 제어 신호에 이용된다. 이 모듈은 다양한 모터 제어 유형에 적합하게 구성할 수 있다. 그러므로 모터 속도 및 위치 정합을 이용해서 단순 제어 루프와 복잡한 제어 루프를 모두 구현할 수 있다.
LEDTS(LED and touch sense) 모듈은 HMI 애플리케이션에서 LED와 터치 패널을 제어할 수 있는 간편한 솔루션을 제공한다.
유연한 USIC 인터페이스 모듈을 이용해서는 ASC, SSC, I2C, I2S 같은 다양한 직렬 통신 프로토콜을 구현할 수 있다. USIC 모듈은 2개의 독립적인 통신 채널을 제공한다. 전용 FIFO를 제공하므로 저속 애플리케이션에서 버퍼링이 가능하다.
A/D 컨버터 모듈은 연속 근사(successive approximation: SAR) 방식으로 동작하는 커널을 포함한다. 분해능을 8비트, 10비트, 12비트로 프로그램할 수 있다. 뿐만 아니라 각 채널에 대해서 개별적으로 증폭을 설정할 수 있다. FIFO 메모리는 매우 고속의 샘플링 속도를 이용해서 동작할 때 데이터 소실을 방지한다. XMC1200/1300 시리즈는 또한 2개의 샘플-앤-홀드 스테이지와 고속 아날로그 비교기를 포함한다. A/D 컨버터를 이용한 측정은 CCU4/CCU8 타이머를 이용해서 트리거할 수 있다.
그 밖의 유용한 주변장치 기능으로서 의사 난수 생성기, 실시간 클록(RTC), 윈도우 워치독 타이머(WDT)를 포함한다.
혁신적인 LED 제어
XMC1200 및 XMC1300 시리즈는 또한 BCCU(brightness and colour control) 유닛을 제공한다. BCCU의 기본적인 기능은 외부 LED 드라이버의 포트 접속점에서 자동으로 디밍 신호를 이용할 수 있도록 하는 것이다(그림 3). BCCU는 다중채널 LED 램프의 디밍 및 컬러를 자동으로 제어할 수 있도록 설계되었다.
그림 3. BCCU 유닛을 이용한 LED 조명 제어
이 유닛의 중요한 특징은 자동 고주파 세기 변조이다(12비트 분해능을 이용한 PDM). 그럼으로써 깜빡임 없는 디스플레이를 달성할 수 있도록 한다. 지수함수적(exponential) 디밍 및 선형적 세기 조절은 디밍 스텝과 색상 변경이 사람의 눈에 완벽하게 자연스럽게 보이도록 한다. 다양한 유형의 고성능 LED를 지원할 수 있다.
XMC1200 제품의 2개 LEDTS 모듈을 이용해서 HMI 애플리케이션에서 LED와 터치 패널을 구동할 수 있다. 이와 동시에 이들 LEDTS는 RO(relaxation oscillator) 토폴로지의 도움을 받아서 각기 최대 8개 터치 패드의 커패시턴스를 측정할 수 있다. 단일 LED 매트릭스로 최대 64개(8x8) LED를 제어할 수 있다. 이들 모듈을 동기화함으로써 최상의 결과를 달성할 수 있다. 터치 패드와 L ED가 배선을 공유함으로써 필요한 핀 수를 최소화할 수 있다.
에너지 효율적 모터 제어
CCU4/CCU8 타이머 유닛과 POSIF 위치 인터페이스는 효율적인 모터 제어를 위해서 모터의 위치와 속도를 검출할 수 있는 간편한 솔루션을 제공한다. 뿐만 아니라 MATH 코프로세서는 24비트 분해능을 이용해서 벡터 회전(PARK 변환)을 실시할 수 있으므로 FOC(field oriented control) 모터 제어를 위한 강력한 알고리즘을 구현할 수 있다(그림 4).
그림 4. XMC1300 마이크로컨트롤러를 이용한 센서리스 FOC(field oriented control)
Capture/Compare Unit(CCU4)는 일차적으로 SMPS 애플리케이션에 이용하도록 설계되었다. CCU4는 펄스 생성이나 또는 디더(dither) 기능과 함께 이용해서 저속 제어 루프 안정화에 이용할 수 있다. 또한 프로그래머블 POSIF 블록과 함께 이용함으로써 증분 인코더를 검사하는 데 이용할 수 있다. 다양한 애플리케이션에서 POSIF를 이용함으로써 정확도를 향상시키고 소프트웨어를 간소화할 수 있다. 데이터를 동시에 포착할 수 있기 때문이다. 저역통과 필터는 부정확한 위치 및 속도 리딩을 일으킬 수 있는 것으로서 홀 센서 및 회전 트랜스듀서로부터의 잡음 및 간섭 임펄스를 억제할 수 있다.
CCU8과 추가적인 비교 채널을 이용함으로써 상승 에지와 하강 에지에 각기 다른 지연시간을 지정할 수 있으므로 비대칭 PWM 신호를 발생시킬 수 있다. 이 방법을 이용하는 것이 유용한 애플리케이션으로는 드라이브의 3위상 인버터, 태양광 모듈의 3레벨 인버터, 하프 브리지 컨버터 등을 들 수 있다.
64MHz MATH 코프로세서는 삼각법 계산(trigonometric calculation)을 위해서 32비트 스케일러와 24비트 CORDIC을 포함한다. 이 스케일러와 CORDIC 유닛이 Cortex-M0 CPU와 병렬로 동작할 수 있다. MATH 유닛은 실시간 애플리케이션에서 프로세싱 성능을 크게 향상시킨다.
IP 보안
마이크로컨트롤러 애플리케이션 개발 작업과 관련해서는 전문화와 분산 작업이 갈수록 더 가속화되고 있다. 예를 들어서 임베디드 소프트웨어를 개발하는 설계 회사, 직렬 프로그래밍 및 제조 서비스를 제공하는 회사, 최종 제품을 생산하는 OEM 사이에 데이터 교환이 갈수록 더 늘어나고 있다. 그러므로 이 과정 중에 IP가 도용 당할 수 있는 위험성이 항상 존재한다. 예를 들면 라이센스 비용을 기반으로 한 사업 모델을 다룰 때 허가되지 않은 복제나 위조가 있을 수 있다. 그러므로 인피니언은 새로운 XMC1000 제품군을 개발할 때 갈수록 더 중요해지고 있는 이 측면의 요구를 충족하도록 하였으며 IP 보호를 위한 솔루션을 포함시켰다(그림 5). 또한 인피니언이 칩카드 분야에서 축적한 전문지식을 적용하였다.
IP 보호를 위한 기본적인 방법은 소프트웨어를 특정한 마이크로컨트롤러로만 실행할 수 있도록 하고 개발 작업 전반에 걸쳐서 특정한 사람들만 이 소프트웨어 코드에 접근할 수 있도록 하는 것이다. 인피니언이 취하고 있는 방법은 IP 소유권자에게 지정된 XMC1000 마이크로컨트롤러로만 알려진 키를 이용해서 임베디드 소프트웨어를 암호화할 수 있는 툴을 제공하는 것이다. 그러면 이들 특정 마이크로컨트롤러로만 프로그래밍할 수 있다. 이와 함께 각각의 마이크로컨트롤러가 특정 고객 또는 특정 프로젝트에 따른 키를 지니고 있으며, 128비트 AES 기법을 기반으로 동작하고 로딩 프로세스 시에만 코드를 암호화는 루틴(로더 툴에서 지원하는 보안 로더 모드)을 실행한다. 이것을 플래시 메모리로 저장하고 최종적으로 록 보호 기능을 포함하고 있는 제품을 제공할 수 있다.
그림 5. XMC1000 제품군은 혁신적인 IP 보호 메커니즘을 포함
효율적인 개발 지원
XMC1000 제품은 간편하게 소프트웨어 개발을 할 수 있도록 XMC4000 시리즈와 마찬가지로 DAVE 개발 환경을 제공한다. DAVE는 인피니언 웹사이트(www.infineon.com/dave)에서 무료로 다운로드 할 수 있다.
이 툴 패키지는 DAVE Apps를 기반으로 한 자동 코드 생성기, 플래시 로더를 포함하는 무료 GNU 컴파일러 및 디버거를 제공한다. 뿐만 아니라 인피니언과 다수의 개발 파트너사들이 협력해서 XMC1000 제품에 이용할 수 있도록 컴파일러, 디버거, 소프트웨어 분석 툴, 플래시 프로그래머 등을 비롯한 추가적인 전문적 개발 툴과 소프트웨어 솔루션, 교육, 기술 지원을 제공한다.
DAVE는 "DAVE Apps"라고 하는 사전에 정의되고 테스트된 소프트웨어 컴포넌트를 기반으로 자동으로 코드를 생성할 수 있다. 라이브러리와 샘플 프로그램을 이용한 기존의 기법과 달리 DAVE Apps는 좀더 추상적이며 다수의 DAVE Apps를 그래픽적으로 간편하게 조합할 수 있다. 그럼으로써 칩 상의 하드웨어 자원을 자동으로 정확하게 맵핑할 수 있다. DAVE와 함께 DAVE Apps를 다운로드 해서 이용할 수 있다. 이들 DAVE Apps는 이더넷, 데이터 무결성 및 암호화 솔루션, PWM 생성, 다양한 카운터 및 타이머 애플리케이션 시나리오, 인터럽트 처리, DMA(direct memory access) 구성 등을 지원한다. DAVE Apps는 다양한 유형의 애플리케이션을 지원하기 위해서 계속해서 업데이트 되고 있다.
DAVE는 공개 플랫폼이므로 간편하게 확장 및 변용이 가능하다. 그러므로 사용자들은 자신이 익숙한 설계 환경(IDE)을 이용할 수 있으며 DAVE가 제공하는 자동 코드 생성의 이점을 제한 없이 활용할 수 있다.
새로운 XMC1000 제품을 간편하게 평가할 수 있도록 부트 키트를 제공한다. 3개 제품 시리즈 각각에 대해서 부트 키트를 제공하고 있다. DAVE, 디버거, 일련의 샘플 앱을 포함하는 이들 키트는 간단한 애플리케이션 소프트웨어를 개발할 수 있도록 포괄적인 패키지를 제공한다.
인피니언은 애플리케이션 지향적 개발을 위해서 애플리케이션 전용 키트를 제공한다. XMC1000 제품군을 위해서는 가장 먼저 LED 조명 솔루션 개발에 이용할 수 있는 키트를 제공한다. 그리고 2013년 5월에는 표준 모터 제어 및 고효율 모터 제어를 위한 키트를 제공할 예정이다.
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