KyungHee Univ. 1-1

Chapter 1Microcomputer-Based Systems

KyungHee Univ. 1-2

전기공학 전기 에너지의 이용

• 에너지 변환 물리 , 화학적 에너지 ↔ 전기 에너지 전기 에너지 ↔ 운동 , 열 에너지

• 에너지 전송 : 송 , 배전• 전기 에너지의 저장

전자공학 신호 및 정보 처리

• 신호 : 주변의 상태와 구분하여 인지 할 수 있는 변동• 신호는 정보를 포함 ( 표현 ) 할 수 있다 .

• 정보 : 체계화된 의미 있는 자료 ( 데이터 )

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신호 및 정보처리 기술 Analog 방식의 신호처리

• 증폭기 , 변복조기 , 미분기 , 적분기 , 저장 등

Digital 방식의 신호 처리• 디지털 시스템 ( 컴퓨터 , 디지털 필터 등 ) 이용• A/D, D/A 변환기 이용

물리적인 량 전기 신호 Analog 신호 처리

전기 신호물리적인 량

물리적인 량 전기 신호 A/D 변환 Digital 신호 처리D/A 변환전기 신호물리적인 량

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컴퓨터 시스템의 기본 구성 요소

Embedded Microcomputer System?컴퓨터 시스템의 기본 요소를 하나의 칩에 집적 .

최소의 외부 회로만을 연결하여 각종 장치를 제어하기에 적합하도록 구성된 마이크로 컴퓨터 시스템

ROM

Microprocessor

RAM

AddressBus

DataBus

ControlBus

InputPort

OutputPort

InterfaceCircuit

PhysicalDevice

InterfaceCircuit

PhysicalDevice

Embedded Microcomputer System

TimerA/DD/A

USARTSPITWI

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Embedded System 의 특징 미리 정해진 ( 제품의 ) 기능을 효과적으로 수행한다 .

• 이용자가 다른 프로그램을 수행 하지 못한다 .• I/O Port 는 특별한 기능 수행을 위하여 장치에 고정된다 .

대부분 Real Time System 으로 운용 된다 . 소비전력 , 메모리 등이 제한된 기능에 최적화 되어 있다 .

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Table 1.2 Embedded system application

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Microprocessor

Rg Transfer Level 에서 디지털 시스템의 동작 기술 데이터 전달 및 저장 기능 : Accumulator, Register , Memory

• D ←  S Function : Combinational Logic

• and, or ,xor, add 등 Binary Operation

• D ← Op1 function OP2

Tristate Gate

Vin Vout

Enable

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Rg Transfer Level 에서 Microprocessor 예 Accumulator Machine

ALU

ABMemoryI/O Port

Bus Interface

AC

Operation 예 ( A Rg ← A Rg + B Rg )• AC ← B Rg• AC ← AC + A Rg• A Rg ← AC

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Rg Transfer Level 에서 Microprocessor 예 Register Machine

ALUABMemory

I/O Port

Bus Interface

Operation 예 ( A Rg ← A Rg + B Rg )• A Rg ← A Rg + B Rg

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AVR Core Diagram

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기억장치의 계층 구조 Accumulator Register Memory

• RAM, ROM, Cache Memory 등

외부기억 장치• 하드 디스크 , CD 등

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컴퓨터 시스템 내에서 데이터의 전달 Read Cycle : Processor ← Memory, Input Port Write Cycle : Memory, Output Port ← Processor DMA( Direct Memory Access) : Memory ↔ I/O Port

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Write Cycle : Memory, Output Port ← Processor

KyungHee Univ. 1-15

DMA( Direct Memory Access) Read Cycle Output Port ← Memory or Input Device

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DMA( Direct Memory Access) Write Cycle Memory or Output Port ← Input Device

KyungHee Univ. 1-17

I/O Port 제어 방식에 따른 I/O Map 구분 Memory-mapped I/O

• Memory Address 공간 의 일부를 I/O Port 에 할당 한다 .• Memory Data Transfer 명령을 사용 한다 .

Isolated I/O( I/O Mapped I/O)• 별도의 I/O Map 공간을 갖는 다 .• 별도의 I/O 명령을 갖는다 .

Memory Address

I/O Address

Memory-mapped I/O

Memory Adress

I/O Adress

Isolated I/O

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Design Process Top-Down Design

• High-level design → Low-level design Bottom-Up Design

• Low-level design → High-level design

System development cycle

Call graphsData structuresI/O interface

Analyzethe

problem

High leveldesign

Engineering

design

Implement-ation

Testing

새로운 요구

제약 조건

설계 명세와

제약 조건

Block diagramsData Flow graphs

HardwareSoftware

Done

Not done

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1. Analysis Phase 개발할 시스템의 설계명세서와 요구 ( 제한 사항 ) 작성한다 . 이 단계에서 고려할 일반적인 사항은 아래와 같다 .

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2. High-Level Design시스템의 Hardware 와 Software 의 모텔 개념을 설계함 .

• 이 단계의 모델은 전체 시스템의 개요를 파악할 수 있는 추상화된 모델임 .• 이 모델은 더 작은 모듈 또는 서브 시스템으로 나누어 구현됨 .

Block Diagrams • 전체 시스템의 개요를 파악 할 수 있다 .

Data Flow Graph• 시스템의 정보 흐름을 보여주는 블록 다이어그램으로 전체 시스템의 개요를

효과적으로 표현할 수 있다 .

Motor Controller 의 Data flow graph 예

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3. Engineering Design High-Level Design 를 Call Flow Graph 를 사용하여 구체화함 ..

Call Flow Graph• Software 와 hardware modules 의 관계를 정의함 .• I/O 관계와 Data 흐름의 개요를 잘 기술 할 수 있음 .

Data Structures 설계• 효과 적인 date 처리와 정보의 구조화를 위하여 필요함 .

I/O Interfaces

Motor Controller 의 Call flow graph 예

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4. Implementation Simulation

• 실제 물리적인 장치를 제작하기 전에 소프트웨어로 구현함 . • 설계단계에서 발생할 수 있는 논리적인 결함을 발견 할 수 있음 .• 설계 요소를 용이하게 변경하며 최적 설계를 할 수 있음 .• 실현된 시스템의 오류를 발견하고 수정하기 용이함 .

Subcomponent Implementation• 논리적으로 잘 분할된 시스템은 동시에 Subcomponent 를 구현할 수 있음 .

Hardware Implementation Software Implementation

5. Testing 구현된 시스템의 평가를 수행함 .

• Static efficiency : Memory 요구량 등 .• Dynamic efficiency : 실행 속도 , 정확도 등 .

6. Maintenance• 오류의 발견과 정정 .• 새로운 기능의 추가• 시스템의 최적화

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Bottom-Up Design Low-Level 부터 설계 , 테스트 하고 구현 함 .

• 작은 모듈 단위로 나누어 동시에 구현하고 Test 할 수 있다 .• 그러나 구현한 서브 모듈이 전체 시스템과 맞지 않는 경우 낭비적임 .

Bottom-up Design 개발 진행 과정 예

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Digital Logic 회로의 출력이 다음 단을 구동 하기 위한 조건

Digital Logic and Circuits

Gate 출력 단에 필요한 다음 단 Gate 구동 능력

KyungHee Univ. 1-25

Voltage thresholds for various digital logic families

KyungHee Univ. 1-26

74HC245 Tristate driver 의 Block diagram

KyungHee Univ. 1-27

CMOS NOT Gate 의 구현 예

KyungHee Univ. 1-28

TTL Open Collector NOT Gate 의 구현 예

KyungHee Univ. 1-29

CMOS Open Collector NOT Gate 의 구현 예

KyungHee Univ. 1-30

Open Collector Gate 를 이용한 LED 구동 회로 예

KyungHee Univ. 1-31

Switch Interface 예

내부 Pull-up저항을 사용 하는 경우

외부 Pull-up저항을 사용 하는 경우

외부 Pull-down저항을 사용 하는 경우

PA0

KyungHee Univ. 1-32

Standard ASCII Code

Digital Representation of Character

KyungHee Univ. 1-33

Standard ASCII Code

KyungHee Univ. 1-34

Standard ASCII Code

KyungHee Univ. 1-35

Standard ASCII Code

KyungHee Univ. 1-36

8-Bit Binary Format

Digital Representation of Number

b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0

16-Bit Binary Format

32-Bit Binary Format

b15 b14 b13 --- --- b2 b1 b0

b31 b30 b29 --- --- b2 b1 b0

KyungHee Univ. 1-37

32Bits 정수를 Little Endian 으로 저장한 경우 예

Lower Byte AddressHigher Byte Address

KyungHee Univ. 1-38

32Bits 정수를 Big Endian 으로 저장한 경우 예

Lower Byte AddressHigher Byte Address

KyungHee Univ. 1-39

Embedded system 개발 장치의 예