Drone's DIYer

다양한 AVR 칩의 Package 타입의 실물 사진입니다.

1) 전역변수(Global variable)

SRAM에 저장되어 있다가 이를 사용할 때마다 register로 읽혀지며 사용이 끝나면 다시 SRAM에 저장되므로 처리속도가 늦은 변수로, 특별히 속성을 정하지 않고 변수를 정의하면 SRAM 영역에 저장됩니다. 게다가 Compiler는 이를 변수로 처리하지 않고 그 상황에서 이 변수가 갖는 값에 해당하는 상수로 처리하는 경우가 있는데 이런 상황에서 여러 함수가 이 변수를 공유하여 사용하는데 문제를 야기하고 컴파일 시 최적화 옵션에 따라서도 영향을 받게 됩니다.

특히 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Serve Routine, ISR) 함수와 그 밖의 함수 사이에 공유하는 전역변수의 경우에 흔하게 발생하며 이를 방지하기 위해서는 전역변수에 'volatile'을 선언해 주어야 합니다.

ex) volatile unsigned char zc_count;

2) 지역변수(Local variable)

ATmega8의 경우, 다른 MCU에서처럼 지역변수를 Stack에 저장하는 것이 아닌 32개의 General Purpose Registers(GPFs)로 처리하므로 항상 처리속도가 빠릅니다. 하지만 ISR에 사용되는 변수는 특성상 Stack에 저장합니다.

3) 정적변수(static variable) 

함수가 시작될 때 register로 옮겨지고 함수가 종료될 때 SRAM으로 다시 옮겨져 저장되므로 만일 함수 내에서 여러 번 사용된다면 전역변수보다 정적변수가 처리속도가 증가하게 됩니다.

4) Flash Memory에 데이터의 저장

물론 메모리 용량이 크고 고성능의 MCU를 사용하면 문제가 되지는 않지만 가격대 성능비 등을 고려하여 그렇지 못한 경우, 변수로 사용해야 할 SRAM 용량을 절약할 필요가 있습니다. 만일 SRAM 용량이 부족하게 되면 Stack overflow가 발생하거나 프로그램이 오동작을 할 수 있습니다.

avr-gcc에서 상수 데이터를 프로그램이 적재되는 Flash Memory에 저장하기 위해서는 먼저 상수 데이터를 전역변수처럼 함수의 밖에서 정의하고 이때 상수가 byte 데이터라면 prog_char 또는 prog_uchar로 선언하며 읽을 때문 pgm_read_byte() 또는 pgm_read_word() 함수를 사용합니다.

참고로 비록 상수 데이터를 prog_char 또는 prog_uchar로 정의하더라도 이들이 함수 내에서 정의되면 컴파일 시 SRAM 변수로 처리되므로 주의가 요구되며, 일반적으로 Flash Memory는 SRAM에 비하여 용량이 훨씬 크므로 유용하게 사용할 수 있습니다.

5) EEPROM에 데이터의 저장

AVR에서 EEPROM을 I/O register를 사용하여야 접근할 수 있으므로 avr-gcc 에서는 EEPROM을 eeprom_read_byte() 혹은 eeprom_write_byte() 함수로 각각 읽기, 쓰기가 가능합니다.

사용자가 Assembler나 C 언어를 기반으로 접근 가능한 ATmega8 칩의 메모리 구조입니다.

1) Program Memory

8 Kbyte의 비휘발성(Non-volatile) Flash Memory로 프로그램을 적재하거나 데이터를 저장하며 최대 10,000번까지 변경이 가능합니다.

* 이 영역에서는 boot 프로그램을 저장할 수 있는 공간이 따로 존재하는데 이는 직접 MCU 핀을 접속하여 프로그램 및 데이터를 변경할 수 없을 때 시리얼 통신 등으로 Flash Memory 내의 프로그램 및 데이터를 변경할 수 있게 해 줍니다.

참고: http://sharehobby.tistory.com/entry/%EB%B6%80%ED%8A%B8%EB%A1%9C%EB%8D%94%EB%9E%80

2) Data Memory

General Purpose Registers(GPRs) 그리고 I/O register와 같은 Special Function Registers(SFRs) 그리고 Internal SRAM, External SRAM 등으로 구성되며 External SRAM은 별도로 장착된 SRAM으로 MCUCR register를 설정해야 합니다. 여기서 SFRs는 사용자가 데이터를 저장하는 메모리가 아닙니다.

• General Purpose Registers(GPRs) : 32개의 register를 가지고 있으며 CPU의 연산 결과를 메모리(SRAM, Flash Memory, EEPROM)에 옮기기 전에 임시로 저장하는 장소로 접근 속도가 가장 빠르며 Assembler 아닌 C 언어를 사용하는 경우 Compiler가 register를 자동으로 관리합니다.

• Internal SRAM : 1Kbyte 내부 SRAM으로 프로그램 실행 중 변하는 변수의 값을 저장하는데 사용되며 전원이 끊기면 내용은 지워집니다(휘발성, volatile). 

• EEPROM : 512 byte의 비휘발성으로 프로그램 실행 중 변하는 변수의 값이 전원이 끊긴 이후에도 지속적으로 유지하는데 사용되며 최대 100,000번까지 변경이 가능하며 내장된 주변장치처럼 register를 통하므로 접근 속도는 느립니다.

AVR(Atmel AVR)은 8bit RISC 단일칩(onechip) 마이크로컨트롤러(Microcontroller) 혹은 마이크로컴퓨터(Microcomputer, Micom)로 일반적으로 마이컴이라고 부릅니다. 1996년에 美 Atmel社가 하버드 아키텍처(Harvard architecture)로 수정하여 개발한 구조로 프로그램을 저장하기 위해 타사 마이컴처럼 ROM, EPROM 또는 EEPROM을 사용하지 않고 단일칩 플래시메모리(Flash memory)를 처음 사용하였다고 전해집니다.

AVR 마이컴은 중앙처리장치(CPU)와 소용량 플래시메모리가 하나의 IC에 집적되어 있으며 프로그램과 데이터 영역의 메모리가 분리된 형태로 특수 명령어로 프로그램을 데이터 영역으로 읽어들일 수 있습니다. 마이컴에 프로그램을 탑재하기 위해서는 ISP(in-system programming) 방식으로 Reset을 추가한 SPI 프로토콜로 업로드가 가능합니다.

http://www.atmel.com/

무엇보다도 AVR은 ISP 기능을 통해 매우 저렴하게 개발환경을 구축할 수 있다는 점과 한 cycle에 한 개의 명령(instruction)을 수행하는 파이프 라인 방식으로 연산 속도가 빠르며, 하버드 아키텍처의 특징으로 C언어에서 우수한 성능을 발휘하며 게다가 우수한 각종 컴파일러(Compiler)와 디버거 툴인 AVR Studio를 무료로 제공한다는 특징을 가집니다. 이밖에도 A/D 변환기, PWM, SPI 등의 고기능을 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

AVR은 위와 같은 특징으로 말미암아 대중화되었으며 근래에는 보다 상위개념의 ARM 프로세서가 출시되어 아이폰이나 최신기기에 탑재되지만, 저렴하여 가격대비 성능면에서 우수하여 여전히 중소 규모의 다양한 기기에 여전히 활용되고 있으며, 드론(Drone)이나 기타 RC에 사용되는 장치에는 다른 마이컴인 PIC 보다 처리 속도가 빠르고, 8051 계열보다 자원이 풍부한다는 장점으로 보다 널리 사용되고 있는 실정입니다.

다음은 AVR의 일반적인 특징을 요약하였습니다.

• ISP(In System Programming) 기능이 있어 AVR을 장치에 부착한 상태에서 내부 메모리에 프로그램이 가능합니다.

• RISC 구조로 동일 클럭(clock)으로 동작 시 PIC보다 4배 빠르고, 8051보다 10배 이상 빠릅니다. 예를 들어 1MHz에 1MIPS의 처리 능력이 있어 20MHz로 동작하는 경우 20MIPS의 처리 능력을 가집니다.

• CPU 설계 단계에서 레지스터/메모리/명령어가 C 언어에 적합하도록 설계되어 C 언어를 사용하면 개발 기간을 단축하고 유지 보수가 편리하다는 것입니다.

• 다양한 AVR 제품군이 있어 저가의 적합한 소자의 선정 및 사용이 가능하고 풍부한 저가의 개발 환경 및 응용 기술 자료가 많다는 것입니다.

• SRAM, 통신포트, A/D 변환기, Watchdog, 타이머, PWM, I/O포트 등의 풍부한 내부 장치를 구비하여 외부에 별도로 주변장치를 부착하지 않아도 된다는 것입니다.

부트로더(부트스트랩 로더)란?

Microprocessor에서 부트로더의 의미는 시스템이 시작할 때 가장 먼저 시작하는 프로그램으로 랜덤 액세스가 가능한 ROM이나 플래시 메모리에 있던 프로그램을 SRAM으로 부팅하는 것입니다.

이는 ROM이나 플래시 메모리에서 액세스 시간이 길기 때문에 거기서 명령을 실행할 경우 매번 명령어를 가져오는데에도 기다려주어 하기에 실행속도가 떨어지기게 됩니다. 그러나 SRAM으로 옮겨 실행한다면 아주 액세스 속도가 빠르게 될 것입니다.

그러나 AVR의 경우에는 부트로더의 의미가 달라졌습니다. 즉, 제품의 사용자가 제품의 펌웨어를 업그레이드할 수 있는 내장 프로그램을 말합니다. AVR에 탑재된 플래시 메모리 같은 비휘발성 메모리는 부트로더 영역과 응용 프로그램 영역으로 나뉘어지고 부트로더 부분은 한번 써놓으면 그 자리에 항시 존재하고 따라서 적어도 한번 기록해야 하며 나머지 응용 프로그램은 개발 및 유지 단계에서 수시로 업그레이드가 필요할 것입니다.

결과적으로 부트로더는 AVR이 부트되면 시리얼 포트를 감시하며 프로그램의 다운로드를 기다립니다. 만약 시리얼 포트로 프로그램이 전송되면 이 프로그램을 플래시 메모리에에 기록합니다. 그리고 다음번 부팅 때부터는 시리얼 신호가 없어도 부트로드된 프로그램이 있으면 이 프로그램을 바로 실행시키며  플래시가 비어 있으면 시리얼 다운로드를 기다립니다. 

만일 덩치가 크지 않은 사용자 프로그램을 시리얼 통신으로 다운로드 받고 PC와 통신한다면 개발시 편리한 방법이기에 앞으로 부트로드 사용이 일반화되겠지요...

하지만 이러한 부트로더 프로그램은 응용 프로그램과 더불어 사용자가 함께 만들어야 하는데 아두이노(Arduino) 보드는 부트로더를 탑재하여 제공하니 편하고 보급이 빠른 이유 중의 하나일 듯 생각됩니다.

참고로 AVR에 프로그램을 다운로드 하는 방법을 다음과 같습니다.

1. AVR ISP의 소프트웨어 그리고 하드웨어를 이용한 방법으로 SPI 프로토콜을 이용하여 AVR 칩의 SCLK/MISO/MOSI/SS 핀을 이용합니다.

2. 부트로더를 이용한 방법으로 UART 다운로드 툴과 칩의 TXD/RXD 핀을 이용합니다. 처음 부트로더를 다운로드하기 위해서는 1의 방법을 적어도 한 번 사용해야 합니다.