Drone's DIYer

Arduino Uno R3는 가장 널리 사용되는 입문용 기본 보드로 R3는 세번째 버젼을 의미합니다. 이 보드는 8-bit 마이크로 콘트롤러인 ATmega328P을 탑재하며 PC와 USB로 연결할 수 있어 프로그램 다운로드 및 시리얼 통신에 가능합니다. 그 밖에도 ATmega16U2의 또 다른 마이크로 콘트롤러를 내장하는데, 이는 기존 보드들에서 사용하던 FTDI FT232R USB-to-Serial 드라이버 칩을 대체하기 위한 것으로 USB-to-Serial 변환 프로그램이 들어 있습니다. ATmega328P는 1KB의 부트로터(Bootloader)용을 포함한 32KB의 Flash 메모리와 2KB의 SRAM, 1KB의 EEPROM을 갖고 있으며, 클럭 속도(Clock speed)는 16MHz입니다.

5V로 동작하는 이 Uno 보드의 전원공급은 두 가지 방법이 있는데, 첫번째는 USB로부터 제공되는 5V를 그대로 사용할 수 있으며, 두번째로는 7~12V의 AC 어댑터를 잭에 꼽아 외부에서 공급하는 방법인데 이는 Uno 보드가 내부적으로 5V를 정류하는 레귤레이터(Regulator)를 내장하고 있기 때문이며 위의 두 가지 전원이 모두 연결되어 있다면 외부 전원이 우선이 됩니다.

디지털 입출력 핀 14개 (0번~13번)

디지털 입출력 핀들을 이용해서 외부의 이진 신호를 읽어들어나 또는 이진 신호를 내보낼 수 있다. 디지털 입출력으로 사용되면서 또한 다른 기능을 가지는 핀들이 있는데, 이 기능들은 한 핀으로 두가지를 다 사용할 수는 없으며 다른 기능은 다음과 같습니다.

• 0번~1번: 시리얼 통신에 사용되어 USB로 PC와 통신을 할 수 있습니다.

• 2번~3번: 인터럽트(interrupt) 기능을 갖습니다.

• 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀은 PWM 기능을 가지며 아날로그 출력을 흉내낼 수 있다.

아날로그 입력 핀 6개 (A0~A5)

외부의 아날로그 입력값을 읽어들여 ATmega328P칩 내부의 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여 0~1023 사이의 숫자로 변환합니다. 이때 필요한 기준 전압은 5V 이지만 1.1V의 내부 전압이 사용될 수 있으며 AREF핀으로 기준 전압을 직접 인가할 수도 있습니다. 그리고 아날로그 핀은 디지털 입출력 핀으로도 사용할 수 있습니다.

아날로그 출력핀 6개 (3,5,6,9,10,11번 핀)

아날로그 출력핀은 0~5V사이의 전압 값(256레벨)을 가질 수 있으며 이는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 동작하므로 흉내를 내는 것입니다.

인터럽트 (2, 3번 핀)

2번과 3번 핀에 가해진 외부 이벤트를 감지하여 사용자가 원하는 방향으로 이를 처리하기 위한 기능으로 이를 인터럽트 처리(interrupt handling)라 부르는데, 즉 이 핀들에 변화가 있는면 하드웨어는 즉각적으로 알리고 이때 사용자가 원하는 정해진 동작을 코딩하여 사용합니다.

ICSP for ATmega328 : 기존의 ATmega328P에 ICSP(In Circuit Serial Programming)를 위한 SPI 통신용 6핀 포트입니다. ICSP는 전통적으로 마이크로 컨트롤러에 직접 펌웨어를 프로그래밍하기 위해 마련된 것입니다.

ICSP for USB interface : 기존의 ATmega16U2에 ICSP(In Circuit Serial Programming)를 위한 SPI 통신용 6핀 포트입니다. 

TWI(I2C) 통신 : A0, A1 핀

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.