Drone's DIYer

영국의 ARM사가 주도하는 mbed는 ARM-cortex기반의 MCU를 사용하여 IoT제품이나 여러 전자제품의 프로토타이핑(prototyping)을 쉽게 제작하고 Cloud 서비스 테스트까지 할수 있는 플랫폼으로, Arduino와 같은 해에 시작하고 2009년에 베타서비스를 시작했지만 2013년에야 mbed를 오픈하기로 결정하고 주변 디바이스, API, 기판 설계 데이터, 펌웨어 등을 공개하면서 주목받기 시작하였습니다.

사실 기존에는 Arduino라는 가볍고 쉬운 AVR이 존재했지만 ARM 계열에서는 Arduino Due 제외하고는 가볍고 쉬운 AVR은 없었고 대부분 전문 컴파일러를 사용하여 제작하였기 때문에 전문가가 아니면 사용하기가 어려웠었습니다. 그렇기 때문에 ARM에서도 Arduino와 같이 접근성이 좋고 빠르게 개발이 가능하도록 만든 소프트웨어가 바로 "mbed"라는 것입니다. 아직까지 국내에서는 Arduino보다 인지도가 적은 편이지만 Ardunio보다 더 좋은 성능으로 IoT개발 보드 시장 영역을 넓혀가고 있다는 것입니다.

참고로 ARM사의 cortex-M4를 MCU의 경우에는 IoT에서 가장 중요한 화두인 전력문제에 있어서 저전력기술을 활용함으로써, 100~180MHz로 동작하는 동안 매우 낮은 동적 전력 사용량을 제공하며, 경쟁사 유사제품에 비해 7배 낮은 정적 소비 전력을 보여줍니다. 

웹브라우저를 통한 온라인 컴파일 및 소스 버전 관리 기능(Web-IDE)을 제공하여 어떤 OS에서든 웹브라우저에서 온라인으로 컴파일이 가능하고, 프로그램 업로드는 별도 장비없이 USB에 연결만 하면 가능하도록 되어 있다는 것입니다. 게다가 커뮤니티를 통한 라이브러리 공개 및 방대한 개인 위키 페이지 제공으로 협업에 유익하고 무엇보다, 모든 사용자가 기본적으로 같은 하드웨어를 이용하고 있기에 확장 보드가 아닌 이상 바로 적용 가능하다는 것입니다.

mbed의 장점으로는 기본적으로 MCU의 성능이 Arduino보다 좋기 때문에 고성능으로 더 높은 사양대를 커버할 수 있지만, Ardunio에 비해 상대적으로 사용자가 적다는 단점이 있습니다. 온라인 컴파일러에서 브레이크 포인터를 사용하여 스텝별 실행 및 내부 레지스터, 변수 등의 디버깅은 불가능하고 프로그램 업로드 방식에 있어서도 파일을 추출하고 이 파일을 다시 보드에 업로드 시켜야하는 상대적으로 Arduino에 비해 귀찮은 과정도 단점으로 여겨질 수 있습니다.

Arduino와 mbed 차이점으로, 모든 Arduino는 Atmel MCU 사용하여 작은 메모리와 제한된 기능을 가지고 있으며 느리다는 것입니다. 대부분의 Arduino 보드들은 ATmega328이고, Mega보드는 ATmega2560이며, 새로운 Due보드는 ARM Cortex-M3를 사용한다. 반면에 mbed 플랫폼은 더 빠르고, 메모리도 크고, 더 많은 기능을 가진 ARM Cortex MCU를 사용합니다. 사실 공식적인 mbed 플랫폼들은 Cortex-M0, M3와 M4를 기반으로 만들어진다는 것입니다.

프로토타입을 만드는데는 둘 다 우수하지만 프로토타입을 만든 후에 생산을 하고자 할 때는 mbed가 더 scalable한 플랫폼이기 때문에 더 낮고, 아주 간단한 응용제품을 제외하고는 ARM MCU들이 같거나 더 싼 가격에 더 낮은 전력 소모를 하며, 더 많은 기능을 가지고 있기 때문에 그 입지가 점점 좁아지고 있다는 것입니다.

임베디드(Embedded)나 펌웨어 궁극적으로는 둘다 작은 시스템 내에 하드웨어 제어를 위해 EEPROM 등에 기록되는 일종의 프로그램입니다. 거의 같다라고 봐도 무방합니다. 하지만 근래 들어서 시스템의 복잡화로 인해 기존의 펌웨어를 제작할 때 사용되는 프로그래밍 방식 '슈퍼루프 방식'은 프로그래머의 체계적인 프로그램 설계와 짜임세 있는 구성이 프로그래머를 피곤하게 할 만큼 복잡하게 되었습니다.

이에 대한 대안으로서 나온 것이 RTOS(Real Time OS)라는 것인데 ROM에 기록되는 펌웨어 중에서도 특히 이런 RTOS를 이용한 것을 임베디드(내장형 시스템)라 칭하는 경우가 많습니다. RTOS를 사용하게 되면 ROM에 기록되어야 할 펌웨어의 크기가 커지고, 시스템 오버해드라 하여 불필요한 부하를 가져다 주게 됩니다. 하지만, 펌웨어 개발의 융통성과, 안정성, 정확성을 고려할 때 펌웨어의 크기나 시스템 오버해드는 충분이 무시할 수 있는 요소가 된다는 것입니다.

대표적인 RTOS인 ChibiOS

RTOS를 이용한 임베디드 시스템은 꼭 ARM같이 거대한 프로세서에만 사용되는 것은 아닙니다. 상당히 유명한 uCOS-II경우 구식 8051부터 Intel 32bit까지 다양한 플랫폼을 지원합니다. 8051계열에도 얼마든지 임베디드 시스템을 펌웨어로 올릴 수 있습니다.

펌웨어는 일반적으로 롬(ROM)에 저장된 하드웨어를 제어하는 마이크로 프로그램을 의미합니다. 프로그램이라는 관점에서는 소프트웨어와 동일하지만 하드웨어와 밀접한 관계를 가지고 있다는 점에서 일반 응용 소프트웨어와 구분되어 펌웨어는 소프트웨어와 하드웨어의 특성을 모두 가지고 있다고 할 수 있습니다.

예를 들어 어떤 기능을 발휘하는 하드웨어를 만든다고 할 때, 그것을 제어하는 모든 회로를 하드웨어로만 만들면, 그 구조도 대단히 복잡해지고 심지어는 논리적인 표현을 하기가 어려운 부분도 발생합니다. 이런 경우 상당부분을 소프트웨어로 대체하되 그 소프트웨어가 저장된 기억장치를 하드웨어의 제어회로 중의 중심부분으로 구성하면, 매우 간단하면서도 적은 비용으로 문제를 해결할 수 있게 됩니다. 이렇게 만든 하드웨어적인 소프트웨어를 펌웨어라 합니다.

이렇게 할 경우 하드웨어의 입장에서는 별도의 논리회로를 가진 것이 아니기 때문에 소프트웨어적인 특성을 가지고 있지만, 소프트웨어 입장에서는 마이크로 프로그램이 하드웨어를 제어하기 때문에 하드웨어적인 특성을 가진다고 설명할 수 있습니다.

소프트웨어의 기능을 펌웨어로 변경할 수 있으면 속도가 현저하게 증대되어 고속 처리가 필요한 프로그램은 펌웨어로 만들어 사용하기도 합니다. 또한 하드웨어의 기능을 펌웨어로 변경하면 속도는 느려지지만, 그 기능을 위한 논리회로를 설계하여 사용하는 것보다 저렴하고, 편리하게 구현하여 사용할 수 있는 장점을 가지기도 한다는 것입니다.

STM32F405xx과 STM32F407xx의 스펙 요약입니다.

여기서 STM32F407xx는 STM32F405xx과 스펙이 동일하지만, Ethernet 그리고 카메라 인터페이스 기능이 더 추가된 것이며 'xx'부분은 여기에 소개된 것처럼 순서대로 핀 개수, 플레시 메모리 사이즈, 패키지 타입, 온도 범위 그리고 기타 옵션을 나타낸 것입니다. 더 자세한 정보를 위해서 다음 데이터시트를 참조하시기 바랍니다.

http://www.mouser.com/ds/2/389/stm32f405rg-956214.pdf

Features

• Core: ARM 32-bit Cortex-M4 CPU with FPU, Adaptive real-time accelerator (ART Accelerator) allowing 0-wait state execution from Flash memory, frequency up to 168 MHz, memory protection unit, 210 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1), and DSP instructions

• Memories

• Up to 1 Mbyte of Flash memory

• Up to 192+4 Kbytes of SRAM including 64-Kbyte of CCM (core coupled memory) data RAM

• Flexible static memory controller supporting Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR and NAND memories

• LCD parallel interface, 8080/6800 modes

• Clock, reset and supply management

– 1.8 V to 3.6 V application supply and I/Os

– POR, PDR, PVD and BOR

– 4-to-26 MHz crystal oscillator

– Internal 16 MHz factory-trimmed RC (1% accuracy)

– 32 kHz oscillator for RTC with calibration

– Internal 32 kHz RC with calibration

• Low-power operation

– Sleep, Stop and Standby modes

– VBAT supply for RTC, 20×32 bit backup registers + optional 4 KB backup SRAM

• 3×12-bit, 2.4 MSPS A/D converters: up to 24 channels and 7.2 MSPS in triple interleaved mode

• 2×12-bit D/A converters

• General-purpose DMA: 16-stream DMA controller with FIFOs and burst support

• Up to 17 timers: up to twelve 16-bit and two 32-bit timers up to 168 MHz, each with up to 4 IC/OC/PWM or pulse counter and quadrature(incremental) encoder input

• Debug mode

– Serial wire debug (SWD) & JTAG interfaces

– Cortex-M4 Embedded Trace Macrocell

• Up to 140 I/O ports with interrupt capability

– Up to 136 fast I/Os up to 84 MHz

– Up to 138 5 V-tolerant I/Os

• Up to 15 communication interfaces

– Up to 3 × I2C interfaces (SMBus/PMBus)

– Up to 4 USARTs/2 UARTs (10.5 Mbit/s, ISO7816 interface, LIN, IrDA, modem control)

– Up to 3 SPIs (42 Mbits/s), 2 with muxed full-duplex I2S to achieve audio class accuracy via internal audio PLL or external clock

– 2 × CAN interfaces (2.0B Active)

– SDIO interface

• Advanced connectivity

– USB 2.0 full-speed device/host/OTG controller with on-chip PHY

– USB 2.0 high-speed/full-speed device/host/OTG controller with dedicated DMA, on-chip full-speed PHY and ULPI

– 10/100 Ethernet MAC with dedicated DMA: supports IEEE 1588v2 hardware, MII/RMII

• 8- to 14-bit parallel camera interface up to 54 Mbytes/s

• True random number generator

• CRC calculation unit

• 96-bit unique ID

• RTC: subsecond accuracy, hardware calendar

다음은 STM32F4 시리즈 Cortex-M4 프로그래밍 매뉴얼입니다.

STM32F4 Series Cortex®-M4 programming manual

※ Cortex-M4 = Cortex-M3 + FPU + DSC + 성능 향상

• FPU(Floating Point Unit)를 내장하지 않을 경우, 라이브러리를 불러와 소프트웨어적으로 emulation 하게 됩니다. 이 경우에 대략 하드웨어보다 8배의 연산 시간의 소요되며, 이를 내장하지 않은 Cortex-M3에서 처럼 고정 소수점(fixed point)을 대신 사용하는 경우 2배의 연산 시간이 요구되지만 사용이 매우 까다롭다는 것입니다. 사용자가 특별히 부동 소수점 연산기(FPU)를 직접 다룰 필요는 없습니다.

• DSC(Digital Signal Controller)는 디지털 필터인 FIR, IIR 필터 구현이 용이하고, SIMD 명령어의 구현으로 이는 '하나의 명령어로 여러개의 데이터를 처리'하는 것으로, Open GL과 같은 그래픽 데이터 처리(벡터 연산), 멀티미디어 코덱 등에서 성능이 향상됩니다.