Transcript 강의 PPT - 수원과학대학교 정보통신과

임베디드시스템1
1주차. 임베디드 시스템과
임베디드 리눅스
수원과학대학교 정보통신과
1.1 임베디드 시스템의 개요

임베디드 시스템(Embedded System)이란?
 컴퓨터의
하드웨어와 소프트웨어가 미리 정해진 특정
한 기능을 수행하기 위하여 결합된 시스템

Computers Inside a Product (or a System)

다양한 목적으로 사용되는 PC와 달리, 한 가지 또
는 몇 가지 특수한 작업을 수행
 하지만,
스마트폰이나 태블릿 PC처럼 Embedded
System에서도 점차 범용성을 띄어 가고 있다
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임베디드시스템의 특징
 특정
기능 수행
 내장성
 강한 제약성
 소형,
전력 소모량 작고, 실시간 반응 요구
 안전성
혹은 신뢰성
 가격 민감성
 제한된 시스템 자원
 호환성
 깔끔한 오류 처리
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임베디드 시스템 응용분야 [1]

정보가전

디지털 TV

인터넷 냉장고

인터넷 세탁기

전자레인지
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임베디드 시스템 응용분야 [2]

제어분야




공장자동화
가정자동화
로봇 제어
공정제어
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임베디드 시스템 응용분야 [3]

정보기기

단순한 통화 중심의 이동 전화기에서 각종 정보검색, 오락,
메시징 등의 복합 기능이 수행되는 디지털 정보단말기기로
발전

단말기기 각각의 기능에 맞는 마이크로프로세서, 메모리,
운영체제, 응용 프로그램 등으로 구성

예)핸드폰, PDA, 스마트 폰, MP3 플레이어, 게임기기 등
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임베디드 시스템 응용분야 [4]

항공/군용
항공기
 보통 수 백 개의 프로세서 탑재
 우주왕복선
 Pathfinder -실시간 운영체제인 VxWorks가 탑재된 것으로 유명
 대표적인 실시간 시스템의 하나
 영상처리, 통신 등 모든 처리기능을 복합적으로 가짐

NASA Pathfinder
(mission to MAR 1997)
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임베디드 시스템 응용분야 [5]

게임기
 고성능
프로세서 탑재
 마이크로소프트의 Xbox
 소니의 playstation
 닌텐도 Wii
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임베디드 시스템 응용분야 [6]

물류/금융/사무용기기
 물류/금융


물류 : POS 단말기
금융 : 자동 현금 입출금기 혹은 ATM 단말기
 사무용기기

프린터, 스캐너, 팩스, 복사기, 이들의 기능을 하나로 모은 복
합기 등
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임베디드 시스템 응용분야 [7]

네트워크 기기



디지털 교환기, PABX (private automatic branch exchange) 등의
음성 서비스 통신기기
라우터, 게이트웨이, 공유기 등의 유무선 데이터 통신 장비
Set-top box
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임베디드 시스템의 구성

임베디드 시스템 구성


임베디드 H/W
 프로세서/컨트롤러, 메모리, I/O 장치, 네트워크 장치, 센서
임베디드 S/W
 운영체제, 시스템 S/W, 응용 S/W
H/W
S/W
Micro Processor
OS - Kernel
Memory
입출력 장치
네트워크 장치
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시스템 소프트웨어
응용 소프트웨어
임베디드 시스템
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임베디드 시스템 하드웨어

Processor
 프로그램
명령어 처리기
 8bit/16bit/32bit & 64bit
 Arm 계열, Power PC 계열, MIPS 계열 등

Memory
 프로그램
및 data 저장
 RAM/ROM/FLASH memory

I/O device
 serial

port, parallel port, USB, IEEE1394A
Network device
 Lan(802.3,
csma/cd), wireless lan(802.11, csma/ca)
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임베디드 시스템 하드웨어 - 프로세서

프로세서
임베디드 시스템의 핵심 부분
반도체 회사에서 많은 종류의 제품들을 시판
 프로세서의 속도





MHz의 클럭속도
8 비트, 16 비트, 32 비트, 64 비트 등 데이터 버스의 크기와 기본연산의 단위에
따라 선택
마이크로 프로세서 와 마이크로 컨트롤러
마이크로 프로세서 : CPU 코어만을 하나의 칩(chip)으로 구성한 경우를 말
한다.
 마이크로 컨트롤러 : CPU 코어에 여러 종류 및 크기의 메모리, 네트워크 입
출력 장치, TPU 등의 timer 프로세서 장치 등, 다양한 주변장치들까지 포함


CISC 와 RISC 프로세서
CISC (Complex Instruction Set Computer) : 복잡하고 다양한 고기능의 명
령어를 갖는 아키텍처
 RISC (Reduced Instruction Set Computer) : 명령어의 개수를 줄이고 동일
규격화하여 명령어 수행의 파이프라이닝(pipelining)을 극대화하며, 저전력
소모에 저가로 생산할 수 있도록 한 아키텍처

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임베디드 프로세서의 종류
프로세서
제조사
종류
8051 계열
Atmel, Cirrus, Intel, TI 등
8051 외 각종 호환 칩
PowerPC 계열
Motorola (현재: Freescale)
MPC860, 850, 8260
ARM 계열
ARM
ARM7, ARM9, ARM10, ARM11
INTEL 계열
Intel
strongARM, Xscale(PXA255),
Bulverde(PAX270)
삼성계열
삼성
S3C2410, S3C2440 등
MIPS계열
MIPS
MIPS32, MIPS63 등
x86계열
AMD, Intel 등
i386, i686 등
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임베디드 시스템 하드웨어 - SoC

기타


프로세서 로직을 라이선스하여 SoC(System on a Chip) 형태로
프로세서 코어, 메모리, 디지털 신호 처리(DSP, Digital Signal
Processing) 및 주변장치 등을 하나의 칩에 통합하여 제조 가능
SoC 특징


제품의 크기가 보드가 아니라 칩 크기로 소형화되기 때문에 저전력
소모, 제품 가격 하락, 안정성 증가뿐만 아니라 혁신적인 디자인도 가
능.
모듈별로 재사용 가능한 IP(Intellectual Property) 개발이라는 새로운
사업 모델의 등장. 이전에는 일부 반도체 회사에서만 프로세서 칩을
설계, 제조 및 판매가 가능했지만, 이제는 영국의 ARM처럼 프로세서
코어 IP를 판매하는 회사도 등장. ASIC(Application Specific
Integrated Circuit) 제조 기술만 있는 회사이면 IP를 라이선스하여 프
로세서와 같은 칩 생산이 가능
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임베디드 시스템 하드웨어 - 메모리
 메모리의 역할 : 프로그램과 데이터 저장
 메모리의 종류
대 분류
비 휘발
(nonvolatile)
중 분류
ROM
세 분류
특징
Mask
ROM
칩 제조사에서 영구적으로 자료를 저장한 ROM
EEPROM
전기적으로 반복 삭제 가능한 ROM, 바이트 단위로만 쓰
기 가능
FLASH
블록 단위로 읽기 및 쓰기 가능
읽기는 빠른 (수 ms) 반면 쓰기는 느림(70-100ns)
NAND 및 NOR 형태가 있음
SRAM
하나의 cell이 6개의 트랜지스터로 구성된 flip-flop을 사용
용량의 약점과 빠른 접근 시간의 장점
비동기적 SRAM(ASRAM)과 동기적 SRAM(SSRAM)이 있음
DRAM
하나의 cell이 하나의 트랜지스터와 1 개의 커패시터로 구성
용량의 장점과 refresh의 필요성으로 인한 SDRAM에 비해 상대적 느린
접근 속도의 단점
휘발성
(volatile)
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1.3.1 운영체제 일반

운영체제



컴퓨터 시스템의 각종 자원을 효율적으로 관리하고 운영되도록
사용자에게 편리성 제공, 컴퓨터 하드웨어와 사용자간의 인터페
이스 역할을 하는 시스템 프로그램
자원 관리자 역할과 응용 소프트웨어에게 컴퓨팅 자원에 대한 서
비스 제공자 역할
커널


운영체제를 작동시키는 핵심 프로그램
커널이 관리하는 컴퓨팅 자원


물리적 자원: 프로세서, 메모리, 디스크, 터미널, 네트워크 등과 같은
시스템 구성 요소들과 주변 장치
추상적 자원: 태스크와 쓰레드, 페이지(page)와 세그먼트(segment),
파일 및 inode, 통신 프로토콜 및 패킷 등, 보안 혹은 사용자 계정에
따른 접근 제어 등
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1.3.2 리눅스

리눅스의 역사



리눅스의 장점






1991년 8월 리누스 토발즈에 의해서 커널 0.1 버전이 개발됨
GNU 프로젝트의 지원을 받아 2001년 커널 버전 2.4.0 발표 후 대
중화
유닉스와 완벽하게 호환 가능 / 공개 운영체제이며 무료
강력한 네트워크 기능을 제공하며 인터넷의 모든 기능을 지원
멀티태스킹을 지원
안정적이며 하드웨어 기능을 효과적으로 사용
다양한 응용 소프트웨어를 제공
리눅스의 단점


공개 소프트웨어이기 때문에 오류로 인한 사고 발생시 보상 불가
커널 버전이 너무 빨리 변화
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커널버전번호와 배포판

커널 버전 번호 linux-x.y.z.tar.gz




x: 주 버전 번호로 리눅스 골격 자체의 획기적인 변화를 의미
y: 부 버전 번호이며 홀수이면 개발중인 커널이고 짝수이면 안정
된 커널
z: 릴리스 번호로 추가된 기능은 없지만 오류 수정 등에 의한 작
은 변화를 의미
배포판



비상업적이거나 상업적인 소프트웨어를 통합한 리눅스 패키지
리눅스 커널 외에 GNU 유틸리티, 개발 환경, X 윈도우 시스템 등
을 포함
레드햇 리눅스 배포판



Redhat Linux,
Redhat Enterprise Linux,
Fedora Core
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1.3.3 임베디드 시스템 운영체제

O/S의 등장 배경
 시스템의

규모가 커짐
Multi Tasking
 Network이나
음

multimedia가 시스템의 기본으로 자리 잡
Networking, GUI, Audio, Video
 임베디드
시스템이 해야 할 일이 많아지고 복잡해짐
 순차적인 프로그램이 어렵게 됨
 임베디드 시스템에도 운영체제의 개념이 필요하게 됨
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임베디드 시스템 운영체제 [2]

Real Time System (실시간 시스템)

실시간 시스템의 정의


정해진 시간 내에 시스템이 결과를 출력하는 적시성을 가진 시스템
주어진 작업을 빨리 처리하는 것이 아니고 정해진 시간(deadline)을
넘어서는 안된다는 뜻임

주어진 입력(event)에 대해 정해진 시간 내에 행동할 수 없을 때
문제가 발생하는 시스템.

적시성(timeliness)이란?


열악한 환경 하에서도 데드라인(deadline) 이내에 논리적으로도 정확
한 출력 값을 산출해 내는 것 .
deadline이란?

반응에 요구되는 시간의 한계 값
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임베디드 시스템 운영체제 [3]

Real Time System의 분류
 Hard


제어작업이 deadline을 어기는 경우 시스템에 심각한 영향을
주는 time-critical 속성을 지닌 시스템
예) 원자력 발전소 제어, 화재 발생 검출시스템, 항공기, 우주
왕복선, 자동차 등
 Soft


realtime 시스템 (경성 실시간 시스템)
realtime 시스템
Deadline을 어긴 단위 제어 작업의 무효화로 시스템의 평균적
성능에 미세한 영향을 주는 시스템
예) 컴퓨터, 정보기기, 네트워크 관련기기 등
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1.3.4 임베디드 리눅스


리눅스 커널 2.6부터 선점형 멀티태스킹 지원, 실
시간 지원 강화
저성능의 프로세서와 소용량의 메모리를 가진 제
한된 컴퓨팅 자원 하에서 특정 응용 프로그램의
수행에 필요한 요구사항을 충족시키도록 최적화
된 리눅스
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임베디드 리눅스 [1]

임베디드 리눅스의 출현 배경
 H/W의

32/64bit 고성능 CPU
 S/W의

발전
많은 기능 요구
O/S의 기능이 중요, 안정된 운영체제의 제공(멀티 태스킹)
 강력하고
다양한 네트워크 환경의 제공
 다양한 형태의 파일시스템과 실행파일 포맷 지원
 확장성의 다양함과 용이함의 제공
 Free Software
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임베디드 리눅스 [2]

임베디드 리눅스 장점






기능성과 확장성이 우수 (리눅스 이용에 따른 장점)
PowerPC, ARM, MIPS 등 다양한 CPU Platform지원함
로열티가 없으므로 가격 경쟁력이 우수
사용자 층이 넓어 오류 수정이 빠르고 안정성이 우수
기존의 데스크 탑 개발 환경과 동일하여 개발이 용이함
임베디드 리눅스 단점






기존의 RTOS보다 많은 메모리를 요구함
범용 OS로 설계되어 Real-Time 지원이 어려움
개발 환경이 Text 기반의 환경임으로 개발에 어려움이 있음
GUI 환경을 개발하기 어려움
제품화하기 위한 솔루션 구성이 어려움
많은 업체들과 개발자들이 독자적으로 개발하고 있어 표준화가
어려움
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1.4 X-Hyper270-TKU 임베디드 시스템
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X-Hyper270-TKU 임베디드 개요

SDRAM
128MB

Flash 32MB
(NOR Type)

CPLD로 DATA/
ADDRESS
디코딩
(FanOut 과
노이즈 방지)
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Power Supply
SYS_En
LDO
3.3V
MIC5219
PWR-En
VCC_IO
VCC_SRAM
LDO
3.3V
MIC5219
LDO
3.3V
MIC5219
VCC_LCD
VCC_MEM
MCU
VCC_PLL
PXA270
Bulverde
VCC_CORE
LDO
1.1V
MIC5219
LDO
1.38V
MIC5219
1.45V
StepDown
TPS62000
VCC_BB
LDO
ATX
POWER
3.3V
MIC5219
5V
VCC_USB
VCC_USIM
3.3 V
Regulator
AME1085 1
3.3V
Regulator
3.3 V
AME1085 2
5V
Device Block
(Flash, SDRAM, CPLD, Ethernet,
UART, NAND, USB, AC97…)
5V
Device Block
(LCD BLU inverter, Sound AMP…)
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Interface(SDRAM : 4EA)

AddressBus A[24, 21..10]
BULVERDE
PXA270
Bank Select A[21, 20 ]
K4561632
DRAM Control
CAS,RAS,CLK,R/W,CS
DataBus D[31..0]
SDRAM
DataBus D[15..0]
SDRAM
K4561632
SDRAM 사용을 위
해 정의된 PIN들로
부터 인터페이스하
며 해당 레지스터
를 셋팅함으로써
SDRAM의 속도, 타
입 지정
DataBus D[31..16]
SDRAM
K4561632
DataBus D[15..0]
SDRAM
K4561632

16MBit x 4Bank x
16Bit SDRAM 4개
를 DATA Bus 각
각 상하위에 연결
(128MB)
DataBus D[31..16]
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Interface (Flash : 2EA)

RDnWR
ChipSelect 0 (0x0000_0000)
ChipSelect 0
BULVERDE
PXA270
nWE
nOE
CPLD
XC2C256
nWE
물리주소가
0x0000_0000 번
지에 위치함으로
Chip Select0 사용
(System 부팅)
NOR FLASH
nOE
AddressBus A[25.. 0]
AddressBus A[25.. 0]
Data Bus D[31..0 ]
Data Bus D[31..0 ]
TE28F128
Data Bus D[15..0 ]

16Bit FLASH 2개
를 DATA Bus 각
각 상위 하나 하위
하나에 연결
(32MB)
NOR FLASH
TE28F128
Data Bus D[31..16 ]
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Interface(기타)






10 Base-T Ethernet :CS8900 1EA
10/100 Base-T Ethernet : LAN91C111 2EA
64MB NAND Flash Memory : K9K1G08U0M
1EA
Mini IDE Interface
USB 2.0 HOST TD242LP 1EA
4PORT Full Function Controller TL16C554
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X-Hyper270-TKU 메인 보드
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X-Hyper270-TKU 메인 보드 Spec
분류
M
A
I
N
B
O
A
R
D
CPU
Memory
내용
비고
PXA270(520MHz)
BULVERDE(VF-BGA)
Norflash memory 32MByte
TE28F128J3C
SDRAM 128MByte
K4S561632-TC75
Serial x 1Ports
RS-232 LEVEL
Display
6.4" TFT LCD
CMOS Camera I/F
Internal
USB Host 1.1 1Port
Peripheral
USB Slave 1Port
PCMCIA Slot
CF Slot
MMC/SD Slot
Serial x 4Ports
Full Function UART 4 Port.
USB Host 2.0 2Port
TD242LP
Nand Flash 64MByte
K9F1208U0M
IDE I/F
mini IDE
External
Analog RGB(VGA Monitor)
THS8135
Peripheral
Ethernet(10)
CS8900A 1 Port
Ethernet(10/100)
SMSC91C111 2Port.
Audio(CS4299)
SPEAKER 내장
Touch Panel
RTC4513
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Extension Conn.
160 pin
CPLD
256 pin CPLD
BATTERY 내장
2.54mm pitch
XC2C256-7FT256C(BGA)
33
X-Hyper270-TKU IEB 보드
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X-Hyper270-TKU IEB 보드 Spec
I
E
B
B
O
A
R
D
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분류
내용
비고
FPGA
EP1C6240PQFP
Cyclone (PQFP-240)
Programming Rom
EPC2
EP2(PLCC/SOCKET)
RF Device
CC2420
CC2420(QLP48)
DC Mocter Control
L298
DIP
Step Mocter Control
L297
DIP
ADC
ADC0804
DAC
DAC0800
7-Segment
7-Segment * 8
DOT Matrix
DOT Matrix
Charicter LCD
Charicter LCD
35
Memory Map
2015-04-13
36
Flash & SDRAM Memory Map
FLASH (32M 32bit)
0x0200 0000
30 MByte
Root Filesystem
0x001C 0000
0xA0000000
Kernel Image
1MByte
0x000C 0000
Reserved
Bootloader
512KByte
0x0004 0000
256KByte
0x0000 0000
2015-04-13
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