Transcript 04 임베디드시스템

임베디드시스템
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Sejin Oh
임베디드 시스템의 개요
임베디드 시스템 정의 및 종류
 임베디드 시스템(Embedded System) 정의
 특정 기능을 반복적으로 수행하기 위해 컴퓨터의 하드웨어와 소프
트웨어가 결합된 고기능의 전자 제어 시스템
 마이크로프로세서 혹은 마이크로컨트롤러를 내장하여 제작자가 의
도한 다양한 기능을 수행하는 소프트웨어를 포함하는 시스템
 임베디드 시스템 종류
 웹 서핑이 가능한 TV, 화상 통신이 가능한 냉장고, 원격 조정이 가능
한 밥솥, 휴대폰, PDA, 사이버 아파트의 홈 관리 시스템, 교통 관리
시스템, 주차 관리 시스템, 네비게이션 등
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임베디드 시스템의 개요
임베디드 시스템의 특징
 임베디드 시스템의 특징
 소형, 경량화
 저전력소비
 낮은 가격
 고 신뢰성
 유/무선 네트워크
 실시간 시스템
 PC에 버금가는 반응속도
 특정한 기능에 부합하는 최적화
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임베디드 시스템의 응용분야
 가정 자동화(HA, Home Automation)
 가스 누출, 화재, 도난 등에 대한 자동 감지 기능, 현관문이나 창문
등의 상황을 알려주는 통신 기능, 가전 제품과 조명 기기, 음향 기기
등을 켜고 끄는 원격 제어 기능 등
 정보가전(Information Appliance): 인터넷 냉장고, 디지털 TV, 인터넷
세탁기 등
 정보 단말기
 휴대폰, PDA, 스마트폰, 영상 전화기 등의 디지털 기기
 각종 정보 검색, 오락, 메시징, 개인정보관리 등의 복합 기능 수행
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임베디드 시스템의 응용분야
 공장 자동화(FA, Factory Automation)
 산업 분야에서 생산 공정의 제어에 필요한 시스템
 공정을 실시간으로 제어하거나 매우 정밀한 처리가 필요한 공정에
서는 고성능 임베디드 시스템을 탑재한 산업용 로봇과 같은 장비 필
요
 사무 자동화(OA, Office Automation)
 사무 활동의 효율화 및 내용의 질적 향상을 위해 전자 기기 등을 사
용한 사무 처리의 자동화
 프린터, 스캐너, 팩스 등의 기능을 하나로 통합한 복합기 등
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임베디드 시스템의 응용분야
 물류 분야
 바코드를 위한 리더 및 발급기, 무선인식장치, POS 단말기, RFID 등
 금융 분야
 자동현금입출금기, 신용 카드의 인식기나 발급기, 훼손된 지폐 검출,
지문 인식, 음성 안내, 감시 카메라를 이용한 감시 기능 등
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실시간 시스템
 실시간 시스템
 주어진 입력에 대하여 정해진 시간 내에 행동 혹은 반응할 수 없을
때 문제가 발생하는 시스템
• (Schedule : Dead Line)
 외부 자극에 대하여 어떠한 환경 아래에서도 마감시간 이내에 논리
적으로 정확한 출력 혹은 결과를 내는 적시성을 가진 시스템
 마감시간 내에 결과를 얻지 못할 경우 발생하는 문제의 심각성에 따
라 크게 경성 실시간 시스템과 연성 실시간 시스템으로 분류
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실시간 시스템
 경성 실시간 시스템
 마감시간을 못 지키면 응용 프로그램이 실패하며 시스템에 치명적인
손실을 줄 수 있음
 원자력 발전소 제어, 화재 발생 검출 시스템, 항공기, 우주 왕복선, 자
동차, 미사일 제어 등
 연성 실시간 시스템
 지연된 반응에 대해 치명적 영향을 미치지 않고 시스템에 미세한 영
향
 데스크탑 컴퓨터, 정보 단말기 등
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임베디드 소프트웨어
임베디드 소프트웨어
 하드웨어를 제어하기 위해 임베디드시스템에 내장되는 명령어집합
 제한된 하드웨어 자원에서 동작해야 하므로 일반적으로 크기가 작고
하드웨어에 최적화해 사용
 하드웨어가 다양하기 때문에 탑재되는 임베디드 소프트웨어 종류도
다양하고 복잡
 대부분의 경우 센서 혹은 버튼 등을 통하여 입력된 외부 자극에 대해
사건 구동 방식으로 동작
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임베디드 하드웨어
 임베디드 하드웨어
 프로세서 로직을 라이선스하여 SoC(System on a Chip) 형태로 프로
세서 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 소
모, 제품 가격 하락, 안정성 증가뿐만 아니라 혁신적인 디자인도 가능.
• 모듈별로 재사용 가능한 IP(Intellectual Property) 개발이라는 새로운 사
업 모델의 등장. 이전에는 일부 반도체 회사에서만 프로세서 칩을 설계,
제조 및 판매가 가능했지만, 이제는 영국의 ARM처럼 프로세서 코어 IP
를 판매하는 회사도 등장. ASIC(Application Specific Integrated Circuit)
제조 기술만 있는 회사이면 IP를 라이선스하여 프로세서와 같은 칩 생
산이 가능
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유비쿼터스 컴퓨팅
 유비쿼터스(Ubiquitous) 컴퓨팅의 의미
 언제 어디서나 어떤 것이라도 온라인 네트워크와 연결되어 서비스를
받는 환경과 공간을 의미
 Xerox 사의 PARC(Palo Alto Research Center) 연구소의 연구책임자
인 마크와이저(Mark Weiser) 소장에 의해 1991년도에 사용
 TRON 프로젝트 연구책임자인 사카무라 켄 교수가 제창한 “모든 물
건에 컴퓨터”
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유비쿼터스 컴퓨팅
 차세대 컴퓨팅 기술
 웨어러블 컴퓨팅(Wearable Computing)
 퍼베이시브 컴퓨팅(Pervasive Computing)
 조용한 컴퓨팅(Silent Computing)
 노매딕 컴퓨팅(Nomadic Computing)
 감지 컴퓨팅(Sentient Computing)
 엑조틱 컴퓨팅(Exotic Computing)
 임베디드 컴퓨팅(Embedded Computing)
 일회용 컴퓨팅(Disposable Computing)
 유비쿼터스 기반 기술
 MEMS(Micro Electro Mechanical System) : 미세전자기계시스템
 RFID
 IPv6
 SoC
 LBS(Location Based Service) : 위치기반 서비스
 센서, 칩
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운영체제
 운영체제
 컴퓨터 시스템의 각종 자원을 효율적으로 관리하고 운영되도록 사용
자에게 편리성 제공, 컴퓨터 하드웨어와 사용자간의 인터페이스 역
할을 하는 시스템 프로그램
 자원 관리자 역할과 응용 소프트웨어에게 컴퓨팅 자원에 대한 서비
스 제공자 역할
 커널
 운영체제를 작동시키는 핵심 프로그램
 커널이 관리하는 컴퓨팅 자원
• 물리적 자원: 프로세서, 메모리, 디스크, 터미널, 네트워크 등과 같은 시
스템 구성 요소들과 주변 장치
• 추상적 자원: 태스크와 쓰레드, 페이지(page)와 세그먼트(segment), 파
일 및 inode, 통신 프로토콜 및 패킷 등, 보안 혹은 사용자 계정에 따른
접근 제어 등
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리눅스 소개
 리눅스의 장점
 유닉스와 완벽하게 호환 가능
 공개 운영체제이며 무료
 강력한 네트워크 기능을 제공하며 인터넷의 모든 기능을 지원
 멀티태스킹을 지원
 안정적이며 하드웨어 기능을 효과적을 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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리눅스 소개
 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 안정된
커널
z: 릴리스 번호로 추가된 기능은 없지만 오류 수정 등에 의한 작은
변화를 의미
 배포판
비상업적이거나 상업적인 소프트웨어를 통합한 리눅스 패키지
리눅스 커널 외에 GNU 유틸리티, 개발 환경, X 윈도우 시스템 등을
포함
 레드햇 리눅스 배포판
• Redhat Linux,
• Redhat Enterprise Linux,
• Fedora Core

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리눅스 소개
리눅스 부팅과정
 리눅스 부팅 과정
① ROM BIOS에 의하여 시스템의 이상 유무를 점검하고 하드웨어를
초기화
② 부트로더 프로그램을 메모리에 적재
③ 부트로더는 커널을 메모리에 적재
④ 커널 실행 후 커널은 최초의 프로세스인 /sbin/init 코드 실행
⑤ init 프로세스에 의해 운영체제 초기화
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임베디드 리눅스
 임베디드 리눅스 운영체제
 저성능의 프로세서와 소용량의 메모리를 가진 제한된 컴퓨팅 자원
하에서 특정 응용 프로그램의 수행에 필요한 요구 사항을 충족시킨
최적화된 리눅스
 임베디드 시스템 분야에서 리눅스가 많이 선택되는 이유
•
•
•
•
•
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안정된 운영체제이며 멀티태스킹의 제공
강력한 네트워크 기능
확장성의 다양함과 용이함의 제공
다양한 형태의 파일시스템과 실행 파일 포맷 지원
소스가 공개된 무료 소프트웨어
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임베디드 시스템 개발환경 개요
 임베디드시스템 개발 환경:호스트 시스템, 타겟 시스템백엔드로 구성
 호스트 시스템에서 타겟 시스템을 위한 부트로더, 커널 이미지, 응용
소프트웨어 등을 개발하고, 이를 케이블 등을 통해 타겟 시스템으로 다
운로드하여 사용
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임베디드 시스템 개발환경 개요
 크로스 개발 환경(Cross Development Environment)
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임베디드 시스템 개발환경 개요
 호스트 시스템
 임베디드시스템을 개발하기 위한 자원 즉, 컴퓨팅 환경을 제공하는 시
스템
 보통 개인용 컴퓨터를 호스트 시스템으로 사용
 리눅스 커널 2.6 버전을 포함하는 페도라 코어 4를 호스트 시스템의 운
영체제로 사용
 툴체인(toolchain): 타겟 시스템용 시스템 및 응용 소프트 개발에 필요
한 모든 환경을 통칭
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임베디드 시스템 개발환경 개요
 타겟 시스템
 개발된 임베디드시스템 프로그램을 테스트하고 구동할 수 있는 시스
템
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임베디드 시스템 개발환경 개요
 백엔드
 호스트 시스템과 타겟 시스템간에 통신하기 위한 매개체
 Serial
• Serial 포트를 활용하여 모니터링(미니컴 S/W 활용)
 JTAG
• JTAG을 통해 플래시 메모리에 부트로더, 커널 퓨징
• 원용도: 디버깅 장비 – 레지스터 모니터링
 Ethernet
• Cross 케이블을 활용하여 NFS(Network File System 구성) - 허브 부재시
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툴체인 환경 구축
 일반적으로 호스트 시스템과 타겟 시스템의 플랫폼이 다르기 때문에 툴
체인이 필요
 x86 계열에서 개발한 프로그램을 ARM 계열에서 실행하려면 교차 컴파일
필요
 툴체인은 교차 컴파일러 및 관련된 각종 라이브러리를 의미
 어셈블러, 링커, C 컴파일러, C 라이브러리 등으로 구성
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Make 유틸리티
 컴파일을 자동화해주는 명령어 생성 프로그램
 최종 목표 파일(target file)의 빌드(Build) 과정을 정의해두면 필요한 작업
만 수행하여 목표 파일을 생성
 종속된 파일들의 상호 의존 관계를 명시한 목록 파일(description file)을
사용하여 목표 파일을 생성
 원시 파일의 일부가 수정되면 목표 파일을 새롭게 생성하기 위해 다시 컴
파일할 파일을 자동으로 판단, 필요한 명령어만 이용해 다시 컴파일하는
지능적인 유틸리티
 다중 모듈 프로그램의 재사용성을 유지하고 프로그램 수정에 대한 재번
역을 최소화
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호스트/타겟 통신
 임베디드시스템은 제한된 컴퓨팅 자원으로 구성되어 있어서 프로그램
개발을 위해서는 호스트 시스템의 도움이 필요
 호스트 시스템은 타겟 시스템을 위한 교차 컴파일러, 콘솔 등 다양한 환
경을 제공
 호스트 시스템에서 개발된 소프트웨어는 타겟 시스템으로 전송
 호스트 시스템과 타겟 시스템 사이에 통신 환경 필요
 직렬 통신과 이더넷(Ethernet) 통신
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호스트/타겟 통신
 직렬 통신
 저속의 데이터 통신으로 사용
 직렬 포트를 제어하는 프로그램을 포함하는 마이크로 칩:
UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)
 인터페이스 칩: RS-232C
 이더넷
 대용량의 데이터를 호스트 시스템에서 임베디드시스템으로 전송하
고자 할 경우 사용
 BOOTP: 부트로더와 커널 이미지를 TFTP로 호스트에서 타겟으로 다
운로드하여 부팅.
 NFS:네트워크로 연결된 파일을 로컬 디스크처럼 쉽게 접근할 수 있
도록 허용하는 일종의 분산 파일시스템.
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직렬 통신을 이용한 이미지 전송
 ZMODEM을 사용해 호스트 시스템과 타겟 시스템 사이의 직렬 통신이
가능
 미니컴에서 ZMODEM을 기동하여 파일 송수신 가능
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NFS 환경 구축과 파일 공유
 NFS(Network File System)를 이용하면 원격 컴퓨터의 파일이 마치 자
신의 컴퓨터에 있는 것처럼 작동
 타겟 시스템에서 필요한 프로그램을 호스트 시스템에서 개발하고 NFS
를 사용하면 전송의 번거로움이 없이 타겟 시스템에서 사용 가능
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NFS 환경 구축과 파일 공유
 NFS의 장단점
 장점
• 호스트 시스템에서 작업한 것을 NFS를 이용하면 다운로드 과정 없이 타
겟 시스템에서 이용 가능
• 클라이언트 시스템의 리눅스 파일 시스템 위에서 호스트 시스템의 파일
을 접근 및 실행이 가능
• 램디스크 상에 올리기에 너무 큰 파일도 NFS 상에서는 호스트의 기억
용량에 의존하기 때문에 쉽게 처리 가능
 단점
• 네트워크의 과부하로 속도 저하 혹은 보안 허점 우려
• 장치 파일과 같은 특수 파일은 NFS에 연결된 디렉토리에서 생성 불가
• 읽고 쓰는 속도가 빠른 파일로는 사용이 곤란
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부트로더 개요
부트스트랩 로더(bootstrap loader)의 준말로 컴퓨터를 사용자가
사용할 수 있도록 디스크나 플래시에 저장된 운영체제를 읽어 주
기억장치에 적재해주는 프로그램
부트로더의 종류

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
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





LILO(LInux LOader)
GRUB(GRand Unified Boot loader)
NTLDR(NT LoaDeR)
BOOTX
ARMBOOT
BLOB(Boot Loader OBject)
BOOTLDR
PPCBOOT
REDBOOT
U-BOOT(Universal BOOTloader)
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부트로더 개요
 부트로더의 기능
 타겟 시스템을 위한 스타트업, 로드, 링커 기능
 기본적인 시스템 진단 기능
 모니터 기능
 직렬 통신을 사용한 프로그램 적재 기능
 네트워크를 통해 이미지 전송
 메모리 내용 표시 및 수정 명령어를 제공
 간단한 플래시 파일시스템
 부트로더 생성 및 플래시 메모리에 적재
 생성시 툴체인 활용
 부트로더 소스코드와 make를 이용하여 부트로더 이미지 생성
 생성된 부트로더는 타겟 시스템의 플래시 메모리에 퓨징(적재)
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커널 포팅
 커널 포팅(kernel porting)
 커널 소스를 타겟 시스템에 적합하게 프로그래밍 및 컴파일해 생성
된 커널 이미지를 타겟 시스템에 적재하는 과정
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파일시스템 개요
 파일: 저장 매체에 보관된 데이터 집합의 추상적 개념
 용도에 따라 다른 파일시스템을 사용하는 것이 효율적






FAT(File Allocation Table): MS-DOS와 윈도우즈 95
NTFS(NT File System): 윈도우즈 XP
EXT2, EXT3: 리눅스
ISO 파일시스템: CD-ROM
NFS: 네트워크
EXT3, JFFS2: 저널링 파일시스템
 임베디드 시스템






제한된 자원을 사용: 효율성 추구
열악한 환경에서도 안정적으로 가동
문제가 발생하면 자동으로 복구
전원을 차단해도 데이터 손실 없이 재가동
불필요한 파일을 제거
플래시 등에서 부팅하기 때문에 파일시스템의 설치에도 주의
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파일시스템 개요
 파일 시스템 종류
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파일시스템 종류
 휘발성 파일시스템
 전원 인가를 제거하면 사라지는 파일시스템
 메모리 일부를 하드디스크처럼 사용
 시스템 설치나 장애 복구에 유용하게 사용
 gzip으로 압축
 필요 시 메모리 할당, 크기 조정
 하나 이상 사용 가능
 디스크가 없는 시스템에 유용
 램디스크 파일시스템(RAMFS, RAM File System 혹은 RAMDISK File
System)
 초기 램디스크(initrd)
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파일시스템 종류
 비휘발성 파일시스템
 FAT(File Allocation Table) , FAT32
 NTFS(New Technology File System)
 EXT2, EXT3, EXT4
 ReiserFS
 CRAMFS(Compressed ROM File System)
 JFFS(Journaling Flash File System), JFFS2
 ISO(International Organization for Standardization) 9660
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파일시스템 종류
 특수 파일시스템
 NFS
 VFS
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루트 파일시스템




/ 디렉토리에 마운트되는 파일시스템
커널이 동작하기 위한 공간, 라이브러리, 유틸리티 등을 포함
램디스크, JFFS2, NFS 등을 주로 사용
직접 구축하기 위해 준비할 데이터
 glibc 라이브러리
 시스템 초기화 프로그램인 sysvinit
 termcap 혹은 ncurses 등과 같은 라이브러리
 쉘 패키지 bash
 로그인을 위한 tinylogin
 각종 유틸리티를 위한 패키지 busybox
 커널 모듈을 관리하기 위한 유틸리티 modutils
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임베디드 시스템 부팅 과정
1단계
• Power On
2단계
• ROM BIOS에서 지정된 부트 드라이브로 부팅시작
3단계
• 부트 드라이브의 첫 번째 섹터인 부트섹터 읽어 들임
4단계
• 부트섹터의 부팅 프로그램인 부트로더(GRUB) 작동
5단계
• 커널 이미지 적재
6단계
• 루트 파일 시스템 마운트
7단계
• 시스템 초기화 프로그램(init) 작동
8단계
• Login
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디바이스 드라이버 개요
 디바이스: 컴퓨터시스템의 주변 하드웨어
 디바이스 드라이버는 디바이스 구동 프로그램
 디바이스의 종류
 문자 디바이스(character device)
• 터미널, 콘솔, 키보드, 사운드카드, 스캐너, 프린터, 직렬/병렬 포트, 마우
스, 조이스틱 등
 블록 디바이스(block device)
• 하드디스크, 플로피 디스크, 램디스크, 테이프, CD-ROM, DVD 등
 네트워크 디바이스(network device)
• 이더넷, PPP, SLIP, ATM, 네트워크 인터페이스 카드
 주번호(major number)와 부번호(minor number)로 구분
 동일한 디바이스는 동일한 주번호를 가지며 서로 구분하기 위해 부번호
를 사용
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디바이스 드라이버 개요
 디바이스 드라이버
 디바이스와 시스템 사이에 데이터를 주고받기 위한 인터페이스
 표준적으로 동일한 서비스 제공을 목적
 커널의 일부분으로 내장
 서브루틴과 데이터의 집합체
 디바이스의 고유한 특성을 내포
 디바이스 드라이버 제작 과정
 디바이스 드라이버 소스코드 작성
 응용 프로그램 소스코드 작성
 디바이스 드라이버와 응용 프로그램의 컴파일
 호스트 시스템에서 타켓 시스템으로 디바이스 드라이버와 응용 프
로그램을 전송
 디바이스 드라이버를 타겟 시스템 커널에 적재
 타켓 시스템에서 응용 프로그램을 수행하여 테스트
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GPIO
 GPIO(General Purpose Input Output)
 GPIO는 하나의 연결 단자를 입력이나 출력으로 고정시키지 않고 선
택적으로 사용할 수 있게 융통성을 높인 범용 입출력 단자
 라즈베리파이의 GPIO 참조
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Thank you
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