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자동화시스템제어 명지전문대학 기계과 2013.08.26 1 주차 강사 : 문상찬

자동화시스템제어 명지전문대학 기계과 2013.08.26 1 주차 강사 : 문상찬. 1. 마이크로컨트롤러. 학습목표. 일반적인 마이크로컴퓨터와 마이크로콘트롤러와의 차이점을 이해한다. 마이크로프로세서와 마이크로콘트롤러의 발달과정을 이해한다. MSC-51 계열 마이크로콘트롤러의 장단점을 이해한다. 마이크로콘트롤러의 응용 분야에 대해 공부한다. 개 요. CPU(Central Processing Unit)

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자동화시스템제어 명지전문대학 기계과 2013.08.26 1 주차 강사 : 문상찬

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  1. 자동화시스템제어명지전문대학 기계과2013.08.26 1주차강사 : 문상찬 1. 마이크로컨트롤러

  2. 학습목표 • 일반적인 마이크로컴퓨터와 마이크로콘트롤러와의 차이점을 이해한다. • 마이크로프로세서와 마이크로콘트롤러의 발달과정을 이해한다. • MSC-51 계열 마이크로콘트롤러의 장단점을 이해한다. • 마이크로콘트롤러의 응용 분야에 대해 공부한다.

  3. 개 요 • CPU(Central Processing Unit) 레지스터, ALU(Arithmetic Logic Unit), 멀티플렉서(multiplexer), 디코더(decoder) 등 여러 가지 디지털 기능을 수행하는 소자들을 조합해서 설계. • 마이크로프로세서(Microprocessor) 한 개의 IC칩으로 된 CPU(Central Processing Unit)를 가리킨다 • 마이크로프로세서의 2가지 형태 • CPU형 마이크로프로세서 : 컴퓨터의 CPU가 가지고 있는 대부분의 기능을 하나의 반도체 칩에 집적 • 마이크로컴퓨터(microcomputer) : 마이크로프로세서를 중심으로 ROM, RAM, 입출력장치 등으로 구성된 작은 규모의 컴퓨터 시스템 • 단일 칩 마이크로컴퓨터(single chip microcomputer) : 마이크로컴퓨터에 들어가는 모든 부품들을 하나의 반도체 칩에 집적한 것 (혹은 one chip microcomputer 라고도 함)

  4. 마이크로프로세서의 기초- 마이크로프로세서의 역사 • 1976년 인텔사 싱글 칩 마이크로컴퓨터(Single chip micro computer) MCS 48 시리즈(8748) 발표 • MCS 48 시리즈를 향상시켜 MCS-51시리즈 (8051)을만듦 • 8048 비해 4배의 프로그램 메모리, 2배의 데이터 메모리가 내장 • 가격대비 성능이 우수(1970년 후반부터 개발) • 계측기, 모터제어기, 프린터, 오디오 사운드 카드, 모뎀, 팩스등 임베디드 시스템에 사용

  5. 마이크로콘트롤러(microcontroller) • 단일 칩 마이크로컴퓨터는 용도에 따라 연산 및 데이터 처리를 목적으로 하는 연산용과 기계제어를 목적으로 하는 제어용으로 크게 분류 • 마이크로콘트롤러(microcontroller) : 제어용 단일 칩 마이크로컴퓨터 • 8051 계열 : 마이크로콘트롤러에 속함.

  6. 2. 마이크로프로세서 및 마이크로콘트롤러 2.1 마이크로컴퓨터 구성 • 마이크로프로세서(Microprocessor) 컴퓨터의 CPU(Central Processing Unit)가 가진 기능의 대부분을 하나 혹은 몇 개의 반도체 칩(Chip)으로 집적한 것 • 마이크로컴퓨터(Microcomputer) 마이크로프로세서를 중심으로 ROM, RAM, I/O 장치 등으로 구성된 작은 규모의 컴퓨터 시스템

  7. 레지스터(register) 데이터를 보관하는 조그만 메모리로, 프로그램의 실행 중에 사용되며 고속 액세스 가능 • 산술/논리 유니트(ALU : 연산장치) 가산이나 승산 등의 산술 연산을 수행하고, 레지스터 내의 하나 혹은 두 개의 값 사이에서 AND 조작과 같은 논리 연산을 수행. • 제어 장치(control unit) 명령을 해석하고 그것을 실행하는데 필요한 컴퓨터 내부의 각 유니트 사이의 데이터의 흐름을 제어 • 버스(Bus) 마이크로프로세서와 각 장치들이 서로 정보를 교환하기 위해 필요한 전송로 • 주소 버스 : 메모리 내의 특정 장소나 입출력 장치의 특정 포트(port)를 지정하는 주소가 실린다. • 데이터 버스 : 각 장치간에 주고받는 정보가 실린다. • 제어 버스 : CPU 내부에서 또는 외부로부터 시스템 동작을 제어하는 신호가 실린다.

  8. 데스크 탑 PC는 폰 노이만 구조 2.2 마이크로컴퓨터 구조 • 하버드 구조와 폰 노이만 구조 8051, PIC, AVR는 하버드 구조 폰 노이만 구조 하버드 구조

  9. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 구조 • 주로 대형컴퓨터나 워크스테이션에 사용되는 CPU의 한 방식 • CPU에 내장된 명령어를 줄여 보다 빠른 처리속도가 특징 • CPU의 구조를 보다 단순화 • 대형컴퓨터나 워크스테이션과 같이 대용량의 데이터를 고속으로 처리하는 컴퓨터에서 RISC 방식의 CPU를 사용 • 복잡한 명령어는 단순한 명령어를 조합해서 사용 • CISC(Complex Instruction Set Computer) 구조 • 대표적으로 인텔의 x86계열의 CPU가 CISC 방식을 사용하며, 펜티엄IV도 CISC 방식을 사용 • CPU의 구조가 매우 복잡 • CISC 방식의 장점은 뛰어난 호환성에 있음 • 개인용 컴퓨터인 PC에 많이 사용 당분간 CISC가 강세를 보이게 될 것이며, 전문적인 용도에서는 효율적이고 빠른 성능의 RISC가 우위를 점할 것으로 예측

  10. 2.3 단일 칩 마이크로컴퓨터 • 단일 보드 마이크로컴퓨터(One Board Microcomputer) 마이크로컴퓨터 중에서 부품들이 한 장의 기판 위에 배치해 놓은 것.

  11. One Chip Microcomputer • 단일 칩 마이크로컴퓨터(Single Chip Microcomputer) 단일보드 마이크로컴퓨터에 들어가는 모든 부품들을 하나의 반도체 칩(VLSI)에 집적 천안대학교 정보통신학부

  12. 2.4 마이크로콘트롤러 • 마이크로콘트롤러 (Microcontroller) • 단일 칩 마이크로컴퓨터는 용도에 따라 연산 및 데이터의 처리를 목적으로 하는 연산용과 기계의 제어를 목적으로 하는 제어용으로 분류 • 마이크로콘트롤러 : 제어를 목적으로 하는 단일 칩 마이크로컴퓨터 • 8051 계열 : 마이크로콘트롤러에 속함 • 마이크로콘트롤러 특징 • 마이크로콘트롤러는 단일 기계, 컴퓨터 주변장치, 통신장치, 공정 등의 제어를 목적으로 입출력 기능을 강화 • 외부 핀(pin)의 대부분을 입출력 기능에 할애하고, A/D 변환기, D/A 변환기와 PWM을 내장하기도 하며, 타이머/카운터도 내장하고 동기식/비동기식 통신포트도 내장 • 인터럽트 기능 강화 • 비트 조작 명령어(Bit Manipulation Instruction)을 강화

  13. 3. 마이크로프로세서 및 마이크로콘트롤러의 발달과정 3.1 마이크로프로세서 발달과정

  14. 3.2 마이크로콘트롤러 발달과정 마이크로콘트롤러의 기본 구성

  15. 제조회사별 단일 칩 마이크로컴퓨터

  16. 4. 마이크로콘트롤러의 특징 및 응용 4.1 마이크로콘트롤러의 특징 • 제품이 소형화되고, 경량화된다. • 제품의 가격이 저렴해진다. • 융통성이 커서 기능 변경이나 확장이 용이해진다. • 신뢰성이 향상된다.

  17. 4.2 마이크로콘트롤러의 응용 • 마이크로콘트롤러의 분야별 응용

  18. CPU 성능에 따른 마이크로콘트롤러의 응용분야

  19. 5. MCS-51 계열의 특징 및 종류 • 5.1 MCS-51 계열 마이크로콘트롤러의 특징 • MCS-51 계열의 마이크로콘트롤러는 하버드 구조, CISC 머신

  20. 5.2 MCS-51 계열 마이크로콘트롤러의 종류 5.3 제조사별 MCS-51 계열 마이크로콘트롤러의 종류

  21. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [1] • 1. 인텔 (Intel) • 4 Bit CPU • 종류 : 4004, 4040 • 발표 년도 : 1971년 • 특징 : 최초의 마이크로 프로세서 • 적용제품 : 탁사용 전자 계산기용 • 8 Bit CPU • 특징 : 마이크로 컴퓨터의 기초가 됨 • 종류: i8008, i8080 • 적용제품 : 미니 컴퓨터에 적용 됨 • CISC 방식 • 종류: 8048 (MCS-48시리즈) • 발표 년도 : 1976년 • 특징 : 최초의 완칩 마이크로프로세서 • 적용제품 : IBM-PC 내부의 Key Data 처리, PC용 Key board • CISC 방식

  22. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [2] • 8 Bit CPU ==>> 인텔 (Intel) • 종류: 8051 (MCS-51 시리즈) • 발표 년도 : 1980년 • 특징 : 제어전용 완칩 마이크로 프로세서, 8048 코드호환 C-MOS 구조, 현재에도 필드에서 제어용으로 널리 사용됨 • 적용제품 : IBM-PC 내부의 Key Data 처리, PC용 Key board, 하드디스크 제어용, 화성 탐사 로봇에도 사용 됨 • CISC 방식 • 종류: MCS-151, MCS-251 시리즈 • 발표 년도 : 1990, 1994년 • 특징 : 제어전용 완칩 마이크로 프로세서 로서 8051의 성능향상 용 으로 수많은 타사 세컨드 소스 CPU가 많이 출시되었고 터보모드, PLL에 의한 X2모드, 처리속도 향상, 6분주도입, PCA (PWM), AD, USB, MP3, DAC, I2C, SPI, 프레시메모 리, EXT-RAM 내장(4K Byte), ISP 프로그램, EEP-ROM, CAN 통신, RF 기능 등 현재 필드에서 매우 많이 사용 됨 • CISC 방식

  23. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [3] • 16 Bit CPU ==>> 인텔 (Intel) • 종류 : 8086, 8088 • 특징 : 16 Bit 마이크로프로세서 로서 오늘날 IBM 호환기종 컴퓨터 의 기본 구조로 자리 잡음 - 8088은 내부는 16 Bit Data 구조나 외부는 8 Bit Data Bus 구조로 처리속도는 다소 떨어지나 주변 칩들과의 호환성 과 인터페이스 편리성을 도모하기 위한것으로 8086 보다 늦게 개발 됨 (저가용) • 적용제품 : 초기 IBM-PC XT 컴퓨터 • CISC 방식 • 종류: 80188, 80186 • 특징 : 완칩 마이크로프로세서로서 한때 제어용으로 사용되었다가 현재는 거의 사용되지 않고 AMD 사에서 이를 발전시켜 AMD188ES, AMD186ES CPU를 출시하여 제어용으로도 사용되고 있으며 우리나라 인공위성 제작에도 사용된걸로 알고 있으나 최근에는 사장되고 있음

  24. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [4] • 16 Bit CPU ==>> 인텔 (Intel) • 종류 : 8096 (MCS-96), 80C196KC (MCS-196) • 발표 년도 : 1982, 1988 년 • 특징 : 제어전용 완칩 마이크로프로세서, 사용자에 의해서 외부 Data Bus를 8 Bit, 16 Bit 구조로 선택할수 있음, 레지스터를 뱅크방식 개념으로 선택하여 같은 점유 어드레스로 서로 다른 레지스터를 선택 제어 할수 있음 현재에도 필드에서 많이 사용되고 있고, 특히 3상 인버터 제어용 및 마이크로 마우스 제어용 최적의 CPU로 평가 됨 - 최초로 ACC 개념를 모든 레지스터에 적용 시킴 - MCS-51 8051의 성능 향상 용 CPU • CISC 방식 • 종류 : 80296 • 발표 년도 : 1996 년 • 특징 : 제어용 완칩으로 80196 성능개선용으로 출시 되었으나 필드에서는 많이 사용되지 않고 있음 • CISC 방식

  25. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [5] • 32 Bit CPU ==>> 인텔 (Intel) • 종류 : 80960 • 특징 : 32 Bit 마이크로프로세서 로서 필드에서는 사용되지 않고 국방분야에 사용되고 있으며 특히F-14 전투기에 사용 됨 • 종류: SA110, SA1110, SA1111 • 특징 : ARM 7 구조로 일명 Strong ARM 으로 현재는 단종됨 - 이와 대적할수 있는 ARM CPU로 우리나라 삼성의 2410 이 있음 • RISC 방식 • 종류: PXA-255, PXA-277 • 특징 : 일명 Xscale ARM 으로 현재 주류를 이루고 있으며 필드에서 많이 사용되고 있음 - ARM 프로세서 중에서 속도가 가장 빠름 - 이와 대적할수 있는 ARM CPU로 삼성의 2440 이 있음 • RISC 방식

  26. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [6] • 2. MOS Technology • 8 Bit CPU • 종류 : 6502 • 특징 : 퍼스널컴퓨터의 효시인 애풀 컴퓨터에 사용 됨 • 적용제품 : 애풀 컴퓨터 • CISC 방식 • 3. 모토롤라 (Motorola) • 종류 : 6800, 6809, 68H05, 68HC11 • 특징 : 한때 필드에서 제어용으로 많이 사용 되었으나 현재는 많이 사용되지 않음, 본인 경험상으로는 인텔사는 성능은 좋으나 CPU가 조금 불안한 반면 모토롤라사는 성능도 좋고 CPU가 매우 안정적이고 제어용으로 신뢰성이 좋으나 개발환경 미약함 • CISC 방식 • 32 Bit CPU • 종류 : 68020, 68030, 68040 • 특징 : RISC방식 CPU로 애풀사의 맥켄토시용 CPU로 현재 사용되고 있음

  27. 1. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [7] • 4. 마이크로 칩스 (Microchip) • 8 Bit CPU • 종류 : PIC 시리즈 (16C73, 16C74, 16F873, 16F877, 18F 시리즈) • 특징 : RISC CPU로써 완칩용 제어 전용으로 개발되어 필드에서 현재 많이 사용되고 있다. 특히 OTP타입이 지원되어 양산시 비용을 절약할수 있으며 타임투마켓에 의한 시장 흐름에 대응할수 있다. RISC CPU 개념을 일반화 시키는데 크게 기여했으며, 명 령어 수가 35개, 모든명령이 1워드(12-16비트)이며 1사 사이클에 동작, 파이프라인를 통한 고속동작, 레지스터 화 일 개념 도입, 내부RC발진회로 내장, EEPROM 또는 프레 쉬 ROM 지원한다. 본인 경험상은 프로그램 개발하기가 좀 불편하며 특히 인터럽트를 여러 개 사용시에 애기치 않은 동작를 하며 프로그램 개발시에 많 은 주의가 필요한 CPU이고 최근에는 이런사항들 때문에 필드에서 는 조금 사용를 기피하는 경향이 있다. • 16 Bit CPU ==>> DSPIC 시리즈 - 성능개선 형으로 내장된 기능이 좋고 실행속도가 빠르다. - 차후 본인도 이 디바이스를 사용 해볼려고 합니다.

  28. 1. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [8] • 5. 자이로그 (zilog) • 8 Bit CPU • 종류 : Z-80 • 특징 : 제어용 마이컴의 원조이며 필드에서 한시대의 흐름를 평정 CPU로 지금은 사용하지 않는다. • 적용제품 : 삼보컴퓨터의 MAX 시리즈 컴퓨터 • CISC 방식 • 6. 아트멜사 (ATmel) • 8 Bit CPU • 종류 : 80C51, 89S52,T89C51CC01, T89C51AC2, ED2 시리즈 • 특징 : 프레쉬 메모리 기반의 8051 호환 기종으로 현재 필드에서 가 장 많이 사용되고 있으며 Z-80 교체 CPU로 한시대를 풍미한 CPU로 CPU에 프레쉬 메모리 와 내부 램를내장, ISP프로그램 방식등를 최초로 도입한 회사로 오늘날 CPU 개발환경과 발전 방향를 제시하는데 일조를 했음. 내장기능은 타이머/카운터, A/D, WDT, I2C, SPI, MP3, USB, EEPROM, CAN 등 완칩 임 - CISC 방식

  29. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [9] • 6. 아트멜사 (ATmel) • 8 Bit CPU • 종류 : AVR 시리즈 (Atmega8, 16, 32,64, 128) • 특징 : 프레쉬메모리 기반으로 내부램, ISP, JTAG, USART, A/D, I2C, SPI, EEP-ROM, WDT, Timer/Count, PWM, 아날로그컴프레 이터, RTC, INT, USB, LCD 등 최신 기술를 집약시킨 RISC CPU로서 최근에 가장 많이 사용되고 있는 CPU 이다. 본인 경험상 8051 시리즈를 100% 기능 보완하여 성능향상 시 킨 CPU로 속도는 8051에 비해 6-7배 정도 차이가 나는것 같음 최대 20 밉스로 동작 함 클리스탈 클럭과 1대1로 동작함 - RISC CPU • 아트멜사에는 AVR코아에 CPLD코아를 내장한 FPSLIC 이라는 디바이스도 존재하나 개발 환경이 나빠 국내에서는 거의 사용되지 않고 있음

  30. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [10] • 6. 아트멜사 (ATmel) • 32 Bit CPU • 종류 : ARM 7, ARM 9 시리즈 • 특징 : 제어용으로 최적이며 8 Bit CPU 대체용으로 펌웨어 레벨에서 바로 적용하여 사용할수 있으며 향후 8 Bit CPU를 대체할것으로 예상되 고, 최근 필드에서 많이들 쓰고 있으며 Bit 제어가 지원되고 있다. 본인은 현재 사용중에 있습니다. - RISC • 7. 기타 사 • 에스지 에스 톰슨사는 터보 8051 코아에 PLD 영역를 내장한 uPSD 시리즈 가 있으며 32 Bit ARM Core를 내장한 ARM7, ARM9 를 지원하는 CPU가 있으며 최근 사용량이 증가중에 있습니다. 8 Bit CPU를 별다른 어려움 없이 바로 ARM 프로세서 32 Bit 급으로 대체가 가능합니다. 본인은 현재 uPSD와 ARM CPU 를 사용 중 입니다 • RISC • TI 사는 32 bit 급 DSP 시리즈로 유명하며 주로 신호처리 분야에 많이 이용되며 음성 및 영상신호 처리, 디지털 필터 구현(FFT) 등에 사용되고 최근 듀얼코아 프로세서(ARM + DSP)인 OMAP 시리즈를 출시 하였다.

  31. 7. 기타 사 필립스사는 ARM Core CPU 시리즈도 최근 관심이 집중되고 있으며 8051 대체용으로 펌웨어 레벨에서 바로 사용할수 있다. 본인 역시 사용를 검토 중 입니다. == >> RISC 기타사의 ARM 프로세서 들은 가격이 저렴하여 최근 8 Bit CPU 대 체용으로 하여 많이들 사용할려는 추세 입니다. 본인도 또한 실무 프로젝트에 사용할려고검토중 이고 이 중에서 아트멜사와필립스 사의 ARM CPU 는 현재 사용 및 공부중 입니다. 싸이프레스 사 의 PSD 시리즈는 8051 코아에 아날로그 불럭과 디지털 불럭를 두워 내부 내장된 기능들를 재배치가 가능하여 칩사용 및 전력효율를 극대화 했으며 LG 불랙폰에 사용하고 있습니다. 본인도 사용를 검토중에 있습니다. - FPGA 전문 업체인 액텔은 퓨전 시리즈라고해서 진정한 SOC 시리 즈가 출시 되는데 8051 및 ARM CORE에 CPLD/FPGA 영역에, 아날로그및 디지털 불럭 지원, 아날로그 먹스 등의 기능를 지원 합니다. 본인도 사용를 검토 중 입니다.

  32. 1. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [12](각 회사별 CPU 정리)

  33. CPU 전반적인 개념 및 각사별 특징 [17]( 8 Bit CPU 처리속도 비교 )*** AVR 시리즈는 20 MIPS 임 ***

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