[Lecture 02] 전자 기초, Hardware Organization

Lecture 02_전자 기초, Hardware Organization

 

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< Embedded System >

Hardware + Software + Restriction

: either independent system or a part of a large system

: mostly designed for a specific function(s) within a larger system

 

- Real-time: various timing과 constraints를 충족해야 한다.

- Reliability: survival probability of the system when the function is critical during the run time.

- Battery

- Cost

 

 

< SW 엔지니어 >

- HW에 SW를 설치한다.
- 문제가 SW bug에 의해 발생하는지 HW fault에 의해 발생하는지 파악해야 한다.
- HW design을 읽고 corrections을 제안한다.

- SW drives HW directly.
- Detailed knowledge of HW가 필요하다.

- Often no safety net: SW bug can fry HW in some cases

 

 

< 예시 >

> Micro Ovens

- 8 bit Microcontroller

- No OS

- Assembly or C language

*Embedded system에는 OS(operating system)가 없다.

 

>  Automotive Market

- automotive embedded systems and electronics로 인해 자동차가 안전하고 효율적이고 편안하다 

 

Ex) adaptive cruise control, airbag, telematics, traction control, in -vehicle entertainment system,

emission control system, parking system, navigation systems, collision sensors, climate control,

radio, anti -lock braking system etc

 

- 수요가 많은 이유

: Growing vehicles sales.

: Increasing focus on vehicle safety features.

: Increasing demand of automation

 

- 디지털화에 따라 거의 모든 업계가 디지털 기술을 통합하여 더 나은 서비스를 제공하려 한다.
자동차 산업에서 디지털 기술을 사용하면 operational productivity and efficiencies을 제공하여

a ton of workload를 줄일 수 있기 때문에 서비스 공급자와 고객 모두 효과적으로 활용할 수 있다.

 

> IOT Based Smart Parking System

 

>  Robotic Surgery

: Response time

: Bandwidth (대역폭)

 

>  Aerospace (항공우주 산업)

 

 

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<  Electricity (전기) >

: The movement of electrons (전자의 이동)

 

> Electrons(전자) create charge(전하) which has three principles

- Voltage(전압) V

: 두 지점 사이 전하의 차이

: 두 지점 사이 잠재적 에너지의 양

: 수압

 

- Current(전류) A

: 전하가 흐르는 비율

: 한 주기동안 circuit에 흐르는 전하(charge)의 양

: 흐르는 물의 양

 

- Resistance(저항) Ω

: 전하의 흐름을 저항하는 정도

: charge와 current의 흐름을 방해하는 정도

: 물이 흐르는 호스의 넓이

 

> 옴의 법칙

V = I * R

 

 

< Direct Current (DC) vs Alternating Current (AC) >

- Direct Current (직류)

: The electric charge (current) only flows in one direction.

: Battery provides DC

: Typical digital system is based on DC

 

- Alternating Current (교류)

: The flow of charge that changes direction periodically.

→ current에 따라 voltage level 변환

: 가정, 회사 빌딩에서 사용

예) 60 cycles per 1 second

1 cycle = 0V → 220V → 0V → -220V → 0V

 

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< Analog vs Digital >

> Analog

: continuous signal which represents physical measurements

: 전송,  write/read cycle 중에 noise에 의해 subjected to deterioration

예) Thermometer, analog clock, human voice

 

> Digital

: discrete time signals generated by digital modulation

: 전송,  write/read cycle 중에 deterioration 없이 noise-immune 할 수 있다.

예) Computers, smartphones, and other digital electronic devices

 

*In electical engineering, 시간에 따라 달라지는 양은 보통 Voltage이다 (if not, current)

→ signals에 대해 이야기할 때, signals를 시간에 따라 변화하는 Voltage로 생각

 

 

> Binary scheme for digital signaling

- Assign two different voltages as two different logic levels (states)

- High voltage (usually 5V, 3.3V, 1.8V) : 1 / TRUE / HIGH

- Low voltage (usually 0V) : 0 / FALSE / LOW

- Nothing is perfect (Use voltage ranges for logic levels)

예) 5V (operating voltage)

HIGH level output: 4.2 ~ 5V

HIGH level input: 3 ~ 5V

LOW level output: 0 ~ 0.9V

LOW level input: 0 ~1.5V

 

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< Universal Serial Bus (USB) >

: 빠른 'serial' data transfer를 제공하고 small devices에 전원 공급 가능

: 충분한 current와 적합한 voltage를 circuit에 공급해야 정상 작동

Electricial specifications for USB standards

Maximum Power = Maximum Voltage * Maximum Current

 

 

< Serial vs Parallel Communications >

 

*Parallel Communication: 1 byte = 8 bits

 

< Digital Multi-meter >

: circuits을 진단하고, 다른 사람들의 electronic designs을 배우고, 배터리를 테스트하는 도구

: voltage, current, resistance, continuity 측정

- DV 전압 : V-

- AC 전압 : V~

- A 암페어 : A-

- 저항: Ω

 

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< Logic Gates >

- basic logic operations: AND, OR, NOT

 

+) NAND, NOR, XOR

- NAND

= AND → NOT = NOT | NOT

 

- NOR

= OR → NOT = NOT & NOT

 

- XOR

: 부호가 같으면 0, 다르면 1

 

 

< Power >

- VCC and ground provides power to a circuit

- VCC/VDD (or power pin) : 항상 HIGH에 연결 

- Ground: 항상 LOW에 연결

 

 

< Memory >

: Storage for program instructions and data

: micro-controller는 서로 다른 종류의 memory HW components 여러 개로 구성되어 있다.

 

> memory type
- Volatile(휘발성):  RAM(Random-access Memory), DRAM(main memory)
- Non-volatile(비휘발성): ROM(Read-only Memory)

*access: read and write

 

> Byte addressable vs Block of bytes-addressable

예) NOR (byte) vs NAND (block) Flash

→ 1 byte = 8 bits: data를 움직이는 단위

 

 

< Microprocessor (μP) >

- core components of μP

: ALU(Arithmetic Logical Units) - addition, subtraction, compare, branch, read/write

: Registers - internal memory

 

- μP는 memory read/write를 제외하고 ALU operators에 external memory를 직접적으로 사용하지 못한다.

→ external memory의 모든 데이터는 먼저 register에 load된 후 ALU에 쓸 수 있다.

→ load/store 연산 필요

 

 

< Hardware Organization: Processor (CPU) >

*CPU: ALU + Control unit + Register

 

 

< Microprocessor (μP) vs Processor (CPU) >

- Central Processing Unit (CPU)

: "brains" of a computer system

 

- Microprocessor

: CPU와 가장 유사 → CPU is often referred to as a microprocessor

 

*All CPUs are microprocessors, but not all microprocessors are CPUs.
→ Processor (CPU) ⊂ Microprocessor (μP)

 

 

< Hardware Organization: BUS >

> BUS

: Interconnect HW components

- 컴퓨터 안의 부품들 간에, 또는 컴퓨터 간에 데이터와 주소, 제어 신호 등 정보를 전송하는 통로(통신 시스템)

- 하드웨어 부품(선, 광섬유 등) + 통신 프로토콜을 포함한 소프트웨어

- μP + RAM + ROM + ...
예) 8-bit 전송: 8개의 wire, 16-bit 전송: 16개의 wire

 

> 예시

- Microprocessor (μP)

: 64KB addressable → A0-A15 address signals (2^16 = 65536 = 64KB)

: 8Bits data → D0-D7 Data signals.

- RAM/ROM

: 32KB memory space → A0-A14 address signals (2^15 byte)

 

*1byte = 8bits

1KB = 2^10 byte

1MB = 2^10 KB

1GB = 2^10 MB

1TB = 2^10 GB

 

> 작동 방법

1. READ는 RAM과 ROM의 OE(Output Enable) signals에 부착

2. WRITE는 RAM의 WE(Write Enable)에만 부착

(ROM은 Read-Only이기 때문)

 

 

< Hardware Organization: Main Memory >

 

 

< Memory Map >

> μP: 16-bit addressable 체계 (2^16 = 64KB)

: 64KB (0x0000 ~ 0xffff)

 

> memory mapping

: RAM과 ROM에 주소 범위를 할당하는 것

- ROM : 0x0000 ~ 0x7fff (32KB) (0111111111111111)

- RAM : 0x8000 ~ 0xffff (32KB) (1000000000000000)

 

> μP가 데이터를 읽고 싶다면

- ROM의 A15를 LOW로 (directly)

- RAM의 A15를 HIGH로 (inverted)

→ Connect A15 from μP to CE (Chip Enable) of both ROM (directly) and RAM (but inverted)

 

+) ROM과 RAM은 동시에 일하면 안 되기에 RAM의 CLK에 not 게이트를 붙임

→ 1개의 bit를 변경하고 싶어도 byte를 가져와야 한다.

- byte단위 (8-bit)로 동작한다.

 

 

< Hardware Organization: I/O Devices >

 

 

< Additional Devices on the BUS >

> External devices는 memory addresses에 의해 접근 가능

예) memory mapped I/O

: devices는 same buses with data and address signals을 사용하여 uP에 연결되어야 한다.

예) Sensors, actuators

Sensor, actuator

 

- Memory map

: devices에 사용하지 않은 address range를 할당한다.

: uP pins는 corresponding device pins에 연결되어야 한다.

: Hardware schematic(도면)은 HW components가 서로 어떻게 연결되어 있고 사용되는 지 보여준다. 

 

 

*중요*

< Simple Operations >

- Load

: 메인 메모리의 byte나 word를 register에 복사하여, register의 이전 내용에 overwriting

- Store

: register의 byte나 word를 메인메모리에 복사하여, 해당 위치의 이전내용에 overwriting

- Operate

: 2개의 registers의 내용을 ALU에 복사하고, 두 words에 대한 arithmetic operation을 수행한다.

(그 결과를 register에 저장하고, register의 이전 내용에 overwriting )

- Jump

: 명령어 자체에서 word를 추출하고 PC(Program Counter)에 복사하여 PC의 이전 값에  overwriting

 

 

< Running the Hello program >

 

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자료는 이화여자대학교 윤명국 교수님의 임베디드시스템및실험 강의에서 가져온 것입니다.