임베디드 시스템의 이해

요약

임베디드 시스템에 대한 전반적인 이해를 돕기 위해 개념을 체계적으로 정리했습니다.

Embedded System의 정의부터 구조, 메모리 계층, 레지스터와 캐시, 실시간 시스템, ARM 구조, 그리고 MMU/MPU 비교까지 실무에서 필요한 핵심 개념을 모두 담았습니다.

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목차

1. Embedded System 정의
2. 특징 및 설계 과정
3. 개발 환경 요소
4. CPU 운영 모드
5. GPU 컴퓨팅 개념
6. 시스템 소프트웨어 구성
7. 실시간 시스템 개요
8. gcc 컴파일러 단계
9. 시스템 아키텍처와 버스
10. 시스템 메모리와 메모리 맵
11. 메모리 계층 구조 및 비교
12. 지역성(Locality)
13. Cache 종류
14. volatile의 의미
15. MMU vs MPU 비교
16. ARM 구조 및 모드
17. 레지스터 및 상태 레지스터 설명
18. SFR 개념
19. 비트 연산 실습 (Bit Field)
20. 연산 비용 비교

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Embedded System 정의

• Embedded System은 larger system 안에 포함된 특정 기능 수행 목적의 컴퓨터 시스템입니다.
• 전용 기능만을 수행하며, 일반적인 범용 PC와 달리 하나의 기능에 최적화되어 있습니다.
• 예: 전자레인지, 자동차 ECU, 스마트워치, 산업용 제어기 등

computer system → 내장형 시스템이다.
dedicated function → 용도가 정해진 장치이다.
within a larger mechanical or electrical system.

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특징

• 경량화 및 최적화 설계
• 저전력 소비
• 실시간성 및 고신뢰성 요구 (특히 안전성 관련 시스템)
• 멀티미디어 기능 (카메라, 오디오 등)
• 네트워크 기능 포함 (Ethernet, Wi-Fi, BLE 등)

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설계 및 구현 과정

• SoC (System on Chip): CPU, RAM, Flash, I/O 등을 단일 칩에 통합
• Bare-metal (Firmware): OS 없이 직접 하드웨어를 제어하는 방식
• Embedded OS 기반: RTOS 또는 Linux를 기반으로 구성 가능
  • 예: 라즈베리파이 (Linux 기반)

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개발 환경 구성 요소

항목	설명
Host	개발용 PC. 코드 작성 및 컴파일 수행
Target	실제로 코드가 실행되는 임베디드 보드
Toolchain	gcc, linker, assembler 등 포함된 툴 모음
IDE	VS Code, Keil, IAR, Eclipse 등 개발 도구

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CPU Operation Mode

모드	설명
USR (User Mode)	비특권 모드. 일반 응용 프로그램 실행
SVC (Supervisor Call)	특권 모드. 운영체제 또는 커널 전용

@Cortex-M 기준

• Thread Mode: 일반 코드 실행 (비특권 또는 특권)
• Handler Mode: 인터럽트 및 예외 처리 (무조건 특권)

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GPU Computing

• CPU는 로직 처리, GPU는 연산 집중 파트 담당
• GPU는 병렬 처리에 특화되어 있음
• GPU 가속을 통해 고성능 처리 가능 (CUDA 등)

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임베디드 시스템 소프트웨어 구성

Bare-metal 방식

• Startup Code → Main Loop → I/O 직접 제어

Embedded OS 방식

• RTOS (예: FreeRTOS, VxWorks)
• 일반 OS (예: Linux, Android)

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실시간 시스템 (Real-Time System)

유형	설명
Hard Real-time	시간 제약 절대 위반 불가 (자동차, 항공 등)
Soft Real-time	시간 제약 위반 시 QoS 저하 (영상 재생 등)

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gcc 컴파일러 단계별 옵션

$ gcc -E      # 전처리
$ gcc -S      # 어셈블리 코드 생성
$ gcc -c      # 오브젝트 파일 생성
$ gcc -o main # 링크 후 실행 파일 생성

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시스템 아키텍처와 버스 구조

버스 종류

• Internal Bus: CPU 내부
• External Bus: 외부 디바이스 연결

버스 핸드쉐이킹

• Master → 요청 / Slave → 응답

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시스템 메모리

휘발성 메모리 (Volatile)

• SRAM: 빠름, 비쌈, 적은 용량 → 캐시, MCU 내부 RAM
• DRAM: 느림, 저렴함, 큰 용량 → 외부 RAM, PC 메모리

비휘발성 메모리 (Non-Volatile)

• ROM, PROM, EPROM, EEPROM
• NOR Flash: 코드 저장
• NAND Flash: 대용량 저장소 (USB 등)

#define dev2 (*(volatile unsigned *)0xE001000)
r = dev2;

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메모리 계층 구조

계층	예시	특징
1단계	레지스터	CPU 내부, 가장 빠름
2단계	캐시	L1, L2, L3
3단계	주기억장치	RAM
4단계	보조기억장치	Flash, SSD
5단계	원격 저장소	외부 EEPROM, 서버 등

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SRAM vs DRAM 비교

항목	SRAM	DRAM
저장 방식	플립플롭 (6T)	커패시터 + 트랜지스터 (1T1C)
리프레시	불필요	필요
속도	빠름	느림
가격	비쌈	저렴함
소비전력	낮음	높음
용도	캐시, 내부 RAM	외부 RAM, 메인 메모리

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지역성(Locality)

• 시간적 지역성: 최근 접근한 데이터는 곧 다시 접근할 가능성 높음
• 공간적 지역성: 인접한 데이터도 함께 접근할 가능성 높음

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Cache 종류

• Direct Mapped
• Fully Associative
• Set Associative

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volatile의 의미

volatile int *rREG = (int *)0xE0001000;
int i = *rREG;

• 컴파일러 최적화를 방지하고 실제 메모리에서 매번 읽어오도록 강제

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MMU vs MPU

항목	MMU	MPU
주소 변환	가능 (가상 → 물리)	없음 (물리 주소만 사용)
메모리 보호	페이지 단위	영역 단위
캐시 정책	설정 가능	제한적
지원 아키텍처	Cortex-A	Cortex-M
OS	Linux 등	RTOS, bare-metal 등

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Arm Architecture

버전	코어	설명
v4	ARM7	피처폰 시대
v5	ARM9	효리폰
v6	ARM11	연아폰
v7	Cortex-M/A/R	32bit, 임베디드용
v8	Cortex-A	64bit, 서버/스마트폰용

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Arm Operation Mode

• 특권 모드 (Privileged Mode): 예외 처리, OS 커널 동작
• 비특권 모드 (User Mode): 일반 사용자 애플리케이션

@Cortex-M:

• Thread Mode: 일반 애플리케이션 (비특권 또는 특권)
• Handler Mode: 인터럽트 및 예외 처리 (특권)

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Register 종류

이름	별칭	설명
r13	SP	Stack Pointer
r14	LR	Link Register (return 주소)
r15	PC	Program Counter
xPSR	Program Status Reg.	N/Z/C/V 플래그 포함

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SFR (Special Function Register)

#define UART0 (*(volatile unsigned int *)0xE0001000);

• Configuration, Control, Data, Status Register 등으로 구성
• 장치 설정 및 제어에 사용

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비트 연산 실습 (Bit Field)

필드 추출

int dst = src & (0xF << 4);

필드 클리어

int dst = src & ~((3<<6) | (3<<2));

필드 설정

int dst = src & ~((3<<6) | (3<<2));
dst |= ((2<<6) | (3<<2));

필드 토글

int dst = src ^ (3 << 4);

단일 비트 제어 예시

rREG |= (1<<12)|(1<<9)|(1<<4)|(1<<0);     // set
rREG &= ~((1<<12)|(1<<9)|(1<<4)|(1<<0));  // clear

용어 정리

• bit: 1비트
• nibble: 4비트
• byte: 8비트 = 2 nibble
• mask: 특정 비트를 제어하기 위한 값

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연산 비용 비교

int j = i / 8;      // 느림
int k = i >> 3;     // 빠름 (Shift 연산)

• 연산 속도: +, <<, *, / 순으로 느려짐

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