베어메탈 프로그래밍 1 + ARM core

임베디드 개발 패러다임

임베디드 소프트웨어의 발전 과정

• 기존의 자동차 임베디드 소프트웨어는 제일 왼쪽과 같이 HW위에 바로 SW가 얹어져 있는 구조였다. 따라서 하드웨어에 완전히 종속적인 low-level programming을 하였다. 이 과정의 단점은 하드웨어가 바뀌면 그 위의 소프트웨어도 많이 바꾸어야했다.
• 위의 단점을 보완하기 위해 가운데 그림과 같이 Basic Software 개념을 도입해 HW와 독립적으로 SW개발이 가능하게 되었다.
• 하지만 회사마다 Application Software와 Basic Software에서 사용하는 모듈과 HW가 다르기 때문에 서로 호환하는데 문제가 있었고, 이를 해결하고자 각 회사들의 주요 기술들을 모아서 ASW와 BSW를 표준화 시킨것이 AUTOSAR이다.

 

MCU, I/O device등에 완전히 종속적인 low-level programming -> Bare-Metal Programming

 

보드 및 사용 프로그램 소개

사용 보드

• Bare-Metal Programming을 하기 위한 보드
  • STM NUCLEO F401RE CPU Board (ARM cortex-M4 기반)
  • Core : ARM 32-bit Cortex-M4 CPU, 84MHz
  • 512Kbytes Flash memory (Non-Volatile)
  • 96Kbytes SRAM (Volatile)

Circuit Diagram

 

펌웨어 개발 환경

• Keil uVision5 IDE

 

ARM Processors

영국의 ARM사에서 개발한 RISC 구조를 가지는 일련의 32비트 프로세서군을 가르키는 용어

• 1980년 초반 : 영국 Acorn사에서 개인용 컴퓨터에 내장할 수 있는 새로운 프로세서의 개발을 시작

• 1985.4 : 최초의 32비트 RISC 프로세서 개발 (ARM1)

• 1980후반 : Advanced RISC Machine 설립

 

특징

• 내부 구성이 간단하여 동작속도가 빠르면서도 전력 소비가 적음
• ARM1 부터 시작하여 현재는 Cortex까지 발전하였음
  • Cortex란? ARMv7 Architecture의 코어를 가지는 프로세서
• 휴대폰, 게임기 등의 모바일 기기 부문에서 많이 사용하고 있음
• ARM사는 Microprocessor를 만드는 회사가 아닌 코어를 설계해서 Microprocessor를 제조하는 회사에 설계내용을 지적재산권 형태로 판매함
• 이를 구입한 회사는 여기에 각종 주변 장치(Peripherals, Memory, I/O..)를 추가하여 완성된 형태의 Microprocessor를 만든다

RISC vs CISC

RISC(Reduced Instruction Set Computer)	CISC(Complex Instruction Set Computer)
명령어의 길이가 고정되어 있다	명령어의 길이가 가변적이다
CPU의 명령어를 최소화하여 단순함	복잡하고 기능이 많은 명령어
전력소모가 적음, 빠른 속도, 저렴한 가격	전력소모가 큼, 비싼 가격, 느린 속도
간단한 HW구조, 임베디드에 주로 사용	전력원이 연결된 PC에 주로 사용

 

MPU vs MCU

MPU ( Micro Processor Unit )

• ALU ( Arithmetic Logic Unit) + CU ( Control Unit ) => One Chip

MCU ( Micro Controller Unit )

• Microprocessor core + System BUS + RAM,ROM + I/O => One Chip
• 외부장치를 바로 연결할 수 있기 때문에 효율적으로 사용가능하다.

 

Cortex Processors

ARMv7 Architecture의 코어를 가지는 프로세서

• A(Application), R(Real Time), M(Microcontroller) series가 있다
• 각 시리즈별로 큰 숫자일 수록 고성능이다

 

Cortex-A series (MPU)

• 가장 고성능의 프로세서
• 복잡한 운영환경, 고성능이 요구되는 어플리케이션의 구현에 적합
• 스마트폰, 넷북 같은 기기에 사용
• Architecture : ARMv7-A

 

Cortex-R series

• Real time 동작이 요구되는 high-end embedded system

• 임베디드 제품에서 필요한 복잡한 알고리즘 제어와 실시간 작업처리가 가능
• Architecture : ARMv7-R

 

Cortex-M series

• 8bit, 16bit MCU시장을 타겟으로 한 프로세서
• Microcontroller 및 FPGA에 최적화된 프로세서
• 자동차나 전자분야 등 가격에 민감한 임베디드 어플리케이션 분야에 사용
• Architecture : ARMv7-M

 

FPGA (Field Programmable Gate Array) 란?

개발자가 논리회로를 원하는 의도에 맞춰 동작하게 할 수 있다.

개발자가 직접 로직을 설계하고 이 과정에서 사용되는 것이 HDL(Hardware Description Language)이다.

대표적으로 Verilog와 VHDL이 있음.

 

Cortex Processor <-> Cortex based MCU

• Cortex Processor : ARM사에서 설계한 프로세스 코어

• Cortex based Processor : 프로세서 코어를 바탕으로 여러 가지 주변 장치를 추가하여 완성된 MCU

 

ARM Processor에 내장된 기능

Memory Protection Unit ( MPU )

• 동작모드 : Thread mode, Handler mode
• 메모리 접근 레벨 : Privileged level, User level
• 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 진입과 탈출의 시간이 빠르다
• 메모리 엑세스에 대한 제한 ( 메모리 접근 레벨 )
• 일반적으로는 운영체제가 MPU를 설정하여 Previleged level에서 사용하는 데이터를 User level의 프로그램에서 접근하지 못하도록 막는 형태로 사용한다

 

Nested Vectored Interrupt Controller

• 프로세서에 내장된 인터럽트 제어기
• 모든 Interrupt(Exception)에 대한 우선 순위를 결정하고 이를 처리함
• 인터럽트가 발생하여 처리하고 있는 중에 더 높은 우선 순위의 인터럽트가 발생하면 현재 처리하고 있는 동작을 멈추고 높은 우선 순위의 인터럽트를 처리한다. 우선 순위가 높은 인터럽트가 끝나면 다시 실행을 하게 된다.
• NVIC는 미리 정해진 우선 순위에 따라 자동적으로 중첩 인터럽트 동작을 수행함
• Vector table : 메모리 내에 ISR의 시작 주소를 저장하고 있음
• Vectored Interrupt : Vector table을 이용해 인터럽트 발생 시 별도의 소프트웨어 필요없이 바로 ISR의 시작 주소를 알 수 있다. 이는 인터럽트 처리 속도가 빨라지게 해준다. 과거에는 SW적으로 처리를 하였으나, 현재는 HW Circuit으로 만들어 더 효율적이 되었음.

 

Exceptions

System Exception과 External Interrupt로 나뉜다

• System Exception : 프로세서 내에서 발생 (최대 15개까지 가능)
• External Interrupt : 주변 장치(GPIO, Timer 등)에서 발생 (최대 240개까지 가능, 제조사별로 구성 상이)