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Memory Mapped IO란?

주기억장치들의 일부 주소를 입출력장치에 할당하는 방법으로,

해당 방식은 별도의 하드웨어 신호핀을 두지않고 Address line에 따라 분기하여 하드웨어에 접근하는 방식이다.

특징으로는 

• 메모리 일부 공간을 I/O 포트에 할당
• 메모리와 입출력 번지 사이의 구별이 없음
• 메모리 명령으로 사용 가능
• 기억장치 이용 효율이 낮고 (I/O 포트가 주소영역을 공유하기 때문에)  H/W가 간단

상대되는 방식으로는 I/O Mapped I/O가 있다

STM32F103RB 기준으로 확인하기

임베디드 프로그래밍에 사용되는 ARM  프로세서는 memory mapped I/O 방식을 사용한다.

SSAFY 수업에서 사용했던 STM32F103RB 기준으로 설명해보겠다.

STM32F103RB 

• referenece manual
  • https://www.st.com/resource/en/reference_manual/rm0008-stm32f101xx-stm32f102xx-stm32f103xx-stm32f105xx-and-stm32f107xx-advanced-armbased-32bit-mcus-stmicroelectronics.pdf
• datasheet
  • https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103c8.pdf

datasheet에서 Memory mapping 부분을 확인하면 메모리가 어떻게 사용되는지 확인할 수 있다.

주소가 낮은 곳에 시스템과 기억장치가 맵핑되어 있고,

주소가 높은 곳에 입출력관리 및 peripherals(주변장치)가 메모리에 맵핑되어 있는 것을 확인할 수 있다.

많은 임베디드 시스템에 사용되는 memory mapped i/o 방식은 메모리에 맵핑된 해당 장치의 레지스터 직접 접근하여 제어한다. 

제어 방법은 referenece manual을 참고하여 해당 레지스터에 값을 입력하는 방식으로 제어할 수 있다.

만약 port A의 GPIO를 제어하고 싶으면 referenece manual의 3.3장 Memory map에서 base address를 찾고

원하는 설정 값에 따라서 base address + offset 주소에 설정 값을 넣어주면 제어할 수 있다!

임베디드 개발 영역

임베디드 개발 영역은 크게 3개로 나뉜다

• Application Level 임베디드 sw 개발자
• Middleware Level 임베디드 sw 개발자
• Low level 임베디드 sw 개발자

임베디드에서 사용되는 운영체제

• 리눅스
• RTOS
• 자체적 운영체제 (firmware)

Applicaiton level 개발자

application이란?

운영체제 안에서 동작하는 프로그램

application 개발이란?

• 각각 운영체제에 맞는 앱을 개발
  • 리눅스 운영체제
    • 리눅스 App 개발
  • RTOS 운영체제
    • RTOS 운영체제 App 개발
• GUI 개발
• 검증 SW 개발
• 주로 C / C++ / C#을 주로 사용

Middleware level 개발자

Middleware란?

application과 운영체제의 중간 다리 역할을 한다

• 운영체제의 신호를 App이 가져할 수 있는 API
• App level에서 운영체제에 신호를 전달하는 API

middleware 개발이란?

• application level 개발자를 위한 library / API 개발
• 해당 문서 작성
• 성능 최적화
• 시스템 통합 및 테스트
• 주로 사용되는 언어
  • Android
    • JAVA / C / C++
  • RTOS
    • C

Low level 개발자

Low level 개발이란?

• Firmware 개발
  • H/W를 제어하는, 작은 운영체제 직접 개발
  • 주언어: C, Assembly
• Device Driver 개발
  • 커널 내부에서 동작되는 프로그램으로 hw를 제어하는 프로그램 개발
  • 주언어: C

통신의 기본 요소

1. 시간 동기화
2. 데이터를 주고 받는 선
3. 통신 대상 지정

시간 동기화

통신은 low와 high로 구분되어 오게 되는데 해당 신호 구분을 위하여 신호를 쪼갤 수 있는 기준이 필요

1. 동기: master와 slave 간의 동기화 신호인 clock을 사용
2. 비동기: master와 slave 간 같은 시간 베이스를 사용 (ex: baud rate), clock을 사용할 때에 비해 전송 속도에 한계가 있음

데이터를 주고 받는 선

데이터는 주는 선, 받는 선을 구분할 수도 있고, 한 선을 공통으로 같이 사용할 수 있음.

한 선을 공통으로 같이 사용하는 경우에는 송신과 수신이 동시에 이루어질 수 없음

1. 전이중 방식: 송신선과 수신선이 구분, 송수신이 동시에 이루어짐
2. 반이중 방식: 공통된 송수신선 사용,  송수신이 동시에 이루어질 수 없음

통신 대상 지정

master에서 보낸 신호가 어떤 slave로 갈지 정해줘야 함

1. 별도의 선 존재 (ex: cs선)
2. 모든 slave에 신호를 전달하는 대신 신호 앞에 주소를 명시하여 어떤 slave에게 보내는 신호인지 알 수 있도록 함

예시

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

• CLK선 없음 = 해당 통신은 비동기 통신이며, 신호 구분을 위하여 공통된 time base를 사용한다 (baud rate)
•  RX, TX선이 각각 존재 = 전이중 방식으로 송수신이 동시에 가능. master에서 slave로 송신만 필요한 경우에는 TX 선만 있어도 됨
• 기본적으로  UART는 1:1 통신을 염두에 두고 설계됨
• GND선은 신호의 low 기준을 잡아줘서 안정적인 통신을 가능하게 함

SPI (Serial Peripheral Interface)

• CLK선 존재(SCLK) = 동기 통신, UART에 비해서 빠른 데이터 전송 속도
• MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out)으로 송수신 선이 각각 존재하는 전이중 방식, 데이터의 송수신이 동시에 가능
• SS (Slave Select or CS Chip Select)선이 존재하여 특정 slave와 활성화

I2C (Inter-Integrated Circuit)

• CLK선 존재(SCL) = 해당 통신은 동기 통신
• 한 개의 데이터 선 = 반이중 방식으로 송수신이 동시에 불가능
• SS선 없음, 데이터 구조 앞에 address 존재 = 모든 slave에 신호를 전달하고 데이터 앞의 address로 수신 slave를 지정 

CAN (Controller Area Network)

• CLK 선 없음 = 비동기 통신
• CAN_H, CAN_L이라는 2개의 데이터 선으로 통신. 신호선 간의 전압 차이를 통해 데이터가 전송하는 차동 신호 방식. 해당 방식은 노이즈에 강하고, 데이터 신호의 무결성을 보장.
• 따라서 데이터 선은 2개를 사용하지만 이는 송수신 선이 따로 구성되어 있는 것이 아니라 신뢰성이 높은 공통된 송수신선을 사용하는 방식인 반이중 통신
• SS 선 없음, 데이터 구조 앞에 identifier 존재 = 모든 node에 신호를 전송하고 각 node는 identifier를 보고 메세지의 우선 순위와 필터링을 적용하여 필요한 메세지만을 수신하게 됨