ARM 마이크로프로세서는 제품군에 따라 사양과 성능이 많이 다르지만, 이것들이 공통적으로 갖는 주요 특징을 요약하면 다음과 같다.

① 소비전력이 적다. ARM 마이크로프로세서는 소비전력이 적게 사용되도록 설계하여 빠른 속도에서도 발열이 적고, 이러한 특징은 ARM 모델이 배터리를 전원으로 사용하는 휴대용 모바일(mobile) 기기에서 가장 각광받는 중요한 요인이 되었다.

② 칩 면적(die size)이 작다. ARM 마이크로프로세서는 적은 트랜지스터의 수를 사용하고 초미세 공정으로 칩 면적이 작게 설계되어 소형화에 유리하고 발열 문제도 적으며 제조 원가도 싸진다.

③ 고성능 32비트 RISC 프로세서이다. ARM 마이크로프로세서는 RISC 구조로 되어 있고 캐시 메모리(cache memory)를 내장하며 파이프라인(pipeline) 처리방식으로 명령을 실행하여 평균적으로 1사이클에 1명령을 처리한다. 초기에는 폰노이만(Von Neumann) 구조를 사용하였으나 ARM7 제품군부터는 수정된 하버드 구조(Modified Harvard Architecture)를 채택하여 명령 페치와 데이터 액세스를 동시에 수행할 수 있도록 개선하였다. 또한, 명령처리 구조를 단순화하기 위하여 모든 데이터 처리나 연산 명령은 내부 레지스터를 중심으로 이루어지며, 레지스터와 메모리 사이의 데이터 이동은 별도의 로드(load) 및 스토어(store) 명령으로 수행한다.

④ 많은 범용 레지스터와 효율적인 명령 세트를 가지고 있다. ARM 마이크로프로세서는 32비트의 고정 길이 명령을 가지며, 명령의 종류가 적으나 연산 명령보다는 데이터 이동이나 제어처리 명령이 많고, 대부분의 명령에서 조건부 실행이 가능한 것과 같이 효율적인 명령 세트를 가지고 있다. Thumb 명령을 사용하는 경우에는 메모리에서 코드의 집적 효율을 더욱 높일 수 있는데, 16비트의 Thumb 명령은 32비트의 ARM 명령에 비하여 약 30% 정도 메모리를 절약시켜 주지만 반면에 프로그램의 실행 속도를 40% 정도나 저하시키는 것으로 알려져 있다. 따라서, Thumb 명령은 적은 메모리와 저소비전력을 필요로 하는 시스템에 적합하다. Cortex-M3부터는 Thumb 명령을 더욱 개선한 Thumb-2 명령을 사용하고 있다.

⑤ 명령 세트를 확장하기가 매우 용이한 구조(ISA ; Instruction Set Architecture)로 되어 있다. ARM 마이크로프로세서는 기본적인 명령 세트 이외에 보조 프로세서(coprocessor)를 이용한 명령 세트 확장이 용이하게 되어 있는데, DSP 보조 프로세서나 VFP 부동소수점 연산 보조 프로세서 등이 이에 해당한다. 이처럼 ARM은 내부 구조가 철저하게 모듈식으로 되어 있어서 제품군에 따라 보조 프로세서는 물론이고 캐시 메모리나 MMU/MPU 또는 Jazelle, TrustZone 등의 기능을 추가로 확장하는 것이 매우 용이하게 수행될 수 있다. Cortex-M4는 DSP 기능과 VFP 부동소수점 연산장치를 내장한 Cortex-M3의 상위 모델이다.

⑥ 엔디안 모드를 지원한다. ARM 마이크로프로세서는 각 메모리 번지에 바이트 단위로 명령 코드나 데이터가 저장되는 바이트 머신(byte machine)인데, 4바이트의 워드가 낮은 번지에 LSB(Least Significant Byte)부터 차례로 저장되는 리틀 엔디안(little endian) 방식과 낮은 번지에 MSB(Most Significant Byte)부터 차례로 저장되는 빅 엔디안(big endian) 방식을 모두 지원한다. Cortex-M3는 리틀 엔디안 방식으로 고정되어 있다.

⑦ ARM사는 반도체 제조회사가 아니며 ARM 마이크로프로세서 제품을 직접 만들지 않는다. ARM사는 자체적인 반도체 제품 모델이 없이 ARM 코어를 IP(Intellectual Property) 라이센스로 제공하며, 이 라이센스를 계약한 반도체 회사는 여기에 자사에서 설계한 I/O 회로를 추가하여 ARM 마이크로프로세서 제품 모델을 생산 판매하게 된다. 그러나, ARM 마이크로프로세서의 에뮬레이터와 같은 하드웨어 개발 툴이나 C컴파일러와 같은 소프트웨어 개발 툴은 ARM사에서 직접 제공한다.

⑧ 가격이 싸다. ARM 마이크로프로세서는 구조가 간단하고, ARM사에서 개발한 코어를 많은 반도체 회사에서 라이센스로 받아 동일하게 사용하므로 개발 비용이 적게 들어 제품의 가격이 싸다. 현재 ARM은 전세계 32비트 임베디드 RISC 시장의 약 75% 이상을 장악하고 있는 것으로 알려져 있는데, 현재까지 약 100여개 이상의 반도체 회사가 ARM사와 라이센스 관계를 맺고 있으며, 우리나라 삼성전자의 경우에도 1994년부터 ARM 코어를 라이센스하여 여러 가지 모델을 생산하고 있다.

ARM 마이크로프로세서의 내부에서는 고성능의 AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스 구조를 사용한다. AMBA 버스에는 [그림 1.1.1]과 같이 내부 시스템 버스로 사용되는 고성능의 AHB(Advanced High-performance Bus) 및 ASB (Advanced System Bus) 버스와, 이보다는 느리지만 내부의 주변장치를 접속하는데 유용한 APB(Advanced Peripheral Bus) 버스 등 3가지가 있다. Cortex-M3에서는 시스템 버스로 AHB 버스를 사용하며, 내부 주변장치에는 APB 버스를 사용하고 있다.
메모리에 명령 코드나 데이터를 저장할 때 사용하는 빅 엔디안 방식과 리틀 엔디안 방식을 비교하여 설명하면 <그림 1.1.2>와 같다. 전통적으로 Intel사의 마이크로프로세서들은 리틀 엔디안 방식을 주로 사용하였으며, Motorola사의 마이크로프로세서들은 빅 엔디안 방식을 주로 사용하였다. Cortex-M 시리즈에서는 리틀 엔디안 방식만을 고정적으로 사용한다.

ARM 마이크로프로세서의 응용 분야
ARM사에서 제안하는 ARM 마이크로프로세서 제품의 응용분야는 다음과 같이 크게 3가지로 분류된다.

○ 임베디드 실시간 시스템 - 데이터 저장장치, 자동차, 산업용 기기, 네트웍 장비 등과 같이 운영체제를 탑재하지 않은 프로세서 내장형 실시간 제어 시스템.

○ 개방형 응용 플랫폼 - Linux, Palm OS, Symbian OS, Windows CE, Android 등의 운영체제를 탑재하여 다양한 응용 프로그램을 실행할 수 있는 개방형 플랫폼. 휴대용 기기, 오락기기, 디지털 영상처리 장비 등에 사용됨.
○ 보안 응용 분야 - 스마트 카드, SIM 카드, 화폐 지불 시스템 등과 같이 암호화 처리가 중요한 보안 시스템.

이러한 다양한 응용 분야에도 불구하고 오늘날 ARM 마이크로프로세서는 저전력소비와 고성능이 중요한 휴대용 통신기기나 네트웍 장비에 가장 널리 사용되고 있다. 휴대용 기기는 전원으로서 배터리를 사용하기 때문에 소비전력이 적은 것이 중요하며, 대부분의 휴대용 통신기기는 고속의 무선통신이나 디지털 영상처리 목적으로 사용하기 때문에 고성능이 중요한 요소가 된다.
그런데, 이러한 휴대용 통신기기는 대용량의 데이터를 처리하고 운영체제까지 탑재하는 경우가 많기 때문에 ARM 마이크로프로세서의 외부에 대용량의 플래시 메모리 또는 DRAM을 인터페이스하게 되므로 외부 시스템 버스가 필수적으로 요구된다. 또한, 휴대용 통신기기에는 그래픽 처리용의 TFT-LCD를 사용하는 경우가 많으므로 여기에 전용의 소자를 사용하지 않고 ARM 마이크로프로세서가 이를 직접 제어하게 되면 경제적으로나 제품의 경박단소화에 유리해진다.
이러한 이유로 ARM 마이크로프로세서는 시간이 갈수록 점점 더 높은 성능이 요구되고 메모리나 TFT-LCD 및 기타 외부 입출력 장치를 구동할 수 있도록 엄청나게 많은 핀수가 필요하였다. 이러한 요구에 부응하여 ARM 마이크로프로세서는 점점 고성능화 및 대형화로 치달아 현재는 1GHz가 넘는 클록 속도에 400개가 넘는 핀을 가지는 모델까지 출시되고 있으며, 따라서 외부 패키지는 거의 대부분 매우 작은 크기의 BGA형을 사용하고 있어서 아마추어 사용자들은 이 소자를 납땜하는데도 적지 않은 어려움을 겪게 된다.
그러나, 일반적인 임베디드 시스템에서 ARM 마이크로프로세서를 마이크로컨트롤러로서 사용하고자 하는 경우에는 이와 같이 높은 성능과 다양한 기능을 가지는 방대한 모델은 오히려 거추장스러울 경우가 많다. 보통의 마이크로컨트롤러에서는 외부에 대규모 메모리를 인터페이스하기 보다는 내부에 적절한 용량의 플래시 메모리나 SRAM을 내장하여 시스템의 설계를 간단히 하고 사용자 프로그램을 쉽게 다운로드하는 것이 중요할 때가 많다. 또한, 외부에 TFT-LCD를 직접 구동하도록 인터페이스하여 사용하는 경우도 드물고 필요한 I/O는 칩에 내장하여 외부 인터페이스를 최소한으로 줄임으로써 전체적으로 스마트한 컨트롤러 시스템을 지향하는 경향이 있다.
이러한 응용 분야에서는 기존의 고성능화를 지향하는 방대한 규모의 ARM 마이크로프로세서를 사용하기에는 여러 가지 측면에서 부적합하므로 2000년대에 들어서면서 스마트 MCU를 지향하는 새로운 ARM 마이크로컨트롤러들이 출현하게 되었는데, 이러한 제품들은 NXP(구 Philips), STMicroelectronics, Atmel, Analog Devices 등의 반도체 회사가 주도하였다. 스마트 ARM 마이크로컨트롤러는 사용할 수 있는 최고 클록 속도가 대부분 수십 MHz 정도이며, CPU 코어는 캐시 메모리나 MMU를 가지고 있지 않은 ARM7TDMI인 경우가 많다. 이것들은 대부분 외부에 시스템 버스를 가지고 있지 않아 핀수를 적게 하였고, 따라서 수십개 정도의 핀을 갖는 QFP형 패키지가 많으므로 아마추어들도 이를 어렵지 않게 납땜할 수 있다. 외부에 시스템 버스가 없는 대신에 여러가지 용량의 플래시 메모리와 SRAM을 CPU 안에 내장하고 있는 모델들이 시리즈로 출시되고 있으며, 이 내부 메모리에는 USB나 RS-232C 통신을 사용하여 간편하게 사용자 프로그램을 다운로드하는 ISP(In-System Programming) 또는 IAP(In-Application Programming) 기능을 가지고 있다. 또한, 이러한 스마트 ARM 마이크로컨트롤러는 모델에 따라 내부에 다양한 I/O 기능을 내장하고 있어서 웬만한 응용분야에는 특별한 외부 인터페이스를 추가하지 않고 CPU 칩 자체만으로 충분하게 컨트롤러를 구성할 수 있게 된다.
이처럼 여러 반도체 회사에서 출시한 ARM7TDMI를 기반으로 하는 스마트 ARM 소자들이 마이크로컨트롤러 시장에서 각광을 받게 되자 ARM사는 본격적으로 마이크로컨트롤러 시장을 공략하기 위하여 새로운 아키텍쳐와 제품군을 발표하였는데 이것이 바로 ARMv7-M에 속하는 Cortex-M3이다. Cortex-M3는 기존의 ARM이 갖는 장점을 유지하면서 Thumb-2 명령을 사용하여 ARM7TDMI에 비하여 성능을 높이고 C언어만으로도 프로그램이 가능하도록 하는 등 사용자 편의성을 향상시킨 본격적인 32비트 마이크로컨트롤러이다. 출시된지 몇년 되지 않았으나 현재까지 Cortex-M3가 마이크로컨트롤러 시장에서 세력을 확대해나가는 속도는 눈부시다. Cortex-M0는 이를 더욱 저가격화한 축소형 모델이라고 할 수 있으며, Cortex-M4는 DSP 기능과 VFP 부동소수점 연산장치를 내장한 Cortex-M3의 고성능 상위 모델이다.
이 책에서는 ARM 마이크로프로세서를 공부하는 것이 목적이지만 휴대용 통신기기를 염두에 두고 만들어진 방대한 BGA형의 범용 ARM 마이크로프로세서에는 그다지 관심이 없으며, 내부에 플래시 메모리와 SRAM을 가지고 있어서 사용자 프로그램의 다운로드가 가능하고, 주로 외부 시스템 버스는 갖지 않으며, 다양한 I/O를 내장하고 있으면서도 핀 수가 수십 개에서 200개 이하로 적어 LQFP형의 패키지로 되어 있는 Cortex-M0/M3/M4 시리즈의 마이크로컨트롤러에 대하여 공부하고자 한다. 이와 같은 모델은 내부 메모리 맵이 고정되어 있어서 사용자가 프로그램을 작성할 때 스타트업 코드 작성에 특별히 신경을 쓰지 않아도 된다는 것도 장점이다.


머리말

ARM 마이크로프로세서의 위세가 날로 확장되고 있다. 1990년대 초에 발표된 이후 급속한 진화를 거쳐서 1990년대 후반부터 널리 소개되기 시작한 ARM은 32비트 RISC 구조의 고성능이면서도 가격이 매우 싸고 소비전력이 적다는 등의 장점을 가지고 있어서 이 분야의 시장에 진입한지 불과 10년도 지나지 않아 고성능 임베디드 프로세서 시장을 거의 장악하였다. ARM이 이처럼 가격이 쌀 수 있는 것은 ARM사가 공통의 CPU 코어를 공급하고 각 반도체 회사에서 여기에 필요한 I/O 기능을 추가하여 소자를 제조함으로써 설계 개발에 필요한 비용을 절감할 수 있었기 때문이다.
그동안 ARM 마이크로프로세서는 특히 소비전력이 적고 고성능이라는 장점 때문에 휴대용 기기나 통신기기에 압도적으로 많이 사용되어 왔다. 그러나, ARM은 2000년대에 들어서면서 기능과 패키지를 간소화하고 저가격이라는 장점을 앞세워 기존의 16비트나 심지어는 8비트의 마이크로컨트롤러 시장까지 파고들었다. ARM7TDMI 제품군을 중심으로 한 이러한 스마트 ARM 마이크로컨트롤러는 가격 대비 성능이나 성능 대비 소비전력의 측면에서 기존의 마이크로컨트롤러들에 비하여 충분한 경쟁력을 가지고 있었기 때문에 일반 MCU 시장에 진입하는데 쉽게 성공하였다.
ARM의 마이크로컨트롤러 시장 공략은 2004년 ARM사에서 Cortex-M3 아키텍쳐를 발표하고 최근에 이에 속하는 제품들이 여러 반도체 회사에서 쏟아져 나오면서 더욱 본격화되었다. Cortex-M3는 처음부터 32비트 마이크로컨트롤러로서 설계되었기 때문에 명령처리 속도는 물론이고 인터럽트 처리 기능이나 다양한 I/O 기능이 기존의 마이크로컨트롤러 제품들을 압도하였다. 여기에 2009년에 초저가형의 Cortex-M0 시리즈가 추가되고 2010년에는 부동소수점 연산장치를 내장한 Cortex-M4 시리즈가 발표됨으로써 이제는 ARM이 아래로는 8비트 MCU 시장에서부터 위로는 DSP 시장까지도 차례로 점령해나가고 있다.
이 책에서는 STMicroelectronics사의 Cortex-M0 모델인 STM32F051R8T6 마이크로컨트롤러를 가지고 공부하는데, 여기에는 매우 효율적인 학습을 지원하기 위하여 트레이닝용의 OK-STM32F0 키트를 함께 제공한다. 이 키트에서는 IAR의 C컴파일러를 사용하여 C언어로 프로그램을 작성하고, 에뮬레이터를 사용하여 이를 키트에 다운로드하고 실행하는 기술을 익힌다. ARM 마이크로프로세서에서는 사용자가 어셈블리 언어를 사용하여 프로그램을 작성하는 경우가 매우 드물고, Cortex-M0는 C언어에 적합하게 설계되었기 때문에 이 책에서는 C언어만을 사용하기로 한다. Cortex-M0가 8비트 MCU와 시장에서 경쟁하고는 있지만 MCU에 새로 입문하는 초보자가 이를 바로 공부하기는 쉽지 않은 32비트급이므로 가급적이면 선행 단계로서 8051, AVR 등과 같은 8비트 MCU를 먼저 공부하고 나서 Cortex-M0를 공부하는 것이 바람직하다.
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2013년 9월 저자 尹 德 鏞 씀