제 1 장 임베디드 시스템 개요

- 임베디드 리눅스 중심으로 -

목 차

1.1 임베디드 시스템 의미1.2 임베디드 시스템 구성 및 특징 1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 1.4 임베디드 시스템 하드웨어 1.5 임베디드 시스템 응용분야 1.6 임베디드 시스템 향후 전망

1.1 임베디드 시스템의 의미 임베디드 시스템 (Embedded System) 이란 ?

컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어가 미리 정해진 특정한 기능을 수행하기 위하여 결합된 시스템

Computers Inside a Product (or a System)

다양한 목적으로 사용되는 PC 와 달리 , 한 가지 또는 몇 가지 특수한 작업을 수행 하지만 , PDA 와 같이 Embedded System 에서도 점차

범용성을 띄어 가고 있다

1.1 임베디드 시스템의 의미 임베디드 시스템의 일반적인 의미

마이크로 프로세서 / 마이크로 컨트롤러를 내장 (embedded)하여 원래 제작자가 의도한 특정한 기능만을 수행하는 장치

미리 정해진 특정한 기능을 수행하도록 프로그램이 내장되어 있는 시스템

일반적으로 보다 큰 시스템의 일부이거나 독립된 시스템 특별한 업무를 수행하거나 사용자가 임의로 정한 업무를 수행 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 특정한 응용시스템 하드웨어와 소프트웨어의 변경이 매우 어려운 시스템 개인 휴대 정보 단말 , 지리 정보 시스템 , 의료 정보 단말 ,

정보가전 , 게임기기 , 자동차 , 항공기 및 우주선 , 의료 및 산업 원격 조종 장비 등의 시스템을 총칭

1.2 임베디드 시스템의 구성 임베디드 시스템 구성

임베디드 H/W 프로세서 / 컨트롤러 , 메모리 , I/O 장치 , 네트워크 장치 ,

센서 , 구동기 임베디드 S/W

운영체제 , 시스템 S/W, 응용 S/W

H/WH/W

Micro ProcessorMicro Processor

MemoryMemory OS - KernelOS - Kernel

시스템 소프트웨어시스템 소프트웨어

응용 소프트웨어응용 소프트웨어

S/WS/W

임베디드 시스템임베디드 시스템

입출력 장치입출력 장치

네트워크 장치네트워크 장치

1.2 임베디드 시스템의 특징

저전력화

고신뢰성

멀티미디어지원

네트워크지원

경량화최적화

마이크로프로세서

스마트 서비스스마트 서비스

멀티미디어멀티미디어메세징메세징

무선인터넷무선인터넷무선 게임무선 게임 VODVOD LBSLBS

M-M- 커머스커머스

영상전화영상전화

특정한 기능에 부합하는 최적 화 설계가 가능

소형 , 경량 , 저전력

열악한 환경속에의 안정성

Real-time Operation(Must finish operations by deadlines)

Extreme Cost Sensitivity

Many embedded systems are mass-market items that must have low manufacturing costs.

Limited memory, microprocessor power, etc.

1.3 임베디드 소프트웨어 System software

System 의 하드웨어를 관리하고 응용프로그램에게 시스템을 사용할 수 있는 효율적이고 안전한 interface 를 제공하는 software(O/S, 미들웨어 , 디바이스 드라이버 )

운영 체제 Linux, Window XP Embedded, Window CE, VxWorks, uC/OSII

Device drivers Device 를 제어하기 위한 interface 제공

Application software 실제 필요한 기능을 수행하는 software

PDA 의 일정 관리 software 휴대폰의 각종 서비스 (game, 벨소리 , 전화번호부 )

1.3 임베디드 소프트웨어 O/S 의 등장 배경

시스템의 규모가 커짐 임베디드 시스템이 해야 할 일이 많아지고 복잡해짐 순차적인 프로그램이 어렵게 됨 Multi Tasking

임베디드 시스템에도 운영체제의 개념이 필요하게 됨

Network 이나 multimedia 가 시스템의 기본으로 자리 잡음 Networking, GUI, Audio, Video

1.3 임베디드 소프트웨어 Real Time System ( 실시간 시스템 )

실시간 시스템의 정의 정해진 시간 내에 시스템이 결과를 출력하는 적시성을 가진

시스템 주어진 작업을 빨리 처리하는 것이 아니고 정해진 시간 (dedl

ine) 을 넘어서는 안 된다는 뜻임 주어진 입력 (event) 에 대해 정해진 시간 내에 행동할 수 없을

때 문제가 발생하는 시스템 .

적시성 (timeliness) 이란 ? 열악한 환경 하에서도 데드라인 (deadline) 이내에 논리적으로도 정확한 출력 값을 산출해 내는 것 .

deadline 이란 ? 반응에 요구되는 시간의 한계 값

1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 Real Time System 의 분류

Hard realtime 시스템 : 제어작업이 deadline 을 어기는 경우 시스템에 심각한 영향을 주는 time-critical 속성을 지닌 시스템 예 ) 원자력 발전소 제어 , 화재 발생 검출시스템 , 항공기 , 우주 왕복선 , 자동차 등

Soft realtime 시스템 : Deadline 을 어긴 단위 제어 작업의 무효화로 시스템의 평균적 성능에 미세한 영향을 주는 시스템예 ) 컴퓨터 , 정보기기 , 네트워크 관련기기 등

1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 상용 RTOS

pSOS VxWorks VRTX

임베디드 OS Windows CE 임베디드 리눅스 임베디드 자바 Qplus Tiny OS

OS 선정 시스템의 특성 파악 그 시스템에 적합한 OS 선정

1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 WinCE.NET

강력한 GUI, 멀티미디어 및 인터넷 기능을 내장 PDA 등의 정보 가전 기기에 널리 사용되는 운영체제 다 종의 Intel 계열 32bit 프로세서 지원 , 다양한 주변장치에 대한 빠른 지원 , Visual Studio 라는 편리한 개발 도구 지원 등의 장점

마이크로 소프트사가 제안한 .NET 구조 지원 부담이 되는 기술료 (running royalty), 크기가 큰 무거운 소프트웨어 종속성 심화

VxWorks 전통적인 분야인 제어 , 통신 기기 , 로봇 등의 분야에서 1 위를 고수 WindRiver 사의 대표적 RTOS 스레드 (Thread) 기반의 태스크 (Task) 관리를 지원 작고 모듈화된 커널 구성 토네이도 (Tornado) 라는 편리한 개발 환경

1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 PalmOS

Palm Computing 사에서 공급 핸드헬드 (Hand-held) 장비에 가장 많이 사용되는 32 비트 운영체제 작은 크기와 웹 입력 프로그램 및 웹 프로그램 개발 도구들이 풍부 소스 코드는 부분적으로 공개 Palm은 지난 5년간 선도적인 PDA 플랫폼이었으나 WinCE,

임베디드 리눅스 및 Symbian 의 맹렬한 추격을 받고 있음

EPOC (Symbian) 무선 통신을 활용하는 모바일 장비를 위해 최적화된 32 비트 멀티

스레딩 (multi-threading) 운영체제 영국의 Psion 사에 의해 개발되었고 , 그 후에 Ericsson, Motorola, Nok

ia 와 함께 설립한 Symbian 사에 의해 계속 개발 공급 통신 프로그램과 웹 브라우저와 각종 오피스 도구들을 갖춤 OPL, C++, Java 언어를 제공 , 높은 시스템 안정성 , 고기능 전력 절약

기능 및 유연한 GUI 의 장점이 있어 모바일 기기에 많이 탑재

1.3 임베디드 시스템 소프트웨어 Lynx OS

Linux Real-Time 사의 임베디드 운영체제로 POSIX 호환성을 제공하면서도 작은 크기의 장점을 가진 32 비트 운영체제

Embedded Linux 계열 Linux 커널 2.4.x 나 2.6.x 를 기반으로 임베디드 시스템의

특징에 필요한 빠른 부팅 , 저전력 관리 , 크기의 소형화 , GUI의 소형화 등의 기능을 갖도록 개선한 것이 주종

MontaVista 의 HardHat, 한국에서는 한국전자통신 연구원 (ETRI) 의 Qplus/Esto 등

Clinux, TinyOS MMU 가 없는 CPU 를 사용하는 센서 노드 등을 위한 작은

임베디드 시스템용으로 많이 사용 기타

REX, eCos, microCOS II, 네트워크 장비를 위한 RTOS 인 Cisco 사의 IOS, in-house kernel 등

1.3 임베디드 리눅스 시스템 임베디드 리눅스의 출현 배경

H/W 의 발전 32/64bit 고성능 CPU

S/W 의 많은 기능 요구 O/S 의 기능이 중요 , 안정된 운영체제의 제공 (멀티 태스킹 )

강력하고 다양한 네트워크 환경의 제공 다양한 형태의 파일시스템과 실행파일 포맷 지원 확장성의 다양함과 용이함의 제공 Free Software

1.3 임베디드 리눅스 시스템 임베디드 리눅스 장점

기능성과 확장성이 우수 ( 리눅스 이용에 따른 장점 ) PowerPC, ARM, MIPS 등 다양한 CPU Platform 지원함 로열티가 없으므로 가격 경쟁력이 우수 사용자 층이 넓어 오류 수정이 빠르고 안정성이 우수 기존의 데스크 탑 개발 환경과 동일하여 개발이 용이함

임베디드 리눅스 단점 기존의 RTOS 보다 많은 메모리를 요구함 범용 OS 로 설계되어 Real-Time 지원이 어려움 개발 환경이 Text 기반의 환경임으로 개발에 어려움이 있음 GUI 환경을 개발하기 어려움 제품화하기 위한 솔루션 구성이 어려움 많은 업체들과 개발자들이 독자적으로 개발하고 있어 표준화가

어려움

1.4 임베디드 시스템 하드웨어 Processor

프로그램 명령어 처리기 8bit/16bit/32bit & 64bit Arm 계열 , Power PC 계열 , MIPS 계열 등

Memory 프로그램 및 data 저장 RAM/ROM/FLASH memory

I/O device serial port, parallel port, USB, IEEE1394A

Network device Lan(802.3, csma/cd), wireless lan(802.11, csma/ca)

1.4 임베디드 시스템 하드웨어 프로세서

임베디드 시스템의 핵심 부분 반도체 회사에서 많은 종류의 제품들을 시판 프로세서의 속도

MHz의 클럭속도 8 비트 , 16 비트 , 32 비트 , 64 비트 등 데이터 버스의 크기와 기본연산의

단위에 따라 선택 마이크로 프로세서 와 마이크로 컨트롤러

마이크로 프로세서 : CPU 코어만을 하나의 칩 (chip) 으로 구성한 경우를 말한다 .

마이크로 컨트롤러 : CPU 코어에 여러 종류 및 크기의 메모리 , 네트워크 입출력 장치 , TPU 등의 timer 프로세서 장치 등 , 다양한 주변장치들까지 포함

CISC 와 RISC 프로세서 CISC (Complex Instruction Set Computer) : 복잡하고 다양한 고기능의 명령어를 갖는 아키텍처

RISC (Reduced Instruction Set Computer) : 명령어의 개수를 줄이고 동일 규격화하여 명령어 수행의 파이프라이닝 (pipelining) 을 극대화하며 , 저전력 소모에 저가로 생산할 수 있도록 한 아키텍처

프로세서

Where Has CS Focused?Where Has CS Focused?Where Has CS Focused?Where Has CS Focused?

InteractiveInteractiveComputersComputersInteractiveInteractiveComputersComputers

Servers,Servers,etc.etc.

Servers,Servers,etc.etc.

200M200Mper Yearper Year200M200M

per Yearper Year

In VehiclesIn VehiclesEmbeddedEmbeddedIn RobotsIn Robots

Where Are the Processors?Where Are the Processors?Where Are the Processors?Where Are the Processors?

Embedded ComputersEmbedded Computers80%80%

Embedded ComputersEmbedded Computers80%80%

8.5B Parts 8.5B Parts per Yearper Year8.5B Parts 8.5B Parts

per Yearper Year

RobotsRobots6%6%

VehiclesVehicles12%12%

DirectDirect2%2%

Source: DARPA/Intel (Tennenhouse)Source: DARPA/Intel (Tennenhouse)

1.4 임베디드 시스템 하드웨어

대 분류 중 분류 세 분류 특징

비휘발 (non-volatile)

ROM MaskROM

칩제조사에서 영구적으로 자료를 저장한 ROM

EEPROM 전기적으로 반복삭제 가능한 ROM, 바이트 단위로만 쓰기 가능

FLASH 블록 단위로읽기 및쓰기 가능 읽기는빠른 ( 수 ms) 반면쓰기는느림 (70-100ns)

NAND 및 NOR 형태가 있음

휘발성(volatile)

SRAM 하나의 cell 이 6 개의 트랜지스터로 구성된 flip-flop 을 사용 용량의약점과빠른접근시간의 장점

비동기적 SRAM(ASRAM) 과 동기적 SRAM(SSRAM) 이 있음

DRAM 하나의 cell 이 하나의 트랜지스터와 1 개의 커패시터로 구성 용량의 장점과 refresh 의 필요성으로 인한 SDRAM 에 비해상대적

느린접근속도의 단점

메모리의 역할 : 프로그램과 데이터 저장 메모리의 종류

1.5 임베디드 시스템 응용분야 정보가전 : 세탁기 , 오디오 , 인터넷 냉장고 , HDTV 등 제어분야 : 공장자동화 , 가정자동화 , 로봇 제어 , 공정제어 등 정보기기 : 핸드폰 , PDA, 스마트 폰 , LBS 등 네트워크기기 : 교환기 , Router, 공유기 , 홈 게이트웨이 등 게임기기 : 가정용 게임기 (PS2, XBox), 지능형 장난감 등 항공 /군용 : 비행기 , 우주선 , 로켓 , 야전 이동단말 (GPS, GI

S) 물류 /금융 : ATM, RFID, 물류단말 , 영업단말 등 차량 /교통 : 자동차 , ITS 등 사무 , 의료 : 전화기 , 프린터 , Heart pacer, 수술로봇 , 증강현실장비

정보가전 기술의 발전에 따라 일반 가전 제품에 다양한 기능이 요구됨 다양한 기능의 처리를 위한 가전제품 전용 임베디드 시스템 적용 가정 내 네트웍 구성에 따른 원격 제어 , 정보 수집 등이 가능해짐 홈 오토메이션 , 홈 네트워킹과 함께 가정 자동화의 핵심 부분 인터넷 냉장고 , HDTV, 인터넷 전자레인지 ,DVR, 세탁기 등

홈 네트워크

홈 네트워크

보일러인터넷으로 제어 및

각종 운행

전자레인지인터넷으로

요리정보 검색 및 다운로드

HDTV/ 인터넷 TV인터넷 검색 , 각종

기능 설정 등

세탁기인터넷으로 세탁기 제어 및 각종 자동

실행

인터넷 냉장고인터넷으로 제어 ,

정보 검색 및 다운로드

캠코더디지털 카메라 , 네트워크 연결 ,

다양한 기능

1.5 임베디드 시스템 응용분야

공장자동화 : FA ( Factory Automation ) 특정 기계나 장비를 통해 생산 과정을 자동적으로 관리하는 시스템 센서와 제어 시스템 , 로봇 등으로 구성하여 무인시스템을 구축 공장 자동화 및 로봇은 실시간 시스템과 임베디드 시스템 발전의 원동력 생산성증대 : 인건비감소 , 오류감소 , 품질의 균일화 , 생산기간단축

로봇 , conveyor belt

1.5 임베디드 시스템 응용분야

정보단말기기 단순한 통화 중심의 이동 전화기에서 각종 정보검색 , 오락 , 메시징

등의 복합 기능이 수행되는 디지털 정보단말기기로 발전 단말기기 각각의 기능에 맞는 마이크로프로세서 , 메모리 , 운영체제 ,

응용 프로그램 등으로 구성 앞으로는 다양한 단말기기가 하나의 기기로 통합될 것으로 예상됨 핸드폰 , PDA, 스마트 폰 , MP3 플레이어 , 게임기기 등

1.5 임베디드 시스템 응용분야

NASA Pathfinder

(mission to MAR 1997)

항공기 보통 수 백 개의 프로세서 탑재

우주왕복선 Pathfinder - 실시간 운영체제인 VxWorks 가 탑재된 것으로 유명 대표적인 실시간 시스템의 하나 영상처리 , 통신 등 모든 처리기능을 복합적으로 가짐

1.5 임베디드 시스템 응용분야

교통 자동차의 엔진 및 각종 제어 시스템 , 무인 자동화 시스템 지능형 교통시스템 (ITS : Intelligent Transport Systems) 등

지능형 장난감 단순한 장난감의 형태에서 지능성을 갖는 형태로 변화

1.5 임베디드 시스템 응용분야

고성능 프로세서 탑재 마이크로소프트의 Xbox 소니의 playstation 2 닌텐도 게임보이 어드벤스

(nintendo gameboy advance) 32-Bit ARM 프로세서 2.9인치 TFT 스크린 32,768 색상을 지원하는

휴대형 게임 장치

1.5 임베디드 시스템 응용분야

물류 /금융 물류 : POS 단말기 금융 : 자동 현금 입출금기 혹은 ATM 단말기

사무용기기 프린터 , 스캐너 , 팩스 , 복사기 , 이들의 기능을 하나로 모은 복합기 등

1.5 임베디드 시스템 응용분야

디지털 교환기 , PABX (private automatic branch exchange) 등의 음성 서비스 통신기기

라우터 , 게이트웨이 , 공유기 등의 유무선 데이터 통신 장비 Set-top box

                                                   

1.5 임베디드 시스템 응용분야

1.6 임베디드 시스템 향후 전망

1970 1990 2000 2010이전

마이크로프로세서 등장

1980

제어기기

정보단말

에듀테인먼트및

가전기기

통신장비

Transistor기반제어시스템

이동통신지원통신시스템

모니터기반제어시스템

고기능제어시스템

Intelligent제어시스템

라우터,게이트웨이

전자식교환기

기계식교환기

정보가전,Playstation2, X-Box

백색가전,TV부착형게임기

아날로그휴대폰 이동지능정보단말디지털

휴대폰

고급 RTOS등장

1.6 임베디드 시스템 향후 전망

임베디드 시스템의 각국동향 미국

프로세서 , OS, 프로토콜 등 전 분야를 점유 미국은 군사 / 과학용 임베디드 S/W 를 21 세기 핵심 분야로

선정하고 매년 4천억 달러 이상을 연구개발에 투자 유럽

개발도구 , 브라우저 등의 일부 업체가 존재 군사 /교통용 임베디드 S/W 에 '99 년부터 7년간 3 조 8천억을 투자

일본 총무성 주도로 Ubiquitous 네트워크 개발을 추진 중 ‘84년부터 TRON 협회에서 표준 임베디드 OS 를 개발

일본 내 가전제품에 적용 중 임베디드 OS:

Real-time Operating System 중심 MS 의 WinCE 및 임베디드 리눅스 진입 시작 미들웨어 , 각종 서비스를 포괄하는 플랫폼 기술이 중요하게 대두

1.6 임베디드 시스템 향후 전망

Embedded system 의 다기능화 추세로 WinCE, Embedded Linux, Palm OS, Symbian, 등과 같은 범용 운영체제 기반으로 산업이 재편되고 있음

MS 는 임베디드 OS 시장의 주도권 장악을 미래 전략으로 채택함

1.6 임베디드 시스템 향후 전망 임베디드 운영체제 (OS) 에 절대강자가 없는 상황

PC 시장과 같이 특정 OS 가 시장을 독점하지 못하고 있음 적용제품의 종류 , 규모에 따라 여러 종류의 상용 및 비상용

제품 다양 임베디드 OS 및 플랫폼 , 애플리케이션 시장을 놓고 불꽃 튀는

경쟁 VxWorks 를비롯한 RTOS 윈도 CE 임베디드 리눅스 썬의 Java 일본의 Tron