MCU

 주변에는 많은 전자 기기를 볼 수 있는데, 이런 전자 기기는 여러 부품으로 구성되지만, 핵심은 프로세서이다. 프로세서는 프로그램에 따라 동작하는 하드웨어로, MCU, CPU, DSP 등의 이름을 가진다. 이 중 가장 많이 사용하는 프로세서가 MCU(Micro Control Unit)이다. 

 보통 MCU를 이야기할 때 임베디드 시스템의 두뇌라는 표현을 많이 사용한다. 두뇌는 우리의 몸을 걷거나 뛰게 만들고 생각을 통하여 복잡한 문제를 풀 수 있게 하는데 MCU 또한 데이터를 기억하고, 연산하는 등 시스템에서 두뇌와 유사한 기능을 가진다.

 그렇지만 MCU를 두뇌로 생각하고 시스템을 이해하려 할 때 약간의 어려움이 있다. 전자제품의 하나의 예를 들면 어떠한 제품의 케이스를 열었을 때 가장 눈에 띄는 것은 PCB(Printed Circuit Board)라고 불리는 전자 기판이다. 일단 가장 큰 데다가 모든 부품이 PCB 위에 있어서 그럴 수밖에 없다. 이때 PCB에 놓여 있는 부품들을 보면 사람의 모습과는 달라 머릿속에서 한 번 더 생각을 해야한다. 즉 두뇌 역할을 하는 MCU는 중앙에 있고 그 주변에 팔의 역할을 하는 GPIO가 있으며 감각의 역할을 하는 센서들이 있고 같은 과정이 필요할 것이다. 그래서 임베디드 시스템을 설명할 때 무조건 두뇌와 비교하는 것보다는 사령관 정도로 생각하는 것이 좋을 수 있다. 임베디드 시스템은 외부 기기를 연결하여 기능을 확장시킬 수도 있고 제품을 제어한다는 측면에서 봤을 때, 군대에서 조직을 구성하고 작전 명령을 내리는 사령관과 같다고 생각할 수 있다.

 MCU의 겉모습은 검은색의 딱딱한 재질로 만들어져 있는데, MCU 뿐만 아니라 대부분의 IC들이 이러한 형태를 가지고 있다. IC 중에서는 MCU가 가장 복잡하고 많은 기능을 가진 IC이다. MCU들은 놀라운 속도로 발전되어 왔는데 예전에 가정에서 사용하던 16비트 컴퓨터가 현재 손톱만한 IC로 구현이 가능할 정도이다. 이보다 고성능의 MCU는 태블릿이나 모바일 폰 등에 주로 사용되고 있다. MCU는 기본적으로 메모리, 명령어 처리 장치, 페리페럴 그리고 이들을 연결하는 버스 등으로 이루어져 있다.

 MCU도 IC의 한 종류인데 IC를 실리콘 칩 또는 그냥 칩이라고도 부른다. IC는 집적화된 회로라는 뜻으로, 전자회로에 사용되는 저항. 커패시터 그리고 트랜지스터 등의 부품들을 소형화하여 하나의 회로에 모아 만든 것이다. 즉, 전자회로를 눈으로 보기 힘들만큼 작게 만든 것이라 할 수 있다.

 IC의 겉모습부터 살펴보면 검은색의 재질에 둘러싸여 있다. 검은색 재질은 주로 플라스틱이며 보통 패키지라고 부른다. 이 패키지 내부에는 실제 IC의 모습인 다이칩이 있다. 다이칩은 실리콘을 이용하여 만든 전자 회로이며 작은 충격에도 손상을 입을 수 있다. 그래서 플라스틱과 같은 딱딱한 재질로 보호하고, 패키지는 PCB와 같은 기판에 붙이기 쉬운 형태를 가지고 있다. 패키지의 정보는 데이터 시트를 통해 확인할 수 있다. IC를 다루다보면 만드는 회사는 다른데, 같은 패키지 이름을 사용하는 IC를 볼 수 있다. 이는 다이칩이 주 기능을 담당하기 때문에 각 회사가 만들고, 이를 보호하기 위한 패키지는 같은 것으로 사용했기 때문이다. 

<IC 특징>
  1. 부품들의 크기가 작아 같은 공간에 많은 부품을 넣을 수 있다.
  2. 크기가 작으면 소비 전력이 적어진다. 왜냐하면 크기가 작아지면서 전기적인 특성의 간섭이 약해져 낮은 전압으로도 동작을 할 수 있기 때문이다. 
  3. 소비 전력이 적어 열 발생이 적다. 근래의 CPU들이 높은 클럭으로 동작하면서 피치 못하게 열 발생 문제가 생겼는데, IC를 작게 만드는 기술과 멀티코어 기술로 이를 극복하고 있다. 
  4. 더 작게 만들수록 가격적인 면에서 이득을 볼 수 있는데 다이칩은 실리콘 웨이퍼라고 부르는 한 장의 디스크를 가공하여 만드는데, 웨이퍼 한 장에 많은 수의 다이칩을 만들 수 있다면, 그만큼 낮은 가격에 판매를 할 수 있다. 그래서 개발과 검증이 끝난 후에 칩으로 만들 때는 면적을 최소화하여 가격을 낮출 수 있도록 연구한다.

<IC 사용 시 주의할 점>
  1.  IC는 작은 크기의 전자회로를 구성한 형태여서 전류의 세기가 제한적이다. 크게는  몇 A(암페더, Ampere)이며, 몇 mA 정도밖에 사용하지 못한다. 그래서 전류를 많이 사용하는 부품은  IC의 크기도 커져야 한다.
  2. IC로 만들어진 부품은 디버깅하기가 어렵다. 크기가 작은 관계로 잘못된 동작을 할 때 측정 장비로 확인하기 어렵다. 그래서 실제로 IC로 만들기 전에 검증 단계에서 시뮬레이션 과정을 많이 거쳐야 한다.

 MCU는 다양한 기능을 가진 IC이다. 다양한 기능들이 구현되다 보니 다른 IC에 비해 복잡한 구조를 가지고 있는데, 내부에는 메모리, 페리페럴 그리고 명령어 처리 장치 등이 존재한다. 버스는 명령어 처리 장치에 연결된 선들을 공용으로 사용하려는 목적으로 만들어졌다. 그래서 데이터 연결선, 주소 연결선, 제어 연결선 등이 데이터 버스, 주소 버스, 제어용 버스 등으로 대치될 수 있다. 이러한 데이터 버스, 주소 버스, 제어용 버스를 사용하면 이전보다 공간도 절약되고 복잡성도 해결된다. 버스 형태로 구성하면 조심해야 할 부분도 있는데 공용으로 버스선을 사용하다보니 서로 간섭을 일으킬 수 있다는 것이다. 그렇지만 MCU 내부에서는 명령어 처리 장치가 데이터를 보내는 시기를 조정하고 있어서 실제로는 이런 일이 잘 발생하지는 않는다.