Lec. 13. General Purpose Input-Output Pt.1
General Purpose Input-Output
Overview
어떻게 임베디드 프로세서가 외부 환경을 인식하고 외부 장치를 그 응답으로 조절할 수 있을까?
-> 다양한 인터페이스가 존재한다 ex) usb serial 3.5mm …
GPIO
Peripherals with digital input and output bits
디지털 입출력 신호로 상호작용 하는 주변기기
Outside the MCU
mcu는 0또는 1로 이루어짐
어떻게 binary bit로 입력? 어떻게 binary bit MCU 출력?
외부: 전력 공급 전압과 관련된 특정한 범위의 전압 (Vdd)
내부: 외부 장치와의 연결을 제외하고 실제 전압 값을 고려하지 않음
Input Signals
입력 전압의 유효한 범위를 가진다.
입력 전압 => VDD에 대한 함수 (Logic 0, Logic 1)
Invalid region은 Overvoltage와 undefined 두 가지 존재
입력 전류 => 1uA보다 커지지 않음(상온에서 25nA)
Output signal
출력 전압: 공급레일의 특전 전압 범위 내
Voh = 1 -> high -> Vdd-0.5V~Vdd
Vol = 0 -> low -> 0~0.5V
출력 전류의 양은 한정되어 있음
- 전류가 증가 -> 출력의 전압 강하가 심하다 -> 0과 1을 표현하는 전압 값이 비슷해짐.
- 많은 양의 전류 -> 외부 트랜지스터를 손상시킬 수 있다.
- 많은 MCU에서 각 전류 값이 5mA 이하.
- 강력한 트랜지스터로 더 높은 전류 공급 가능
- VDD를 낮춰주면 -> 출력 전류의 제한이 심해짐 (=>VDD-I*R)
Interfacing examples
- 스위치 입력
- 풀업 저항을 사용하면 -> 스위치가 off 일때, 높은 전압
- 스위치 on -> 0V
- 전류 소비를 최소화하기 위해서 높은 값의 풀업 저항을 일반적으로 사용해준다.
- LED 출력
- GPIO 포트는 2개의 출력 전압을 가진다.
- VDD랑 거의 0V
- 0V -> led off
- VDD -> led on
- 전류 제한에 맞춰서 출력 저항을 알맞게 연결
Inside the MCU
MCU 핀에 간단한 장치들을 어떻게 연결?
- 핀들과 프로그램이 어떻게 상호작용 하도록?
- 프로그램에서 CPU랑 핀들 사이의 경로를 연결해주는 내부 하드웨어 설정할 수 있다.
- 프로그램이 핀들로 R/W 동작
- 다른 MCU 군에서 다르게 동작 -> 새로운 설계 필요로 함
Memory-mapped I/O
어떻게 I/O 모듈을 조절해줄 수 있을까?
메모리랑 I/O의 버스를 묶어서 Control / Address / Data line을 공유한다.
프로세서는 입출력 장치의 주소를 메모리 주소처럼 접속할 수 있다.
connection 개수 줄임. -> 높은 범용성을 위해서는 몇 가지 제어 신호가 더 필요할 수 있습니다.
프로세서로 데이터 송/수신 과정 표준화 -> 비동기식 동기화가 메모리에서는 Option, I/O장치에서는 필수(GPIO는 Ascynchronous)
=> memory mapped i/o 를 사용하는 컴퓨터의 주소 공간 -> i/o 레지스터 주소를 일부분 포함
Control registers and C code
주변 장치는 제어 레지스터로 구성된다
- 주변기기 동작을 설정해주고
- 주변기기 상태 체크
- 주변기기로 데이터 이동
System Integration Module
- System Options Registers (SIM_SOPT1, SIM_SOPT1CFG, SIM_SOPT2, 등):
- 시스템 옵션 설정
- MCU의 다양한 기능과 옵션을 설정하는 데 사용됩니다.
- System Device Identification Register (SIM_SDID):
- 시스템 디바이스 식별
- MCU의 디바이스 식별 정보를 제공하는 레지스터입니다.
- System Clock Gating Control Registers (SIM_SCGC4, SIM_SCGC5, 등):
- 시스템 클럭 게이팅 제어
- 특정 주변 장치의 클럭을 활성화하거나 비활성화하는 데 사용됩니다.
Using CMSIS to access hardware registers with C code
하드웨어 제어 레지스터를 위한 모든 주소를 다 기억하는 것은 불가능함.
CMSIS(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)
- Cortex processor에서는 어떠한 PIN이나 Interface를 사용할지를 규약해둠.
- Cortex-M 프로세서가 C언어에서 프로세서 코어랑 주변기기에 상호작용 하기 위해서 제공하는 하드웨어 추상화 계층
ex) SIM_SCGC5 register에 접속하고 싶으면 SIM의 주소값을 미리 박아두고, 포인터를 통해 해당 값에 접속할 수 있다.
SIM->SCGC5를 통해, SIM_SCGC5 register에 접속 가능.
