과거 공장에서의 작업은 사람의 수작업에 의한 프로세스가 많았었다. 그렇기 때문에 사람의 부주의에 의해서 야기되는 사고들도 다반사였다. 그렇지만 현대 공장의 프로세스는 각종 센서와 액츄어에터 등을 조합한 메커니즘이 발달해 자동화를 통해 작업이 용이하도록 되어 있다. 표준 프로세서 아키텍처를 이용하여 통일된 제어 환경을 만들어내면 설계 엔지니어들은 시스템 성능을 높이고 설계 주기 시간을 절감할 수 있다.

Ram Sathappan&Jean Anne Booth / 텍사스 인스트루먼트

현대의 공장과 프로세싱 플랜트는 기술적으로 정교하게 움직인다. 기계와 프로세스를 정확하게 제어하기 위해 가장 최신 세대의 센서와 액츄에이터와 서보를 활용한다. 정확한 제어 능력을 사용했을 때의 장점을 끌어내기 위해 추가된 기술의 한 예로, 공장 작업장에 추가된 겹겹의 네트워킹과 자동화를 들 수 있으며, IT 네트워크에 연결된 제어 네트워크는 비즈니스 정보와 전략을 제공하면서 번갈아 생산 결정을 내린다.
이러한 중앙집중식 네트워크가 이루어져 있는 산업 제어는 기술자와 산업 엔지니어가 다양한 데이터에 접근해 관측, 조정, 최적화를 할 수 있도록 해준다. 플랜트 매니저와 기업의 임원은, 운용 대시보드를 참고하며 전체 공장의 효율성을 전제적인 관점에서 한 눈에 파악할 수 있다.
과거에는 프로세스가 수동으로 제어되었고, 플랜트 안의 베이들은 각각 독립적으로 작동했다. 실제 플랜트 운용을 요약한 실시간 데이터를 입수할 수 있게 되면서 임원들은 그날그날의 활동에 대해 보다 잘 알 수 있게 되었고 실시간 작업량에 맞추어 비즈니스 전략을 조정할 수 있게 되었다.
분리 노드에서 완전한 네트워크 시설로의 점진적 이동이 몇 년 간 꾸준히 진행되어왔다. 이러한 이동은 대체로 임기응변처럼 무계획적으로 이루어졌고 현재 산업 제어 설계의 각 요소들이 여전히 버스, 네트워크, 컨트롤러 등 특정 종류에 집중되어 있기 때문에, 분리된 산업 제어 시스템 설계가 생겨나게 되었다.
하향식 관점에서 보았을 때 현재 네트워크 산업 제어라는 하나의 통일된 비전이 있지만, 각 세그먼트의 중앙처리디바이스 입장에서 상향식으로 봤을 때에는 매우 세분화되어 있다. 지금까지는 단 한 개의 IC 프로세서 아키텍처가 제어 인프라의 전 단계에 걸쳐 효과적으로 작동하기가 그렇게 쉽지 않았다.
최근 프로세서 기술의 발달로 설계 엔지니어들은 하나의 통일된 산업 제어 패러다임 내에서 혁신을 꾀할 수 있게 되었다. 각각의 제어 레벨마다 신중하게 성능과 기능, 통신 요건들을 분석하면, 통일된 표준 프로세서 코어 아키텍처의 활용으로 경쟁력 있는 가격에 최적의 솔루션을 제공하고 소프트웨어 개발비를 절감하고 소프트웨어 재사용으로 설계 사이클 타임을 크게 단축할 수 있다.

제어 레벨
일반적으로 산업 제어는 네 개의 단계로 기술된다(그림 1 참조).
·센서와 액츄에이터, 산업 프로세스를 감시하여 상태를 보고하고 때로는 상태 변화를 주도하기도 한다.
·프로세스나 작업 상태의 변화를 집행하는 전자 모터와, 인덕션 히터 같은 기타 시스템
·센서 노드에서 전송된 정보를 분석하여 드라이브 시스템에게 희망하는 변화, 예컨대 디바이스들을 연결하는 PLC(programmable logic controller) 네트워크와 PAC(programmable automation controller) 네트워크를 완성하도록 명령을 하는 컨트롤
·엔지니어와 기술자에게 시각적으로 알고리즘 처리 플랜트 상태를 보여주는 HMI(Human machine interface) 모듈과 디스플레이

지금까지는 하나의 소프트웨어 호환 프로세서 아키텍처로 네 단계의 산업 제어 모두를 비용 효과적으로 다룰 수 없었다. 공통의 프로세스 아키텍처를 채택하면 설계자는 구매해야 할 소프트웨어 개발 툴의 수를 줄일 수 있고, 재사용 코드의 양을 늘릴 수 있으며 익숙한 개발 환경에서 작업을 할 수가 있다.� 아키텍처는 자유롭게 라이선스가 주어지는 오픈 아키텍처로, 독점재산이 아니다. 오픈 아키텍처로서의 장점은 ARM 아키텍처를 사실상의 표준으로 만들었고, 튼튼하고 다양하며 전세계적인 써드파티 소프트웨어 하드웨어 에코시스템의 개발을 육성하였다.
임베디드 프로세싱의 선두주자인 ARM은 모든 단계의 산업 제어 성능 요건을 충족하는 다양한 프로세서 코어들을 내놓고 있다. 이 코어들의 진화론적 발전은 소프트웨어 호환성과 아키텍처 연속성을 유발하게 되었다. 코어텍스™-M3 코어에서 코어텍스-A8 프로세서로의 상향 이동에서 완벽하게 소프트웨어 호환이 이루어지기 때문에 단 한 번의 개발 시험으로 다양한 성능의 통신 기능들을 갖춘 제어 시스템의 개발이 쉬워진다. 몇 가지 ARM 코어들은 결정론적 동작과 멀티태스킹 같은 산업 제어 기능들을 위한 통합 하드웨어 지원을 가지고 있음에 주목해야 할 것이다.
코어가 그럴듯한 출발점이라면, ARM 아키텍처 코어를 구성하는 마이크로컨트롤러(MCU)와 마이크로프로세서(MPU)는 통합 주변장치들과 메모리 옵션들을 적절히 조합한 것이어야 한다. 산업 제어의 범주에 드는 애플리케이션이 늘어남에 따라 이러한 요건은 가격, 성능, 기능 등의 다양한 솔루션들을 아우르는 대규모 제품 제품군에 대한 필요성으로 바뀌게 되었다.
마지막으로, 개발 프로세스를 완화해주고 코드 재사용을 극대화하는 전문가 수준의 소프트웨어 개발 툴들은, 설계 엔지니어들이 통합 아키텍처 패러다임을 사용하는 제어 시스템을 구현하는데 필수적이다.코어의 유연성과 범위를 설명할 수 있는 가장 좋은 방법, 그리고 MCU와 MPU의 올바른 혼합을 결정할 수 있는 가장 좋은 방법은, (그림 1)의 각 제어 단계의 요건들을 분석하는 것이다.

HMI(Human-machine interface)
프로세싱 관점에서는, 제어 상위 단계에 있는 HMI 인터페이스가 가장 까다롭다. 터치 스크린 버튼, 슬라이드 바, 기본 2D 그래픽을 특징으로 하는 기본 유저 인터페이스는, 예컨대 ARM의 코어텍스-M3에 기반한 MCU를 통해 처리할 수 있다. 그 외에는, 하이 레벨의 운영시스템이 필요하며 유저 인터페이스 솔루션은 MCU에서 MPU로 이동한다.
자동화 시설에서, 원격제어실에서 일하는 오퍼레이터는 가급적 많은 공장 작업장을 감시, 관찰할 수 있어야 한다. 완벽한 관찰을 하려면, 3D 그래픽과 비디오 같은 새로운 단계의 그래픽 기능이 필요하다. 예를 들어, 오퍼레이터에게 분산 산업 제어 시스템을 볼 수 있도록 하는 방법으로, 특정 기계나 세그먼트의 그래픽 디스플레이 화면에서 탭을 클릭하여 각 세그먼트에 오퍼레이터가 접근하게 하는 방법이 있다.
고급 HMI는 공장 작업장의 시찰 카메라에서 전송된, 알고리즘 처리된 데이터, 2D및 3D 그래픽, 비디오를 표시할 수 있는 기능을 가지고 있다. 또한 중요한 프로세스나 생산 수치를 윈도우에 표시할 수도 있다. 스케일링과 렌더링, 윈도윙은 고급 HMI의 공통적인 기능들이다. 터치스크린, 키패드, 보이는 옵션형 입력 타입으로, 모두 MPU의 인터페이스나 주변장치 지원이 필요하다.
시찰 카메라의 시야 전환, 주문형 보고서 요청, 프로세스 어셈블리 라인의 변경 명령 발동 등, 공장 작업장과의 높은 상호작용이 필수적이다. 제어 콘솔은 중요 제어 네트워크 레이어로 이루어진 수 백 가지 디바이스들로부터 손쉽게 데이터를 수신, 처리할 수 있다.
프로세서 관점에서 이러한 높은 상호작동성에는, 내장형 비디오 그래픽 기능, 풍부한 I/O 옵션, 높은 처리능력 등을 가진 프로세서가 필요하다. 또한 올바른 주변장치와 소프트웨어 라이브러리를 이용할 수 있는지 여부도 올바른 프로세서를 선택하는데 중요한 역할을 한다.
위에 언급된 자질을 갖춘 몇 안 되는 프로세서들 중에 ARM 코어텍스-A8 기반 프로세서가 있다. 그 프로세서의 구체적인 주변장치, 인터페이스, 성능 파라미터에 대해서는 본 글에서 나중에 다루기로 한다.

제어 레벨
공장 제어 레벨은 일반적으로 제어 레벨에서 작동하는 수많은 PLC로 구성되어 있다. 이 PLC는 센서 데이터를 수집하고, 프로세스 및 제어 릴레이의 상태, 모터, 플랜트 내 다른 기계장비의 상태에 대해 변화 결정을 내린다. 이들은 수 백 가지 노드로 실행되는 대규모 IO 네트워크를 감시, 관리할 수 있다.에는 결정론적 동작이 필요한 것이 일반적이다. 즉, 각각의 I/O 동작은 정확히 똑같은 시간(또는 프로세서 사이클) 내에 일어나고, 매번 일어난다. 실시간 결정론적 동작의 요건이 약간 덜 엄격할 경우, 어떤 PLC들은 실시간 운영시스템(RTOS)를 이용해 작업 기반 프로그래밍을 완화하면서 시스템이 지정된 시간 내에 반응을 하게 만든다.코어텍스-M3 코어의 차별화 특징 중 하나는 결정론적 동작에 대한 하드웨어 지원이다. 캐시에서 데이터를 가져오