아날로그 통합성과 저전력 소모, 부동소수점 성능에서 앞서는 TI의 차세대 ARM® Cortex™-M4 프로세서

글 | 미겔 모랄레스 (Miguel Morales)
Tiva™ C 시리즈 마이크로컨트롤러
텍사스 인스트루먼트

TI의 마이크로컨트롤러 플랫폼 Tiva™ C 시리즈의 처음은 빠른 속도로 사실상 산업표준으로 자리잡은 ARM® Cortex™-M 프로세서 아키텍처 기반의 최초의 MCU로 거슬러 올라간다. 이후 TI의 Cortex-M 디바이스는 원래의 목적대로 연결성 높은, 저렴하고 사용하기 쉬운 폭넓은 32비트 MCU의 포트폴리오를 제공하고 있다. 신제품 Tiva C 시리즈는 성능을 크게 향상시키고 기능을 새로운 수준의 품질로 높여 TI의 커넥티드 MCU를 개선했다.
Tiva C 시리즈 MCU는 높은 수준의 커넥티비티와 센서 애그리게이션(aggregation)을 제공하여 홈, 빌딩 및 산업용 자동화 같은 커넥티드 애플리케이션에 적합하다. 이 MCU는 두 가지 중요한 기술을 활용한다. 바로 최신 ARM Cortex-M4 코어 프로세서 기술과 TI의 설계, 공정 기술이다. 그 결과 클록 사이클당 더욱 효과적인 처리 성능, 종래의 독립형 구성요소와 동일한 수준의 통합된 혼성신호 회로, 동종 최강의 이레이즈-라이트(erase-write) 내구성을 가진 플래시 메모리, 활성 모드와 대기 모드에서 다른 32비트 MCU에 비해 경쟁력 높은 전력 소모를 제공하는 32비트 MCU 플랫폼이 탄생했다. Tiva C 시리즈 MCU의 애플리케이션 영역은 더욱 확대되었고, 이전에는 실행할 수 없었던 커넥티드 애플리케이션이 가능해졌다. Tiva C 시리즈 ARM Cortex-M4 마이크로컨트롤러의 주요 기능은 그림 1에서 확인할 수 있다. 보다 자세한 목록은 제품의 데이터시트를 참조하기 바란다.

ARM Cortex-M4: 보다 우수해진 성능과 높은 호환성
Tiva C 시리즈 플랫폼은 MCU인 Cortex-M4를 위해 최첨단 ARM 아키텍처를 사용한다. Cortex-M MCU는 32비트 프로세서 아키텍처이기 때문에, 8비트 또는 16비트 아키텍처보다 유연성이 훨씬 큰 풍부한 명령어 집합을 사용하며, 손쉽게 최대 32비트까지 데이터를 운영할 수 있다. 임베디드 애플리케이션 시장의 ARM 아키텍처의 오랜 성공적인 역사는 폭넓은 서드파티의 하드웨어 및 소프트웨어 지원 선택, 스택 및 실시간 운영체제(RTOS)와 같은 프리패키지(pre-packaged) 상용 소프트웨어를 제공하며, 어떤 프로젝트에서든 숙련된 엔지니어와 프로그래머를 지원한다. 이전 TI ARM 기반 MCU인 “스텔라리스(Stellaris)®”는 오리지널 Cortex™-M3 아키텍처를 사용했다. Cortex-M 코어 초기 버전의 Thumb-2짋 명령어 집합은 다양한 일반 데이터 프로세싱과 컨트롤 동작에 적합한 고밀도, 전력 효율적인 명령어 집합이다. Cortex-M3 Thumb-2 명령어는 다수 MCU에서 확인할 수 있는 산술, 논리, 비트, 브랜치 및 데이터 이동 작업을 포함하고 있다. 또한 보다 고급 작업 및 곱셈, 비트 단위 조작, 조건 접두사를 추가하며, 8비트, 16비트, 32비트 데이터에서 작동한다. ARM Cortex-M3는 최근 32비트 MCU의 표준이 되었다.
새로운 Cortex-M4 코어는 DSP 확장과 단일 명령어, 다중 데이터(SIMD) 명령어를 추가하여 Cortex-M3보다 확대된 명령어를 제공한다. 또한 전체 Tiva C 시리즈는 전체 제품에 걸쳐 부동소수점 옵션을 포함하고 있다. Tiva C 시리즈 디바이스의 DSP 동작은 단일 사이클 32비트 또는 듀얼 16비트 MAC(multiply-accumulate) 명령어 및 포화 산술연산 명령어(Saturating arithmetic instructions)를 포함한다. 최적화된 SIMD 명령어는 단일 사이클에서 4×8-bit 또는 2×16-bit 산술연산을 실행하기 때문에 대량의 데이터의 산술연산을 매우 효과적으로 실행할 수 있다. 하드웨어 분할 로직은 2와 12사이의 클록 사이클이 된다. 이 명령어들은 모두 함께 응답 컨트롤러 코어에 DSP 같은 기능을 추가한다. 단일 부동소수점 명령어는 IEEE 754 표준을 따르며, 보다 높은 정확도에 필요한 제곱근 및 fused MAC 같은 기능을 포함한다. 무수한 데이터 타입 변환이 가능하며 도메인 간 트랜지션 시간을 가속화 한다.
매스 중심(math-intensive) 작업에서 성능이 크게 향상된 것 외에도, 부동소수점 지원은 부동소수점 루틴의 실행과 프로그래밍을 단순화한다. MATLAB®에서 디지털 필터를 개발하는데 일주일을 소비하고, 정확성과 안정성을 위해 필터를 고정소수점 실행으로 전환하는데 또 다시 한 달을 소비하는 것은 흔히 있는 일이다. 그러나 프로그래머가 고유의 부동소수점 형식으로 필터를 프로그래밍할 수 있다면 그렇게 긴 개발시간이 필요치 않다.

TI의 통합 기술
이제 TI의 MCU 카탈로그에 포함된 새로운 Tiva C 시리즈 MCU는 TI의 이미 MSP와 C2000™ MCU로 그 우수성이 입증된 TI의 발전과 기술을 온전히 활용한 제품이다. 혼성신호 회로 및 메모리 구조 같은 일부의 경우, 특정 회로를 타깃으로 했다. 한편, 공격적인 프로세스 기술은 보드의 전력소비를 감소시켰다. Tiva C 시리즈 MCU는 TI의 축적된 기능 향상과 기술 진보의 결과라고 할 수 있다.



정밀한 통합 아날로그
TI는 Tiva C 시리즈 MCU 개발에 특별한 노력을 쏟은 결과 고품질, 고해상도 ADC를 설계했다. 그런 노력의 결실은 바로 ADC의 전해상도 및 정확도를 지원하며, 샘플 속도 1 MSPS라는 빠른 속도의 통합 고해상도 12-bit ADC이다. 이 제품은 샘플 속도가 높아지면 인식의 질이 낮아지는 여타의 MCU와 다르다. 이들 컨버터 중 두 개는 온칩 형태이며 24시간 독립적인 입력으로 급전할 수 있다.
정밀도를 향상시키기 위해 전용 입력에 외부의 차동 레퍼런스 전압을 사용할 수 있다. ADC는 완료된 변환에 따라 8개 디지털 콤퍼레이터 중 하나에 맞게 프로세서 인터럽트를 발생시킬 수 있다. ADC의 인식은 ADC 내에서 큐(que), 비교, 또는 균등해질 수 있다. 온칩 μDMA(micro direct memory access controller)는 ARM 코어를 활성화하거나 흩뜨리지 않고, ADC FIFO에서 RAM이나 다른 주변장치로 ADC 인식을 전달할 수 있다. 또한 입력 아날로그 신호가 특정 스레스홀드를 지날 때 프로그래머블 내부 전압 레퍼런스 검출에 사용할 수 있는 3개의 온칩 아날로그 콤퍼레이터가 있다. 디지털 콤퍼레이터와 더불어 세 개의 아날로그 콤퍼레이터는 유입되는 ADC 값을 계속적으로 폴링(polling)하지 않아도 되게 해주며, 실시간 애플리케이션 작업에 초점을 맞추도록 CPU를 비운다.
모션 컨트롤은 보다 정교한 알고리즘과 온칩 콤퍼레이터 동작을 위한 빠르고 정확한 ADC, 부동소수점 성능을 활용하는 애플리케이션의 하나일 뿐이다. 실제 작업 동안 모터 드라이버의 모터 동작 추적이 빠르고 정밀할수록 발생하는 PWM이 만나게 되는 푸시백(pushback) 저항이 적고 제어 신호가 보다 효율적이다. 에너지 소모가 적을수록, 그리고 축의 회전이 부드러울수록 다양한 부하에도 불구하고 속도 유지나 가속이 가능하다. 온칩 콤퍼레이터는 고장에 대한 즉각적인 대응이 필요할 경우, 시스템의 고장 상태를 점검할 수 있다.

뚜렷이 구별되는 신뢰도 높은 메모리
메모리에 감탄하기란 쉽지 않다. 메모리는 흔히 그냥 당연한 것이라고들 생각한다. 그러나 TI는 Tiva C 시리즈 MCU를 위해 TI 65나노미터 프로세스를 활용해 새로운 수준의 제품 신뢰도와 통합성을 달성할 수 있었다.
Tiva C 시리즈 MCU는 오토모티브 제품을 위해 TI가 개발한 플래시 기술을 차용하여 크기의 정도에 따른 메모리 내구성을 향상시켰다. 이 MCU의 플래시 메모리를 지우고 다시 프로그래밍하는 최소 횟수는 100,000회로 매우 높다. 이런 비약적인 발전으로 인하여 데이터 수집, 구성 파라미터나 프로그램 수정을 위한 리플래시(re-flash)로 인해 발생하는 메모리 마모 우려가 훨씬 감소되었다.
또한 소형의 마스크 ROM 온칩에 TivaWare™ 소프트웨어 드라이버가 내장되어 있기 때문에 고객 기록 코드(customer-written code)를 위한 보다 높은 신뢰도의 플래시를 사용할 수 있다. 모든 Tiva C 시리즈 MCU는 CRC(cyclic redundancy check) 알고리즘, AES(advanced encryption standard) 테이블 같은 주변 드라이버, 시스템 내 프로그래밍 루틴, 유틸리티가 포함된 온칩 ROM 전용 TivaWare 소프트웨어 바이너리(binary)를 포함하고 있다. 프로그래머는 이런 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 통해 모든 고객 및 애플리케이션 특유의 코드를 그대로 둔 채 TI의 입증된 서비스, 루틴, 테이블을 온전히 활용할 수 있다.
그 외에도 MCU에는 많은 다른 메모리 기능이 있지만, 그 중 한 가지 새로운 메모리 형태는 특별히 주목할 만하다. 새로운 Tiva C 시리즈 MCU는 2 KB의 보안 온칩 EEPROM을 포함하고 있다. EEPROM는 대개 정전이나 배터리 방전 시에도 보존되어야 하는 장기적 변수를 저장하는 데 사용된다. 실행이 중단될 수 있기 때문에, 통합 메모리가 비휘발성 메모리에 값을 기록하는 동안 코드의 실행을 가능하게 한다(기록하는 동안 실행). EEPROM은 각 위치에서 500,000회 수정이 가능한 내장 마모 균등화(wear-leveling) 기술을 사용하여 구성되었다. 매일 100회씩 데이터를 다시 쓴다면, EEPROM은 거의 15년까지 사용할 수 있다.



전원 절감으로 배터리 수명 연장
임베디드 시스템의 전력 요건은 핵심적인 설계 파라미터로 지속적으로 고려해야 하는 부분이다. 많은 완제품들이 배터리를 사용하기 때문에, 경쟁 시스템과는 별도로 긴 배터리 수명이 제품에 큰 부분을 차지한다. 메인 전원 구동 장비조차 종종 전력 예산이 한정되어 있는 경우가 많다. 예를 들어 최근 신제품들은 전력을 USB 케이블을 통해서만 공급받는 데, USB 2.0의 사양은 최대 500 mA로 제한되어 있다.
TI가 전력 소비를 줄인 첫 번째 방법은 TI 소유의 65나노 공정을 사용한 것이다. 65나노 공정은 ARM Cortex-M4 코어의 성능을 손상시키지 않으면서 MCU의 전력 소비를 줄인다.
Tiva C 시리즈 MCU는 전원관리 시 게이트로 제어할 수 있는 다수의 클록과 전원 도메인을 제공한다. 예를 들어 DSP나 부동소수점 디바이스가 필요할 때, 또는 주변장치들이 유휴상태일 경우, 전력 소비를 최적화하기 위해 모듈에 대한 전력 공급이나 클로킹을 중단할 수 있다. Tiva C 시리즈 디바이스는 최소한의 기능만 필요할 경우를 위해 슬립(sleep) 모드, 딥 슬립(deep sleep) 모드, HIB(hibernate) 모드를 제공한다. HIB 모드일 경우 HIB 블록을 제외하고는 전체 칩에 공급되는 전원이 차단되며, MCU는 재작동 시 다시 활성화될 수 있는 상태가 된다. HIB 블록에는 32 kHz 오실레이터 회로, 실시간 클록(RTC) 모듈, 배터리 모니터 회로, 16×32bit 단어의 백업 배터리 SRAM이 포함되어 있다. HIB 모드에서는 1.6 μA의 전력만 소비한다. 이러한 최소 실행을 통해 전력을 절감하는 것이다. Tiva C 시리즈 디바이스는 RTC 매치, 외부 신호 또는 저전압 감지 회로에 의해 HIB 모드에서 벗어날 수 있다. HIB 모드에서 정상 모드로 전환은 몇 분, 몇 시간, 또는 며칠이 걸릴 수도 있다. 그 기간이 길수록 HIB 상태의 전력이 더 낮을수록 배터리 방전 및 교체 시간이 더 길다.
또한 HIB 모드 동안 칩이 활성화할 때까지 모든 GPIO 라인의 상태를 저장할 수 있다. 활성화되면 칩의 전원이 리셋되고 최대 500 μS의 실행 명령이 시작된다. Tiva C 시리즈 디바이스는 플래시의 80 MHz 풀 가동 모드에서 대개 30 mA를 소비한다. 전원 모드에 대한 전체 설명은 그림 2에서 확인할 수 있다.

Tiva C 시리즈 마이크로컨트롤러: 애플리케이션에 꼭 맞는 디바이스
현재 생산 중인 50가지 이상의 Tiva C 시리즈 ARM® MCU를 사용하는 TM4C123x 시리즈는 확장된 TI의 Cortex™-M4 실행 플랫폼을 제공한다.
Tiva C 시리즈에서 강화된 특징적인 개선사항은 부동소수점 성능, 통합 아날로그, 통합 메모리 및 저전력 소모이다. 이는 새로운 ARM Cortex-M4 코어, TI 아날로그 설계 지식, TI의 차별화된 65나노 공정 기술로 가능한 것이었다.
앞으로 고객들은 보다 강화된 통합, 더 향상된 성능과 커넥티비티 및 저전력 소비를 주도하는 로드맵을 기대할 수 있을 것이다. TI는 현재의 Tiva C 시리즈 디바이스를 평가할 수 있도록 Tiva C 시리즈 EK-TM4C123GXL 런치패드 평가 모듈을 12.99달러에 제공하고 있다. 이 평가 모듈은 모든 하드웨어를 포함하고 있으며, 10분 이내로 작업을 시작할 수 있는 소프트웨어를 함께 제공한다.  ES