임베디드 시스템

3. 특징

임베디드 시스템은 특정 임무를 수행하도록 설계되어, 범용 컴퓨터와 비교했을 때 다음과 같은 특징을 가진다.

• 제한된 자원: 임베디드 시스템은 보통 저가의 부품을 사용하여 제한된 기능만을 수행하도록 설계된다. 따라서 하드웨어가 단순하며, (상대적으로) 느린 프로세서와 작은 크기의 메모리를 탑재하여 비용을 절감한다.^[9] 예를 들어, 주변 장치 제어에는 개인용 컴퓨터에서 쓰이는 주변장치 인터페이스보다 10²⁴배 정도 느린 직렬 버스 방식을 사용하기도 한다.
• 실시간 제어: 많은 임베디드 시스템은 실시간 제약 조건을 가지고 동작한다. 특히 기계 제어를 하는 경우 실시간 제어가 중요해진다.^[22]
• 펌웨어: 임베디드 시스템 상의 프로그램은 펌웨어라고 불리며, 롬이나 플래시 메모리에 내장된다.^[9] 펌웨어는 오랜 기간 오류 없이 안정적으로 작동하도록 설계되며, 개인용 컴퓨터의 소프트웨어보다 더 신중한 개발 및 테스트 과정을 거친다.
• 안정성: 임베디드 시스템은 오랜 기간 동안 오류 없이 안정적으로 작동해야 한다. 따라서 기계적 손상에 취약한 부품 대신 플래시 메모리와 같은 안정적인 칩을 사용한다.^[9] 또한, 스스로 응급 복구를 할 수 있도록 왓치독 타이머와 같은 전자 부품을 사용하기도 한다.
• 소형화, 경량화, 저전력: 임베디드 시스템은 특정 기능을 위해 기기 내부에 "내장"되기 때문에, 소형, 경량, 저전력으로 설계되는 경우가 많다.

4. 하드웨어

하드웨어 구성은 범용 구성, 독자적 구성, 그리고 두 가지를 조합한 구성이 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 기능을 서로 고려하여 설계하는 '''협조 설계'''(co-design^영어)라는 설계 기법도 있다.

임베디드 시스템에는 ARM, MIPS, 콜드파이어/68K, PowerPC, x86, PIC 마이크로컨트롤러, 8051 등 다양한 CPU 아키텍처가 사용된다. 임베디드 시스템에 사용되는 프로세서는 일반적인 범용 프로세서와 비교했을 때 저전력 소비, 소형 크기, 견고한 작동 범위, 그리고 단위당 저렴한 비용이 특징이지만, 제한된 처리 자원이라는 단점을 감수해야 한다.

시스템 온 칩(SoC)은 특정 응용 분야에 적합한 IC들을 하나의 CPU 칩에 통합하여 별도의 주변 장치용 칩 없이도 시스템을 구성할 수 있게 한다. SoC는 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 재구성이 가능한 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 사용하여 구현할 수 있다.

임베디드 시스템은 외부 세계와 통신하기 위해 다음과 같은 주변 장치(Peripheral)를 사용한다.

• 직렬 통신 인터페이스: RS-232, RS-422, RS-485 등
• 동기식 직렬 인터페이스: I2C, SPI, SSC, ESSI(Enhanced Synchronous Serial Interface)
• USB
• 미디어 카드(SD 카드, 콤팩트플래시 등)
• 네트워크 인터페이스 컨트롤러: 이더넷, WiFi 등
• 필드버스: CAN 버스, LIN-Bus(Local Interconnect Network), PROFIBUS 등
• 타이머: 위상 고정 루프(PLL), 프로그래머블 간격 타이머
• GPIO(General Purpose Input/Output)
• 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC)
• 디버깅: JTAG, 시스템 내 프로그래밍(ISP), BDM(Background Debug Mode) 포트, BITP, DB9 포트

4. 1. CPU 아키텍처

4. 2. 시스템 온 칩 (SoC)

4. 3. 주변 장치

• 직렬 통신 인터페이스(SCI): RS-232, RS-422, RS-485 등
• 동기식 직렬 인터페이스: I2C, SPI, SSC, ESSI(Enhanced Synchronous Serial Interface)
• USB
• 미디어 카드(SD 카드, 콤팩트플래시 등)
• 네트워크 인터페이스 컨트롤러: 이더넷, WiFi 등
• 필드버스: CAN 버스, LIN-Bus(Local Interconnect Network), PROFIBUS 등
• 타이머: 위상 고정 루프(PLL), 프로그래머블 간격 타이머
• GPIO(General Purpose Input/Output)
• 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC)
• 디버깅: JTAG, 시스템 내 프로그래밍(ISP), BDM(Background Debug Mode) 포트, BITP, DB9 포트

5. 소프트웨어

임베디드 시스템의 소프트웨어는 주로 C언어로 작성된다. 32비트 이상의 마이컴과 같이 하드웨어 자원이 풍부한 환경에서는 C++이나 자바가 사용되기도 하지만, 4비트 마이컴처럼 자원이 부족하거나 고속 처리가 필요한 경우에는 어셈블리어가 필수적이다.^[28]

최근에는 UML과 같은 객체 지향적 방법이 개발에 도입되지만, 임베디드 시스템 개발에서는 신뢰성이 보장된 모듈로 프로그램을 구성하는 것이 일반적이다. 디버깅은 ICE라는 장비를 사용하여 PC를 CPU에 연결하여 원격으로 수행하는데, 최근에는 ICE 대신 JTAG 에뮬레이터나 ROM 에뮬레이터 등의 에뮬레이터 또는 PC에서 CPU 기능을 시뮬레이션하는 시뮬레이터도 사용된다.

과거에는 소프트웨어가 EPROM에 기록된 상태로 출하되어 제품 결함이 발견되면 제조사가 제품을 회수하고 교환해야 했기 때문에 많은 비용이 소요되었다. 그러나 최근에는 플래시 메모리를 채용하여 사용자가 직접 재기록할 수 있게 되면서 제조사의 부담이 경감되었다. 하지만 시스템 분석의 복잡성으로 인해 결함 발견부터 수정까지 상당한 시간이 걸리는 경우가 있어 시장에 큰 영향을 미치는 것은 변함없다. 수정 소프트웨어는 이동식 저장 매체를 통해 설치하거나, 방송 전파를 통해 배포하거나, 인터넷을 통해 자동으로 업데이트하는 방식으로 제공된다.

PC 본체의 BIOS는 마더보드 기종별로 내장된 임베디드 시스템 소프트웨어이며, 주로 마더보드 상의 칩셋에 대한 펌웨어이다. BIOS 설정 항목은 대용량 콘덴서나 버튼 전지 등(CMOS 백업 전지)으로 백업된 ROM에 저장된다.

5. 1. 운영 체제 (OS)

5. 2. 개발 도구 및 디버깅

• 회로 내 디버거 또는 에뮬레이터.^[11]
• 프로그램에 체크섬 또는 CRC를 추가하는 유틸리티.^[12]
• 디지털 신호 처리를 위한 수치 계산 노트북.
• 시스템 레벨 모델링 및 시뮬레이션 도구.
• 모델 기반 개발 도구.
• 특수 하드웨어를 최적화하기 위한 사용자 정의 컴파일러 및 링커.
• 자체 특수 언어 또는 설계 도구, 혹은 포스나 베이직과 같은 기존 언어의 확장.
• RTOS 또는 임베디드 운영 체제.
• 도구를 모델링하고 코드를 생성.

• 임베디드 운영 체제에서 제공하는 간단한 셸을 사용하는 대화형 상주 디버깅
• 소프트웨어 전용 디버거^[11]
• Remedy Debugger와 같이 이기종 멀티코어 시스템에서도 작동하는 디버그 서버 사용
• JTAG 또는 Nexus 인터페이스를 통해 마이크로프로세서에 연결되는 하드웨어 장치인 인서킷 디버거(ICD).^[12]
• 인서킷 에뮬레이터(ICE)
• 완벽한 에뮬레이터
• SoC 설계의 경우 FPGA 프로토타입 보드에서 검증 및 디버깅, Certus^[13]와 같은 도구를 사용하여 FPGA 구현에 프로브를 삽입하여 관찰

6. 응용 분야

임베디드 시스템은 소비자, 산업, 자동차, 가전제품, 의료, 통신, 상업, 항공우주 및 군사 분야 등 매우 다양한 분야에서 활용된다.^[7]

• 통신 시스템: 네트워크의 전화 교환기에서 최종 사용자의 휴대전화에 이르기까지 수많은 임베디드 시스템이 사용된다. 컴퓨터 네트워킹에는 데이터를 라우팅하는 전용 라우터와 네트워크 브리지가 활용된다.
• 운송 시스템: 항공기부터 자동차까지 점점 더 많은 임베디드 시스템을 사용하고 있다. 새로운 비행기에는 관성 항법 시스템 및 GPS 수신기와 같은 고급 항공 전자 장비가 포함되어 있으며, 다양한 전기 모터는 전자 모터 컨트롤러를 사용한다.
• 항공 우주 및 방위 산업: 안전 중요 시스템에 사용된다. 유선 또는 무선 네트워크에 연결되지 않는 한, 해킹으로부터 격리될 수 있으므로 더 안전하다. 화재 안전을 위해 고온에서도 작동할 수 있도록 설계된다.
• 모트 (무선 센서): 무선 센서 네트워크는 고급 집적 회로(IC) 설계를 통해 소형화된 무선 하위 시스템과 정교한 센서를 결합하여, 물리적 세계를 측정하고 모니터링 및 제어 시스템을 통해 정보를 활용할 수 있게 한다.

• 가정용 전기 기계 기구: 백색 가전(전기밥솥, 세탁기, 에어컨, 로봇 청소기 등), 통신 기기(휴대전화, 모뎀, 라우터 등), 디지털 기기(디지털카메라, 캠코더, PC용 주변기기(프린터, 스캐너 등), 오디오·비주얼 기기(텔레비전, 하드디스크 레코더 등), 가정용 보안 기기, 가정용 게임기 등
• 일반 산업용 기기 및 기계 설비류: 사무 기기 (복사기, 프린터 등), 통신 기기 (법인용 휴대전화, 팩시밀리, 모뎀, 라우터 등), 업무용 공조 설비, 생산용 기기·설비, 판매용 기기 (자판기, 자동매표기, POS 레지스터), 현금자동입출금기(ATM), 광고·전시용 장치, 경비·감시용 장치, 오락 산업용 기기, 교통 신호등, 엘리베이터 부분 제어 등
• 탈것 및 탑재 기기: 자동차, 오토바이의 엔진 제어 장치, 내비게이션 시스템, 철도 차량의 블록 제어, 선박, 항공기, 우주선, 인공위성 등
• 의료 기기: 바이탈 사인용 기기 (자동혈압계, 심전계 등), 제세동기, 임상 검사용 기기·분석 장치 등
• 재해 대책용 기기: 구조 로봇, 원자력 발전소의 사고 처리용/폐로용 로봇 등
• 기타: 경기용 로봇 (예: 로봇 경진대회) 등

6. 1. 가전제품

6. 2. 산업용 기기

6. 3. 의료 기기

6. 4. 자동차

6. 5. 항공우주

6. 6. 기타

• 통신 시스템: 전화 교환기에서 휴대전화에 이르기까지 수많은 임베디드 시스템이 사용된다. 컴퓨터 네트워킹에는 데이터를 라우팅하는 전용 라우터와 네트워크 브리지가 활용된다.
• 소비자 가전: MP3 플레이어, 텔레비전, 휴대전화, 비디오 게임 콘솔, 디지털 카메라, GPS 수신기, 컴퓨터 프린터 등이 해당된다. 전자레인지, 세탁기, 식기세척기와 같은 가정용 기기에도 임베디드 시스템이 포함되어 유연성, 효율성, 기능성을 높인다. 고급 냉난방 공조 시스템(HVAC)은 네트워크에 연결된 온도 조절기를 통해 시간대와 계절에 따라 온도를 효율적으로 제어한다. 홈 오토메이션은 유/무선 네트워킹을 활용하여 조명, 기후, 보안, 시청각, 감시 등을 제어하며, 여기에도 임베디드 장치가 사용된다.
• 운송 시스템: 항공기부터 자동차까지 임베디드 시스템 사용이 증가하고 있다. 최신 비행기에는 관성 항법 시스템 및 GPS 수신기와 같은 고급 항공 전자 장비가 포함된다. 우주선은 궤적 수정을 위해 우주 항공 전자 장비 시스템을 사용한다. 블러시리스 DC 모터, 유도 모터, DC 모터 등 다양한 전기 모터는 전자 모터 컨트롤러를 사용한다. 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 자동차는 효율성을 높이고 오염을 줄이기 위해 임베디드 시스템을 활용한다. 잠금 방지 브레이크 시스템(ABS), 전자식 안정성 제어 장치(ESC/ESP), 구동력 제어 장치(TCS), 자동 4륜 구동 등도 임베디드 시스템을 사용하는 자동차 안전 시스템이다.
• 의료 장비: 모니터링 및 다양한 의료 영상(양전자 방출 단층 촬영(PET), 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT), 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI))을 통한 비침습적 내부 검사에 임베디드 시스템이 사용된다. 의료 장비 내 임베디드 시스템은 주로 산업용 컴퓨터로 구동된다.^[8]
• 항공 우주 및 방위 산업: 안전 중요 시스템에 사용된다. 유선 또는 무선 네트워크에 연결되지 않는 한, 해킹으로부터 격리되어 안전성이 높다. 화재 안전을 위해 고온에서도 작동할 수 있도록 설계된다. 임베디드 시스템은 자급자족이 가능하여 전기 및 통신 시스템이 끊긴 상황도 처리할 수 있다.
• 모트 (무선 센서): 무선 센서 네트워크는 집적 회로(IC) 설계를 통해 소형화된 무선 하위 시스템과 정교한 센서를 결합하여, 물리적 세계를 측정하고 모니터링 및 제어 시스템을 통해 정보를 활용할 수 있게 한다. 모트는 독립적으로 작동하며 배터리로 구동되어 수년간 작동한다.

• 가정용 전기 기계 기구 (일반 가전제품, 디지털 가전):
• 백색 가전 (전기밥솥, 세탁기, 에어컨, 로봇 청소기 등)
• 통신 기기 (휴대전화, 기능전화, 모뎀, 라우터 등)
• 디지털 기기 (디지털카메라, 캠코더, PC용 주변기기(프린터, 스캐너 등))
• 오디오·비주얼 기기 (텔레비전, 하드디스크 레코더, DVD 레코더 등)
• 가정용 보안 기기
• 가정용 게임기
• 고기능 장난감 (애완용 동물형 로봇 등)
• 고기능 교육용 기기

• 일반 산업용 기기 및 기계 설비류:
• 사무 기기 (복사기, 프린터 등)
• 통신 기기 (법인용 휴대전화, 기능전화기, 팩시밀리, 모뎀, 터미널 어댑터, 라우터, LAN용 기기 등)
• 업무용 공조 설비, 업무용 에어컨
• 생산용 기기·설비 (산업용 로봇, 공작 기계, 측정 기기 등)
• 판매용 기기 (자판기, 자동매표기, POS 레지스터)
• 현금자동입출금기(ATM)
• 광고·전시용 장치 (전시용 장치)
• 경비·감시용 장치 (기계 경비, 중앙감시 장치 등)
• 오락 산업용 기기 (파칭코 기기, 파치슬롯 기기, 슬롯머신 등)
• 교통 신호등
• 엘리베이터의 부분 제어 (기본적인 운전 제어는 제어반 내의 프로그래머블 로직 컨트롤러 등으로 안전하게 구성)

• 탈것 및 탑재 기기:
• 자동차, 오토바이의 엔진 제어 장치(연료 분사 장치를 포함한 엔진 관리, 자동 변속기, 에어컨 등의 제어)
• 내비게이션 시스템
• 철도 차량(전기 기관차, 전동차, 디젤 기관차, 기관차 등)의 블록 제어
• 선박, 항공기, 우주선, 인공위성

• 의료 기기:
• 바이탈 사인용 (자동혈압계, 심전계, 전자 체온계 등)
• 제세동기(자동 제세동기 등)
• 임상 검사용 기기·분석 장치

• 재해 대책용 기기:
• 구조 로봇
• 원자력 발전소의 사고 처리용, 폐로용 로봇

• 기타: 경기용 로봇 (예: 로봇 경진대회)

7. 임베디드 시스템과 한국

1980년대 이후 마이크로프로세서가 발달하면서 한국에서도 컴퓨터를 이용한 제어 방식을 도입하게 되었다. 전자 기기의 회로를 변경하지 않고 소프트웨어만 변경하여 기능을 추가할 수 있게 되면서, 기능 추가에 필요한 비용이 절감되었다.

이러한 변화는 한국의 가전제품 산업에 큰 영향을 미쳤다. 대부분의 가전제품에 임베디드 시스템이 탑재되면서, 제품의 부가가치를 높이는 새로운 기능을 비교적 쉽게 추가할 수 있게 되었다. 그 결과, 한국 기업들은 고기능화·다기능화된 제품을 선보이며 세계 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있었다.

8. 신뢰성

임베디드 시스템은 수년 간 오류 없이 지속적으로 작동해야 하는 기계에 주로 사용되며, 오류 발생 시 자체 복구가 가능해야 한다. 따라서 소프트웨어는 개인용 컴퓨터보다 더 신중하게 개발 및 테스트되며, 디스크 드라이브, 스위치, 버튼과 같이 신뢰성이 낮은 기계적인 부품은 사용하지 않는다.

일반적으로 다음과 같은 신뢰성 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제 해결을 위해 다음과 같은 다양한 기법들이 사용된다.

• 워치독 타이머: 소프트웨어가 주기적으로 워치독 하위 시스템에 신호를 보내지 않으면 시스템을 재설정하고 다시 시작한다.
• 신뢰할 수 있는 컴퓨팅 기반(TCB) 아키텍처: 매우 안전하고 안정적인 시스템 환경을 보장한다.^[15]
• 임베디드 시스템용으로 설계된 하이퍼바이저: 각 하위 시스템 구성 요소를 안전하게 캡슐화하여 오류가 다른 하위 시스템으로 전파되는 것을 방지한다.^[16] 오류 감지 시 하위 시스템을 자동으로 종료하고 다시 시작할 수 있다.
• 면역 인식 프로그래밍: 안정적인 임베디드 시스템 코드를 생성하는 데 도움을 준다.^[17][18]
• MISRA C/C++와 같은 지침 및 코딩 규칙: 런타임 오류를 방지하고, 코드 정적 검사 및 모델 검증을 통해 기능적 검증 및 코드 타이밍 특성을 결정하는 데 도움을 준다.^[17]

참조

_[1] 웹사이트 Embedded Systems Glossary http://www.netrino.c[...] 2007-04-21
_[2] 서적 Embedded systems design https://archive.org/[...] Newnes
_[3] 서적 Programming embedded systems: with C and GNU development tools O'Reilly
_[4] 웹사이트 Real men program in C http://www.embedded.[...] TechInsights (United Business Media) 2009-08-01
_[5] 논문 The Surprising Story of the First Microprocessors https://spectrum.iee[...] Institute of Electrical and Electronics Engineers 2016-08-30
_[6] 웹사이트 1971: Microprocessor Integrates CPU Function onto a Single Chip https://www.computer[...] Computer History Museum
_[7] 웹사이트 Electronic Frontier Foundation https://www.eff.org/
_[8] 웹사이트 Embedded Systems Dell OEM Solutions | Dell http://content.dell.[...] 2013-02-06
_[9] 잡지 Under the Hood: Robot Guitar embeds autotuning http://www.embedded.[...] 2008-04-22
_[10] 문서 MicroVGA http://www.microvga.[...]
_[11] 논문 TARDIS ACM 2015
_[12] 논문 Aveksha ACM 2011
_[13] 웹사이트 Tektronix Shakes Up Prototyping, Embedded Instrumentation Boosts Boards to Emulator Status http://www.eejournal[...] Electronic Engineering Journal 2012-10-30
_[14] 논문 Trace Recording for Embedded Systems: Lessons Learned from Five Industrial Projects http://link.springer[...] Springer Berlin Heidelberg 2010
_[15] 논문 Your System is secure? Prove it! http://c59951.r51.cf[...] 2007-12
_[16] 논문 Embedded virtualization for the design of secure IoT applications 2016
_[17] 논문 Development guidelines for dependable real-time embedded systems https://figshare.com[...] 2008-03
_[18] 웹사이트 MISRA C:2012 Third Edition, First Revision https://www.misra.or[...]
_[19] 웹사이트 FAQs: Programmable Controllers https://www.nema.org[...]
_[20] 웹사이트 Working across Multiple Embedded Platforms http://www.clarinox.[...] clarinox
_[21] 웹사이트 組み込みシステム https://www.sophia-i[...]
_[22] 서적 よくわかる組み込みシステムの基本と仕組み
_[23] 서적 よくわかる組み込みシステムの基本と仕組み
_[24] 웹사이트 https://www.viatech.[...]
_[25] 서적 よく分る組み込みシステムの基本と仕組み
_[26] 서적 よく分る組み込みシステムの基本と仕組み
_[27] 서적 よく分る組み込みシステムの基本と仕組み
_[28] 서적 よく分る組み込みシステムの基本と仕組み
_[29] 간행물 2007年版　組込みソフトウエア産業実態調査 経済産業省
_[30] 서적 Programming embedded systems: with C and GNU development tools http://books.google.[...] O'Reilly
_[31] 웹인용 Embedded Systems Glossary http://www.netrino.c[...]
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_[33] 웹인용 Micro controller.com – Embedded Systems supersite http://www.microcont[...]