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제5장 8051 마이크로프로세서 - 1강 1. 마이크로프로세서 일반적으로 컴퓨터란 사람이 개입하지 않고 데이터를 처리 할 수 있도록 프로그램될 수 있는 능력과 주어진 데이터를 저장하고 복원할 수 있는 능력을 갖춘 기계로 정의된다. 컴퓨터에서 기계장치는 하드_웨어, 프로그램은 소프트_웨어라고 말한다. 우리는 컴퓨터의 기능적인 측면에서 크게 3부분으로 나누는데 이는 - 중앙처리장치(CPU ; Central Processing Unit) - 메모리(Memory) - 입출력 장치(Input/Output Device) 1-1. 중앙처리장치 마이크로컴퓨터의 경우 마이크로프로세서라고 불리우는 단일 칩 프로세서가 담당한다. 이는 컴퓨터의 두되로서 컴퓨터의 모든 동작을 제어하고 메모리에 정보를 저장하며 입출력 장치를 통해 주변장치와 통신하는 주요 역할을 한다. 최초의 마이크로프로세서는 1971년 인털에서 개발한 4 bit 4004 프로세서로 디지털 시스템 설계에 획기적인 일획을 그었다. 4004에는 16 Pin Dip type 으로 117 x 159 미리의 크기의 단일칩으로 2,250개의 트랜지스터가 집적되어 있다. 1979년에 발표한 인텔의 16 bit CPU 인 8088은 개인용컴퓨터인 IBM_PC XT 에 채택되어 PC 시장을 석권 했고 1982년 버전업 되어 80286으로 향상 되었다. 1980년 중반에 이르러서는 32 bit CPU 인 80386 80486 등이 발표되고 90년대에 들어와 펜티엄, 펜티엄 프로, 펜티엄 Ⅱ, Ⅲ 에 까지 이르렀다. 최초의 4 bit 4004 가 0.5 MHz 의 클럭성능으로 20여년이 지난 지금 무려 64 bit 의 데이터 버스와 현재는 펜티엄 Ⅲ 650 MHz 에 이르는등., 반도체의 역사는 하루가 다르게 놀랍게 변화한 추세이다.  마이크로프로세서에 기초한 디지털 시스템 또는 간단히 마이크로프로세서시스템은 마이크로프로세서를 시스템의 핵심요소로 사용하는 시스템이다. 필요에 따라 외부에 ROM, RAM, 그리고 주변장치를 갖는다. 한편 단일 칩에 이 모든 것을 내장한 프로세서가 있는데 이를 단일 마이크로컴퓨터 또는 마이크로콘트롤러라고 한다.  프로그램의 제어에 의해 마이크로프로세서는 산술 및 논리연산을 수행하고 메모리와 입출력 장치를 제어하기 위하여 제어신호를 생성한다. 프로그램을 구성하는 명령어들은 메모리에 저장되는데, 시스템이 동작하기 시작하면 마이크로프로세서는 명령어를 메모리에서 가져와(Fetch) 해독하고(Decode) 실행하는 (Execute) 일련의 순서를 반복한다. 마이크로프로세서의 프로그램은 메모리에 저장되 있는 2진수의 수열로 구성되며 프로그램의 길이는 사용분야, 시스템 구조,등.,에 따라 달라진다. 프로그램은 0과 1 의 형태로 메모리에 저장되어 있는 기계어로 직접 작성 할 수 있는데 이런류의 프로그램은 크고 복잡한 시스템에선 바람직 하지 못하다. 1-2. 어셈블러 프로그램을 작성하고 번역하는 과정을 기계어 명령을 직접쓰는 대신 ADD, SUB, JMP등의 기호를 사용하여 쉽고 간결하다. 그러나 마이크로프로세서는 기계어 명령으로된 비트패턴방식만을 인식하므로 결국 어셈블러는 기계어로 변환되야 하는 일련의 과정이 필요하다. 어셈블러로 작성된 어셈블러 소스화일은 어셈블러를 통해 중간단계 파일인 오브젝트 파일(Object file) 로 변환된다. 오브젝크 파일은 재배치가 가능하고 다른 오브젝트나 라이브러리등에 연결가능하여 재사용이 가능하다. 링커는 오브젝트와 필요한 라이브러리들을 연결하고 재배치하여 비로소 실행화일을 만든다.  1-3. 컴파일러 시스템 개발자가 Fortran, Basic, C 등과 같은 고급언어로 프로그래밍 할 수 있도록 한다. 컴파일러도 어셈블러와 마찬가지로 기계코드를 생성하고 중간단계화일인 오브젝크 화일을 생성한다.  1-4. 펌웨어 마이크로프로세서가 범용이 아닌 특정분야에서 사용될 때 제어 프로그램(응용 프로그램)이 수정이 끝나고 고정되어 ROM 안에 저장된 형태를 말한다. 이 경우 제어 프로그램을 변경하는 일은 시스템이 제공하는 기능이 변경된 경우 외에는 없다. 이처럼 제어 프로그램이 ROM 에 저장되는 경우외에 계산이나 논리연산을 하는 도중에 발생하는 임시 데이터는 마이크로프로세서의 내부 레지스터 나 외부의 RAM 에 저장된다. 1-5. 마이크로컴퓨터의 구성 마이크로프로세서와 기억장치, 입출력장치가 모여서 마이크로컴퓨터가 된다. 마이크로(Micro)란 말은 각 부품들의 물리적인 크기가 작음을 뜻한다. 또한 프로세서(Processor)란 말은 '처리기' 혹은 중앙처리장치(Central Processor Unit)를 줄인 말이다. 마이크로컴퓨터는 그림과 같이 다음의 세 가지 기본 유니트로 이루어진다  1-5-1. 중앙처리장치(CPU) 이것은 컴퓨터 시스템 전체의 데이터 흐름을 제어한다. 즉 메모리로부터 프로그램의 각 명령을 판독해 그것을 해석하고 어느 데이터에 어떤 처리를 해야 하는가 판단해서 그것을 실행하고, 다음에 실행해야 할 명령을 결정한다. 그림 하단부에 표시하는 바와 같이 CPU는 3가지 주요 부분으로 구성된다. 그것들은 서로 접속되어 있기도 하고, I/O 포트와 메모리에도 데이터 버스에 의해서 접속되어 있다 ◇ CPU(Central Processor Unit)의 구성 ① 레지스터 : 데이터를 보관하는 작은 메모리로, 프로그램의 실행중에 사용되며 고속 액세스가 가능 ② 산술/논리 유니트(ALU : 연산장치) : 가산이나 승산 등의 산술 연산을 행한다. 또한 레지스터 내의 하나 혹은 두개의 값 사이에서 AND 조작과 같은 논리 연산을 행한다. ③ 제어 장치 : 명령을 해석하고 그것을 실행하는데 필요한 컴퓨터 내부의 각 유니트 사이의 데이터의 흐름을 제어한다. 1-5-2. 기억장치(Memory) 마이크로컴퓨터의 특성의 하나로 1회의 조작으로 전송할 수 있는 비트수가 있다. 이 폭은 일반적으로 레지스터에 기억되고 ALU 조작으로 처리되는 1 메모리어의 비트수와 같다. 마이크로컴퓨터에 있어서의 폭은 4, 8, 16, 32 비트 등이 있다. 마이크로컴퓨터의 기능 유니트는 MPU, 메모리, I/O 포트 인터페이스 등 각각의 칩으로 실현할 수도 있고, 하나의 마이크로컴퓨터 칩으로 통합할 수도 있다. ① RAM(Random Access Memory) : 프로그램 실행 중에 CPU가 읽고 쓰는 데이터 혹은 명령을 보관하기 위해 사용된다. ☞ DRAM(Dynamic RAM) : 미소한 콘덴서에 전하를 축적함으로써 정보를 기억한다. 콘덴서가 스스로 방전하므로 일정시간마다 기억 내용을 다시 재생(Refresh)해 주는 재생 회로가 필요하다. 전력소모가 작고 칩당 기억 용량이 매우 크므로 고밀도화를 이룰 수 있으나 임의의 시점에서 리드와 라이트가 불가능하므로 주로 대용량의 기억 장치 구성에 적합하다. ☞ SRAM(Static RAM) : 전원 공급이 유지되는 한 저장 내용을 계속 기억하는 RAM으로 제어가 간단하며 고속이므로 소용량의 기억 장치 구성에 적합하다. 특징으로는, 플립플롭 논리 게이트에 의한 기억 소자로 회로가 복잡하며 기억 밀도가 작고 읽기 쓰기를 고속으로 실행할 수 있다. 또한 DRAM처럼 Refresh 할 필요가 없다. ② ROM(Read Only Memory) : 판독 전용 메모리로 CPU가 판독은 하지만 변경하지 않는 프로그램을 보관하는데 사용된다. 전원을 끊더라도 내용이 남아 있기 때문에 비휘발성 메모리라고 불려진다. ☞ MASK ROM : 공장에서 대량주문으로 미리 쓰여져서 나오는 것으로 한 번 쓰면 지울 수가 없다. ☞ PROM(Programmable ROM) : 제조 단계에서 써넣지 않은 ROM을 생산하여 사용자가 원하는 프로그램을 ROM Writer라는 장치를 이용하여 행렬의 교점에 큰 전류를 흘려주므로서 Fusing시켜 써넣을 수는 있으나 한 번 써넣으면 변경할 수 없다. ☞ EPROM(Erasable PROM) : 여러 번 쓸 수가 있는 것으로 ROM Writer로 라이트가 가능하며, 지울 때는 자외선 Eraser로 지울 수 있다. EPROM은 최종적으로 ROM이나 PROM에 넣는 프로그램의 개발에 사용된다. ☞ EEPROM(Electrically EPROM) : 자외선 대신 전기 신호에 의해 그 내용을 지울 수 있는 ROM 1-5-3. I/O (입출력) 포트 인터페이스장치(Interface Unit)로 마이크로프로세서와 외부의 입출력 장치간의 정보 교환을 하는 역할을 한다. 마이크로프로세서는 입출력 장치로부터의 정보와 입출력 장치의 상태를 받기도 하고 제어신호나 정보를 주기도 한다. |
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