실리콘랩스는 ‘캡처, 컴퓨팅, 통신’으로 요약되는 철학을 바탕으로 8051 규격을 준수하는 8비트 MCU에 대해 방대한 포트폴리오를 개발했다. 여기서는 8051 기반 MCU에 내장된 통신 인터페이스가 새로운 사물인터넷 애플리케이션의 필요성을 어떻게 충족시키는지 중점적으로 살펴본다.

통신 인터페이스는 일반적으로 M2M(Machine to Machine)과 HMI(Human Machine Interface)의 용도로 나눌 수 있다. M2M 인터페이스는 SPI/I2C/UART 직렬 인터페이스에서 희귀한 맞춤형 직렬 인터페이스와 크리스털리스 USB 및 무선에 이르기까지 다양한 형태로 제공된다.
마이크로컨트롤러(MCU)에서 자주 볼 수 있는 HMI 기능으로는 정전용량 접촉 감지, LCD, 그래픽 드라이버, 제스처 및 근접 감지 등의 인터페이스가 있다. M2M, HMI 기능과 이들을 지원하는 MCU는 사물인터넷(IoT)을 가능하게 하는 연결 디바이스 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다.
M2M 및 HMI 인터페이스를 제공하는 8비트 엔진이 모든 임베디드 시스템 용도에서 최적의 솔루션은 아닐 수도 있다. 특히 컴퓨팅 집약적이며 32비트 코드 크기와 ARM 기반 MCU에 의해 지원되는 대형 플래시 옵션을 필요로 하는 시스템의 경우 더욱 그러하다. 하지만 결정성 동작과 하드 실시간 제어를 필요로 하는 애플리케이션은 이러한 통신 인터페이스와 결합된 고성능 8비트 엔진에서 이득을 볼 수 있다.

 
통신 인터페이스

1. 직렬 인터페이스
대부분의 8051 MCU에는 적어도 하나의 UART와 하나의 I2C 인터페이스, 그리고 SPI 인터페이스가 있다. 실리콘랩스(Silicon Labs)에서 제공하는 것과 같은 8비트 MCU 아키텍처는 이러한 인터페이스를 동시에 사용할 수 있게 하며, I/O 크로스바를 통해 외부 핀에 원활하게 멀티플렉스(mux)할 수 있도록 한다. I/O 크로스바는 우선 순위 크로스바 멀티플렉스를 통해 페리페럴이 핀에 연결되는 메커니즘을 제공한다. 실리콘랩스의 8비트 MCU는 온보드형 2% 정밀 내부 발진기를 통합하고 있어 크리스털 없이 작동할 수 있으며, UART 트래픽을 위해 충분한 정확성을 제공한다.
고속 디바이스에서는 전치 분주기 덕분에 이러한 주변장치가 합당한 속도로 실행될 수 있다. 보다 정교한 버전의 UART는 통합 보드 속도 생성기를 포함하고 있어, 타이머에 대한 리소스 압력을 줄이는 동시에 다양한 보드 속도를 이용할 수 있게 해 준다.

2. 크리스털리스 USB
보다 복잡한 통신 인터페이스 중에는 실리콘랩스에서 개발하고 특허 받은 ‘크리스털리스’ USB가 있다. 이 혁신적인 제품은 간단한 최대 속도 USB 디바이스 인터페이스를 채택했으며, 외부 크리스털이 필요 없기 때문에 다수의 임베디드 시스템 개발자는 이 기능에 대한 BOM(Bill of Materials) 비용을 줄일 수 있다.
크리스털리스 USB 구현의 비밀은 클록 복구 기술에 있다. PLL(Phase-Locked Loop)을 사용한, 완전한 아날로그 솔루션은 누출 유도된 드리프트에 민감하며, 완전한 디지털 솔루션은 출력 지터 및 앨리어싱을 줄이기 위해 빠른 로컬 클록을 필요로 한다. 최적의 솔루션은 디지털 피드백 컨트롤러와 잘라낼 수 있는 아날로그 발진기로 구성된 하이브리드 혼합 신호 방식을 사용한다. 이를 위해서는 로컬 및 레퍼런스 클록 사이의 상대 오류가 증가해서는 안 된다. 또한 완전히 데이터 독립적(즉, 특수 USB 트래픽을 필요로 하지 않음)이며, 기존의 크리스털 기반 솔루션과 비교했을 때 상대적으로 에너지 친화적이라는 이점도 있다.

3. RF 통신
가장 복잡한 8비트 MCU용 통신 인터페이스에는 GHz 이하 대역의 트랜시버, 최대 전송 데이터 속도가 256kbps이고 최대 출력 전력이 20dbm인 초저전력 8051 코어가 통합되어 있을 것이다. GHz 이하 대역 무선 MCU라고 불리는 이 디바이스는, 소스에서 미묘한 아날로그 신호를 감지하여 집계 디바이스나 노드로 무선 전송함으로써 다양한 원격 감지 애플리케이션에 최적의 솔루션을 제공한다.
8비트 무선 MCU의 저에너지 특성 덕분에 IoT 센서 노드 애플리케이션에서 흔히 발견되는 배터리 전력 환경에 적합하다. 이러한 유형의 디바이스는 저전력 처리, 무선 연결 및 원격 감지 기능 덕분에 IoT에 안성맞춤이다.

4. LIN/CAN 인터페이스
두 개의 자동차용 업계 표준 인터페이스, LIN 2.1(마스터/슬레이브) 및 CAN 2.0도 방대한 자동차 애플리케이션을 대상으로 하는 다양한 8비트 디바이스에 구현되었다. 실리콘랩스의 자동차 8비트 MCU에는 CAN 인터페이스가 크리스털 없이 작동하도록 해 주는 ±0.5% 정밀도 발진기가 있다
(모든 전압 및 온도 전체에 걸쳐). 이 기능은 이러한 등급의 디바이스에서 유일한 것이다. 이와 같이 정확하게 조정할 수 있는 발진기가 내장되어 있는 경우, 그 부수적인 효과는 정확한 PWM 에지 배치가 가능하다는 것이다(120ps 단위). 이것은 소형 모터 컨트롤 애플리케이션과 일부 전력 제어 애플리케이션에서 유용한 것으로 검증되었다.

5. 버스 인터페이스
대부분의 고속 8비트 MCU의 경우, 효율적으로 조정 가능한 다수의 버스 인터페이스가 있다. 8051 아키텍처의 특성과 해당 응답 시간을 고려했을 때 외부 핀을 30ns 아래로 회전시킬 수도 있다. 다른 모드에서는 인터럽트 구조가 지연 시간을 일으키기 때문에 빠른 버스 회전이 필요한 조정 인터페이스를 사용하는 것이 실용적이지 않을 수도 있다.

6. HMI(Human Machine Interface)
다양한 8비트 MCU에서 지원되는 HMI 기능에는 저전력 세그먼트-LCD 드라이버, 정전용량 접촉 감지 인터페이스, 제스처 및 근접 감지가 포함된다. 보안 시스템, 스마트 계량기, 조명 제어 시스템 등 다수 연결된 디바이스에 사람과 상호 작용하는 구성 부품이 포함되어 있을 수 있으므로, IoT 애플리케이션은 다양한 HMI 기능을 필요로 한다.

7. 정전용량 접촉
정전용량 접촉 인터페이스는 유리와 플라스틱 아래를 비롯하여 거의 모든 곳에서 사용될 수 있으며, 일반적으로 매우 견고하고 노이즈의 영향을 받지 않는다. 실리콘랩스의 정전용량 접촉 MCU는 마이크로앰프 이하 단위의 웨이크-온-터치 평균 전류와 100 대 1 다이내믹 레인지를 제공한다. 따라서 각 핀 변환 및 감지가 약 40㎲ 만에 이루어지므로, 16개 핀으로 구성된 전체 뱅크를 700㎲ 안에 스캔할 수 있다.
이러한 정전용량 감지 성능 덕분에 활동을 위한 주기적인 고속 스캔은 물론, 전체 전력 소모를 줄이는 장기 절전 간격도 가능하다. 예를 들어 실리콘랩스 정전용량 감지 MCU를 사용한 원격 컨트롤러는 2개의 AA 배터리로 7년간 작동된다. 정전용량 감지 기술은 백색 가전제품, 주방용품, 보안 터치 패널 등에서 볼 수 있는 버튼과 슬라이더에도 적합하다.

8. 세그먼트 LCD
세그먼트 LCD 드라이버는 8비트 MCU에 통합되거나 독립실행형 고정 기능 디바이스로 제공될 수 있다. 독립실행형 디바이스로 사용되는 LCD 컨트롤러는 LCD 솔루션에서 가능한 한 최상의 누출 및 동적 출력 특성을 제공한다.
이 디바이스는 SPI 또는 I2C를 통해 인접 MCU에 연결된다. 전류 소모량이 워낙 적기 때문에 입력 핀으로부터 디바이스를 가동할 수 있으며 VDD 연결이 전혀 필요 없다. 게다가 다이가 매우 작아 패키징된 구성 부품보다는 베어 다이 또는 칩-온-글라스로 사용하는 것이 좋다(그림 1 참조).

그림 1. 독립실행형 LCD 컨트롤러의 예

9. 제스처, 근접 및 주변광
근접 감지는 여러 IoT 엔드 노드는 물론, 인간 제스처 제어 및 감지를 필요로 하는 이동식 의료 제품과 모바일 컴퓨팅 제품에서 많이 사용된다. 실리콘랩스에서는 적외선(IR) 기반 근접 제어는 물론, 주변광 및 자외선(UV) 광 감지를 지원하는 8비트 제품군을 제공하고 있다.
예를 들어 Si114x MCU 제품군은 최대 범위가 50cm인 LED 1∼3개, 다차원 동작 감지, 심박동/맥박 옥시메트리, 뺨 감지 기능을 사용하여 근접한 물체를 감지한다.
이 감지 아키텍처는 직사광선에서 작동하며 최대 128kLux의 광도를 감지할 수 있는 광각 센서를 포함하고 있다. 광각 기술에는 조명 센서 주변의 투명한 창 등 특수한 패키징 기능이 필요하다(근접 감지 MCU의 예는 그림 2 참조).

그림 2. 정교한 혼합 신호 주변장치, 인터페이스 및 드라이브가 통합된 근접 감지 MCU

스택 및 드라이버

물론 이러한 MCU 인터페이스의 경우, 시스템 안에 빠르게 통합되기 위해 스택 및 드라이버가 필요하다. 여기서 언급한 인터페이스(UART, SPI, I2C 등 단순한 것은 제외)는 실리콘랩스에서 무료로 제공하는 드라이버 및 스택을 포함하고 있다. 예를 들어 클리스탈리스 USB를 갖춘 실리콘랩스의 8비트 MCU는 USB 드라이버와 함께 제공된다. 이 드라이버는 호스트 및 디바이스 소프트웨어 솔루션을 제공하는 USBXpress 개발 키트에 포함되어 있다.

MCU 인터페이스와 IoT

오늘날 상호 연결된 IoT 에코시스템은 다양한 인터페이스를 갖춘 IC 디바이스를 선호한다. 여러 가지 기종이 섞인 임베디드 마켓플레이스의 특성 때문에 디바이스가 최대한 많은 ‘변종’과 호환될 수 있어야 하기 때문이다.
상당수의 IoT 애플리케이션은 기본적으로 ‘씬 클라이언트’다. 따라서 플래시 및 온보드 RAM이 제한된 8비트 시스템에 적합하다. 예를 들어 전압/전류를 감지하고, 이를 통해 작동되어 업스트림으로 전달해야 하는 대부분의 센서 애플리케이션은 8비트 시스템에 적합하다. 연결된 홈 애플리케이션에 있는 가스 및 산소 센서, 상용/산업 애플리케이션에서 사용되는 압력 센서 등이 대표적인 예라고 할 수 있다.
간단한 제어 애플리케이션도 32비트 시스템보다는 8비트 시스템에 적합하다. 복잡한 실시간 I/O 조작이 필요한 경우 더욱 그러하다. 구체적으로, 8051 아키텍처는 제어 애플리케이션에서 유용한 동시 논리 연산을 사용하여 빠른 I/O 비트 조작이 가능하도록 한다. 이러한 애플리케이션은 대부분 공간과 전력의 영향을 크게 받는다. 이러한 면에서 봤을 때도 실리콘랩스의 고속 8051 MCU 같은 8비트 디바이스는 강점을 갖고 있다. 다양한 ARM Cortex-M 시리즈 디바이스는 이러한 애플리케이션에 활용될 수 있지만, 시스템 보드 면적과 전력 및 실시간 제한을 고려했을 때 보다 결정적인 실행 모델을 갖춘 8비트 시스템이 가장 낫다고 할 수 있다.

최근의 IoT 연결 디바이스 애플리케이션은 다중 프로토콜 환경에서 복잡한 통신 문제를 해결할 수 있는 다목적 MCU를 필요로 한다. IoT 에코시스템은 너무나 방대하기 때문에 같은 다이에서 MCU 인터페이스와 연결하는 기술이 공존해야 한다. 이러한 점에서 RF 통합은 두 가지 필수 IoT 기능, 초저전력과 무선 통신을 결합하는 데 큰 역할을 담당했다. 높은 아날로그 성능이 추가됨에 따라, 매우 적은 외부 지원 회로만 필요로 하는 무선 센서 노드를 만들 수 있게 되었다.
8비트 MCU가 모든 IoT 연결 디바이스 애플리케이션에 대해 안성맞춤이라고는 할 수 없다. 그러나 소형 패키지, 작은 메모리 공간, 높은 기능 밀도와 결정성, 빠른 응답 속도를 필요로 하는 저비용 애플리케이션에서는 탁월한 선택일 수 있다.
고성능 8051 8비트 아키텍처가 오늘날 사용 가능한 무수한 인터페이스와 결합됨으로써 다양한 IoT 애플리케이션에 대해 최적의 솔루션을 제공할 수 있게 되었다.

Tom David / Silicon Laboratories Inc.