마이크로프로세서는를 크게 활용 분야와 내부 명령어 구조에 따라서 분류해 볼 수 있다.

활용분야에 따른 분류

① 범용 마이크로프로세서

 uP는 전술한 바와 같이 CPU의 기능 대부분을 하나의 반도체 칩에 집적한 것이다. PC에서 사용되고 있는 인텔의 펜티엄(pentium) 프로세서가 대표적인 범용 마이크로 프로세서이다. 마이크로프로세서 한 개만으로는 동작하지 않으며, 외부에 롬, 램 및 주변장치를 장착하기 위한 부가회로가 필요하다. 주변장치를 효율적으로 관리하기 위해 운영체제 (operating system, OS)가 필요하다.

[그림 1] 범용 마이크로프로세서의 예

② 마이크로컨트롤러 (micro-controller, uC)

 주로 기기의 제어 용도로 사용되는 프로세서로서 내부에 롬(ROM), 램(RAM) 및 I/O포트를 내장하여 간단한 외부 회로만으로 동작이 가능하다. 이 밖에도 기기를 제어할 때 많이 사용되는 부가회로들 즉, A/D(analog/digital) 변환기, PWM (pulse width modulation) 발생기, 타이머/카운터(timer/counter) 등을 프로세서 내부에 내장하고 있는 경우도 많다. 대표적인 8비트 uC로서 8051계열, PIC계열 그리고 AVR계열의 디바이스들이 있다.

[그림 2] 여러가지 마이크로콘트롤러

③ DSP (digital signal processor)

 많은 연산이 필요한 영상처리나 복잡한 실시간 제어에 uP를 활용하기 위해서는 그 여러 가지 기능 중에서 빠른 연산 속도가 가장 중요하다. DSP는 다양한 신호 처리 및 고속 연산에 유리하도록 특별히 제작된 프로세서로 하드웨어적으로 부동 소수점 (floating point) 연산기능, MAC (multiplication and accumulation, 덧셈과 곱셈을 한 사이클에 수행) 연산기능, 빠른 외부 메모리 인터페이스 등이 특징이다.

[그림 3] DSP의 예

내부 명령어의 구조에 따른 분류

① CISC (complex instruction set computer) 프로세서

 어떤 필요한 기능을 수행하기 위한 명령어가 프로세서에 지속적으로 추가되어 상대적으로 명령어가 복잡하고 많은 형태이다. 명령어의 길이가 가변적이고 다양한 주소지정 모드 (addressing mode)를 가진다. 현재의 마이크로 프로세서 아키텍쳐들 중에 x86과 m68k 아키텍쳐만이 CISC이다. 추가된 많은 명령어를 잘 활용하면 짧은 프로그램 코드로 빠른 결과를 얻을 수 있지만 프로세서 설계가 복잡해지는 단점이 있다.

② RISC (reduced instruction set computer) 프로세서

 1980년대에 RISC에 대한 연구가 미국의 버클리 대학과 스탠포드 대학에서 굉장히 활발하였고, 버클리 대학의 패터슨 교수가 RISC이라는 용어를 처음으로 만들어 냈다. RISC 프로세서는 CISC 프로세서의 복잡한 명령어들의 집합대신 자주 쓰이는 간단한 명령어들만 남겨두고, 대신 이러한 명령어들이 보다 빨리 수행될 수 있도록 프로세서를 설계한 것이다. 적은 명령어 수와 적은 주소지정 모드(addressing mode)를 가지며 명령어의 길이가 고정적이다. 이전에는 고성능의 워크스테이션에서 주로 사용되었으나 최근에는 간단한 마이크로컨트롤러, DSP 등에도 적용되고 있다.

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 마이크로(micro, 1/1000000)라는 말은 매우 작다는 의미를 내포하며 프로세서는 ‘어떠한 일을 처리하는 장치‘라는 뜻으로서 이 두 단어의 합성이인 마이크로프로세서 (microprocessor, 이후 uP로 표기함)는 단어의 뜻으로만 보면 ’극소형의 처리장치‘정도로 해석될 수 있을 것이다. 좀 더 기술적인 설명은 작은 면적의 실리콘에 복잡한 전자회로를 집적시킨 것으로, 이 전자회로는 미세한 도선으로 연결된 수천 혹은 수백만 개의 콘덴서나 트랜지스터(transistor) 등으로 구성되어 있다.

 인텔이 발표한 최초의 uP는 1971년에 소개된 4004로 2300개의 트랜지스터를 가지고 있었으며 클럭속도는 108KHz이고 4bit 프로세서이다. 이 μP는 간단한 계산을 수행하는 계산기를 만드는데 사용이 되었으나 그 이후에 발전에 발전을 거듭하여 개인용 컴퓨터를 탄생시키는 등 우리의 생활을 광범위하게 바꾸는 계기가 되었다.

 참고로 [그림 1]에 내부회로가 도시된 펜티엄3는 약 9백5십만 개의 트랜지스터를 집적하였음을 보면 마이크로프로세서의 발전 속도를 짐작할 수 있다.

[그림 1] 인텔의 4004 외형 / 인텔 4004 내부 회로 / 펜티엄4의 내부 회로

 일반적으로 uP는 [그림 2]에 도시된 바와 같이 레지스터(register), 산술논리장치 (arithmatic logic unit, ALU), 제어장치, 데이터버스 등의 구조를 가지며 이러한 기능을 가지는 장치들을 하나의 칩에 집적한 것이다.

[그림 2] uP의 구성 요소

레지스터 (register)

 레지스터는 CPU내부의 기억장치이고 ALU에서 수행한 연산의 결과를 임시로 저장하는 역할을 한다. 고속으로 데이터에 접근, 처리가 가능하며 외부메모리는 번지로 구별하는데 반해 레지스터는 이름으로 구별한다. 크게 범용레지스터 (누산기 등)와 특수 목적 레지스터(프로그램 카운터, 명령어 레지스터 등)로 나뉜다.

산술논리장치 (ALU)

 산술 및 논리 연산 수행하는 장치이다. 레지스터에서 피연산자를 받고 연산 결과를 다시 레지스터에 저장한다. 조합논리회로로 구성되어 있다.

제어장치

 CPU 내부의 신호의 흐름를 제어하는 신호를 발생한다.

각종 버스(bus)

 버스(bus)라는 것은 디지털 시스템에서 동일한 기능을 수행하는 신호선들의 집합이다. uP내부에서 하나의 신호선은 두가지 상태(0, 1)만을 가질 수 있다. 이러한 선이 여러개 모이면 다양한 경우의 수가 생겨서 여러 상태나 값을 가지고 전달할 수 있게 된다.

• 데이터(data) 버스 : uP가 내외부의 메모리와 데이터를 주고받는데 사용하는 신호선이다.

• 어드레스(address) 버스 : uP가 내외부의 메모리 번지를 지정하는데 사용하는 신호선이다.

• 신호(signal) 버스 : uP가 수행할 작업의 종류 및 상태를 메모리나 입출력기기에 알려주고, 외부의 요구를 받아들이는 신호선이다.

 참고로 디지털 시스템(digital systme)에서는 전압값을 이용하여 0/1 신호를 구분한다. 신호 0은 0V (혹은 GND라고 표시함) 이고 신호 1은 5V/3.3V/1.8V 등의 전압값이 사용된다. 이러한 2진 신호를 여러 개 묶어서 어떤 정보나 데이터 값을 전달하게 되는 것이다. 2진 신호가 몇 개가 묶였느냐에 따라서 다음과 같이 구분한다.

• 비트 (bit) : 0/1을 표시하는 최소 데이터 단위

• 바이트 (byte) : 8 bits

• 워드 (word) : 2 bytes = 16 bits

• 더블 워드 (double word) : 2 words = 4 bytes = 32 bits

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1장 마이크로프로세서 개요
    1.1 마이크로프로세서란 개요
    1.2 마이크로프로세서 분류
    1.3 디지털 시스템의 메모리 분류 
    1.4 마이크로컨트롤러의 I/O 장치들
    1.5 디지털 신호를 표시하기 위한 2진수와 16진수

2장 AVR 개요
    2.1 AVR 마이크로컨트롤러 개요
    2.2 ATmega8(A) 소개
    2.3 ATmega8(A)의 세부적인 특징
    2.4 ATmega8(A)의 메모리 구조
    2.5 락 비트(lock bit)와 퓨즈 바이트(fuse byte)
    2.6 전원과 리셋(reset) 회로
    2.7 클럭 소스 (clock source)
    2.8 개발 환경 : atmel studio 소개
    2.9 오픈소스 다운로더 USBasp / USBaspLoaser
    2.A AVR툴체인의 자료형
    2.B AVR의 플래시롬에 데이터 읽고 쓰기
    2.C AVR의 EEPROM에 데이터 읽고 쓰기
    2.B 기본적인 라이브러리 함수 요약

3장 포트(port)를 이용한 기초 실험
    3.1 포트 개요
    3.2 LED를 이용한 포트 실험 (Part 1)
    3.3 헤더 파일 "Am8USBasp.h"의 구조
    3.3 LED를 이용한 포트 실험 (Part 2)
    3.5 7세그먼트를 이용한 포트실험 (Part 1)
    3.6 7세그먼트를 이용한 포트실험 (Part 2)

4장 인터럽트(interrupt)
    4.1 인터럽트 개요
    4.2 인터럽트 프로그래밍
    4.3 외부 인터럽트 설정
    4.4 외부 인터럽트와 스위치 실험 1
    4.5

5장 타이머/카운터
    5.1 타이머/카운터 개요와 T/C0 소개
    5.3 T/C0 의 레지스터와 프리스케일러
    5.3 T/C0를 이용한 실험

    5.4 T/C2 (8비트 타이머/카운터) 개요 및 기능
    5.5 T/C2의 레지스터와 프리스케일러
    5.6 T/C2의 정상 모드와 CTC 모드
    5.7 T/C2의 PWM 모드

    5.8 TC1 (16비트 타이머/카운터) 개요 및 기능
    5.9

6장 아날로그-디지털 변환(ADC)
    6.1 ADC 개요
    6.2 ADC 관련 레지스터들
    6.3 ADC 수행 절차
    6.4 CdS 광센서를 이용한 실습 예제
    6.5