최적화된 8비트 마이크로 컨트롤러로 리소스가 제한된 장치의 설계 간소화

전동 공구, 개인 위생용품, 장난감, 가전제품, 조명 제어 장치 등 전력과 공간이 제한된 장치를 설계하는 경우, 종전까지는 8비트 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)으로도 충분했습니다. 그러나 응용 제품이 발전함에 따라 더 빠른 속도 그리고 더 강력한 주변 장치 옵션과 소프트웨어 개발 도구가 요구됩니다. 16비트 또는 32비트로 마이그레이션하는 것이 도움이 될 수 있으나, 패키지 크기가 커지고 전력이 더 많이 소모되는 경우가 많습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 설계자는 16비트 및 32비트 프로세서의 많은 이점을 8비트에도 적용하는 8051 아키텍처 기반 MCU를 활용할 수 있습니다. 이 방법은 최신 개발 환경을 제공하는 동시에 2mm x 2mm의 작은 패키지로 제공됩니다.

이 기사에서는 8051 아키텍처 그리고 이 아키텍처가 리소스가 제한된 응용 제품에 적합한 이유에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Silicon Labs의 8051 기반 MCU 제품군을 소개하고, 주요 서브 시스템을 설명하며, 각 서브 시스템이 중요한 설계 과제를 해결하는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 하드웨어 및 소프트웨어 지원에 대해 설명합니다.

8051 아키텍처를 사용하는 이유는 무엇인가요?

공간 제약이 심한 응용 제품을 위한 MCU를 선택할 때, 잘 구축된 8051과 같은 8비트 프로세서는 작은 실장 면적, 낮은 전력 소비, 단순한 설계 등 많은 이점을 제공합니다. 그러나 많은 8051 프로세서는 주변 장치가 비교적 단순하므로, 특정한 사용 사례에서는 그 적합성이 제한됩니다. 예를 들어 저해상도 아날로그-디지털 컨버터(ADC)는 의료 장치와 같은 고정밀 응용 제품에는 부적합합니다.

비교적 느린 클록도 문제가 될 수 있습니다. 일반적인 8051 MCU는 8MHz ~ 32MHz의 클록 주파수에서 작동하며, 구형 설계에서는 명령어를 처리하기 위해 여러 클록 사이클이 필요합니다. 이러한 낮은 속도는 정밀한 모터 제어와 같은 실시간 작업을 지원하는 8비트 MCU의 기능을 제한할 수 있습니다.

또한 8051 프로세서를 위한 기존의 소프트웨어 개발 환경은 최신 소프트웨어 개발자의 기대에 미치지 못합니다. 8비트 아키텍처의 내재적 한계와 맞물려, 코딩 프로세스가 느리고 답답하게 진행될 수 있습니다.

기존 8비트 프로세서의 한계로 인해, 개발자가 16비트 또는 32비트 MCU로의 마이그레이션을 고려하게 되는 경우가 있습니다. 이러한 MCU는 충분한 컴퓨팅 성능, 고성능 주변 장치 및 최신 소프트웨어 환경을 제공하지만, 크기도 비교적 더 큽니다. 따라서 공간 제약이 있는 설계에 통합하기가 더 어려워져, 개발이 지연되거나 설계의 크기가 더 커질 수 있습니다.

16비트 및 32비트 MCU와 연계된 코드 크기 및 전력 소비가 증가하면, 최적이 아닌 설계가 될 수도 있습니다. 이러한 단점은, 복잡한 수학적 공식을 필요로 하지 않아 이러한 프로세서의 고급 기능을 활용하지 못하는 많은 응용 제품에서 특히 문제가 됩니다.

프로젝트를 시작할 때는 이러한 절충점의 이상적인 균형을 찾기가 어려울 수 있으며, 설계 도중 프로세서를 교체하면 개발이 지연되거나 제품의 크기 또는 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서, 공간 제약이 있는 많은 설계에서 16비트 및 32비트 프로세서의 많은 장점을 저전력, 소형, 8비트 도메인에도 제공하는 더 뛰어난 성능의 8051 기반 MCU의 이점을 누릴 수 있습니다.

8비트 MCU에 더 뛰어난 기능을 제공하는 EFM8BB50

Silicon Labs는 이러한 고려 사항을 염두에 두고 EFM8BB50 8비트 MCU 제품군을 구축했습니다(그림 1). 이러한 MCU는 향상된 성능, 고급 주변 장치 및 최신 소프트웨어 개발 환경을 제공합니다.

그림 1: EFM8BB50 MCU의 제품 구성도입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

이 MCU의 핵심은 CIP-51 8051 코어로, 성능 향상, 전력 소비 감소, 기능 향상에 최적화된 Silicon Labs의 8051 아키텍처를 구현한 제품입니다. 특히 주목할 만한 부분은 그 성능입니다. EFM8BB50에서 코어는 최대 50MHz의 속도를 달성하며, 명령어의 70%가 1~2 클록 사이클에서 실행됩니다. 이에 따라 MCU가 기존 8비트 프로세서보다 훨씬 더 우수한 성능을 제공하므로, 개발자가 더 복잡한 응용 제품을 설계할 수 있도록 합니다.

이 MCU는 크기가 매우 작다는 점에서도 주목할 만합니다. 이 제품군의 16핀 변형(예: EFM8BB50F16G-A-QFN16)은 2.5mm x 2.5mm의 작은 패키지로 제공됩니다. 12핀 버전(예: EFM8BB50F16G-A-QFN12)은 패키지 크기가 2mm x 2mm로 더욱 작습니다.

EFM8BB50 MCU는 작은 크기에도 불구하고 다음과 같은 우수한 기능을 갖추고 있습니다.

• 정확한 센서 데이터가 필요한 응용 제품에 필수적인 12비트 ADC
• MCU가 외부 부품 없이도 내부 온도 또는 주위 온도를 모니터링할 수 있도록 하는 통합 온도 센서
• 모터 제어 및 LED 조광과 같은 응용 제품에서 가변 출력 제어를 위한 PWM 신호를 생성할 수 있는 펄스 폭 변조(PWM) 기능이 있는 3채널 프로그래밍 가능 카운터 어레이(PCA)
• 모터 드라이버 또는 전력 컨버터와 같은 전력 전자 장치의 추가 제어를 위한 부동 시간 삽입(DTI) 기능이 있는 3채널 PWM 엔진

기타 입력/출력(I/O)에는 다양한 직렬 통신 인터페이스, 8비트 및 16비트 타이머 세트, 구성 가능한 논리 장치 4개가 있습니다. MCU 제품군의 모든 핀은 5V를 지원하며, 디지털 I/O를 유연하게 할당하여 제한된 핀 수를 최대한 활용할 수 있습니다.

고급 전력 관리

EFM8BB50에는 전력 소비를 최적화하고 배터리 수명을 연장하는 여러 에너지 관리 기능이 통합되어 있습니다. 먼저, 주변 장치를 활성 상태로 유지하면서 코어 클록 속도를 낮추는 유휴 모드를 포함한 여러 전력 모드가 있습니다. 또한, 중지 모드는 RAM과 레지스터 내용을 보존하면서 코어와 대부분의 주변 장치를 중지합니다. 일부 주변 장치는 중지 모드에서 코어를 활성화하도록 설정할 수 있어, 주로 저전력 상태를 유지하는 이벤트 중심 응용 제품에 유용합니다.

유연한 클록킹 옵션은 절전에도 도움이 됩니다. 정밀한 내부 발진기를 사용하면, 많은 경우 외부 수정 발진기가 필요하지 않게 되므로 전체 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 또한 이 MCU는 다양한 주변 장치에 대한 클록을 선택적으로 비활성화하는 클록 게이팅을 지원하므로 개발자는 사용하지 않는 주변 장치를 끌 수 있습니다.

주변 장치들 또한 전력 효율을 염두에 두고 설계되었습니다. 특히 구성 가능한 논리 장치(CLU)는 간단한 논리 기능을 독립적으로 수행할 수 있어, 간단한 작업을 위해 코어가 저전력 모드에서 절전 해제되어야 할 필요를 줄여줍니다. 또한 저에너지 UART(LEUART)는 기본 발진기가 비활성화된 전력 모드에서 작동할 수 있으므로, 저전력 상태에서도 직렬 통신이 가능합니다.

직관적인 소프트웨어 개발 지원

개발자는 Silicon Labs의 Simplicity Studio Suite에서 EFM8BB50 제품군용 소프트웨어를 구축할 수 있습니다. 이 환경은 8비트 EFM8BB50, Silicon Labs의 32비트 MCU 및 무선 시스템 온 칩(SoC)에 사용됩니다. 결과적으로 개발자는 더 강력한 프로세서에서 기대 가능한 기능을 갖춘 최신 환경을 이용할 수 있습니다. 예를 들어, 이 제품은 코드의 전력 프로파일링을 실시간으로 제공하는 에너지 프로파일러를 제공합니다(그림 2).

그림 2: Simplicity Studio에는 코드의 전력 프로파일링을 실시간으로 제공하는 에너지 프로파일러가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

이 도구는 업계 표준 코드 편집기, 컴파일러, 디버거, 사용자 인터페이스(UI) 엔진을 갖춘 통합 개발 환경(IDE)을 중심으로 구축되어 최신식 반응형 인터페이스를 개발할 수 있습니다. 이 개발 환경은 디바이스별 웹 및 SDK 리소스는 물론 특수 소프트웨어 및 하드웨어 구성 도구에 대한 액세스도 제공합니다.

Simplicity Studio는 Silicon Labs Secure Vault도 지원합니다. PSA 인증 레벨 3을 획득한 고급 보안 제품군인 Secure Vault를 사용하면, 설계자는 진화하는 사이버 보안 규정에 맞춰 사물 인터넷(IoT) 디바이스를 강화하고 증가하는 사이버 위협으로부터 공격 표면을 보호할 수 있습니다.

평가 키트로 빠르게 시작하기

EFM8BB50 실험에 관심이 있는 개발자는 그림 3에 표시된 BB50-EK2702A Explorer Kit를 고려할 수 있습니다. 이 소형 폼 팩터 키트는 브레드 기판 크기에 맞춰 제작되어, 프로토타입 시스템 및 실험실 하드웨어에 쉽게 부착할 수 있습니다. USB 인터페이스, 온보드 SEGGER J-Link 디버거, LED, 사용자 상호작용을 위한 버튼을 갖추고 있습니다. 이 키트는 Simplicity Studio Suite에서 완벽하게 지원되며 Energy Profiler 유틸리티와 함께 사용할 수 있습니다. 모든 주변 장치에 대한 소프트웨어 예제가 제공되며, 데모에서는 LED, 버튼 및 UART를 연습해 볼 수 있습니다.

그림 3: BB50-EK2702A Explorer Kit입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

이 키트에는 mikroBUS 소켓과 Qwiic 커넥터가 포함되어 있습니다. 개발자는 이 하드웨어 애드온 지원을 통해 다양한 벤더의 기성 보드를 사용하여 응용 제품을 빠르게 만들고 시제품을 제작할 수 있습니다.

보다 폭넓게 시작하려는 개발자는 그림 4에 표시된 BB50-PK5208A Pro Kit를 사용할 수 있습니다. 심층적인 평가 및 테스트를 위해 설계된 이 키트에는 MCU의 다양한 기능을 보여주는 센서와 주변 장치가 포함되어 있습니다.

그림 4: 심층 평가 및 테스트를 위한 BB50-PK5208A Pro Kit입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Pro Kit에는 USB 연결, 초저전력 128 x 128픽셀 메모리 LCD, 8방향 아날로그 조이스틱, LED, 사용자 푸시 버튼이 포함되어 있습니다. 또한 Silicon Labs의 Si7021 상대 습도 및 온도 센서와 USB 및 동전형 전지 배터리 등 다양한 전력 공급원을 갖추고 있습니다.

확장을 위해, 기판에는 20핀, 2.54mm 헤더가 제공됩니다. 또한 I/O 핀에 직접 액세스할 수 있는 브레이크아웃 패드도 제공합니다. Explorer Kit와 마찬가지로 Pro Kit는 에너지 프로파일러를 지원하며, 모든 주변 장치에 대한 소프트웨어 예제가 함께 제공됩니다.

EFM8BB50 디버거 옵션

Silicon Labs는 MCU를 지원하는 여러 디버거를 제공합니다. 범용 디버깅을 위해서는 간단한 10핀 커넥터가 있는 8비트 USB 디버그 어댑터인 DEBUGADPTR1-USB를 제공합니다.

보다 특수한 기능은 SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger에서 제공하며, 위에서 언급한 두 키트에 포함된 Mini Simplicity 인터페이스에 연결됩니다. Simplicity Link는 기본 기능 외에도 개별 신호의 간편한 프로빙을 위한 SEGGER J-Link 디버거, 패킷 추적 인터페이스, 가상 COM 포트, 브레이크아웃 패드 등의 추가 기능을 제공합니다.

결론

EFM8BB50과 같은 최신 8051 MCU는 일반적으로 16비트 및 32비트 장치와 관련된 기능을 8비트 도메인에서도 제공합니다. 또한 빠른 클록 속도, 고성능 주변 장치, 강력한 소프트웨어 개발 환경을 갖추고 있어, 공간과 전력은 제한적이지만 더 높은 성능과 유연성이 요구되는 응용 제품이 증가하고 있는 현재의 상황에 맞는 여러 기능을 제공합니다.