UART, I2C, SPI 차이점

임베디드 시스템은 효과적인 데이터 상호 작용을 위해 다양한 프로토콜에 의존합니다. SPI(직렬 주변 장치 인터페이스), I2C(Inter-Integrated Circuit) 및 UART(범용 비동기 수신기/송신기)의 차이점에 대해 알아보겠습니다.

이러한 각 프로토콜은 고유한 목적을 수행하며 고유한 사양과 작동 원칙을 특징으로 합니다. 이러한 프로토콜은 종종 이러한 시스템 내에서 장치 통신의 중추를 형성하기 때문에 전자 설계 또는 임베디드 시스템 개발에 관련된 모든 사람에게 이러한 기술에 대한 이해는 매우 중요합니다.

 

이를 통해 마이크로 컨트롤러와 센서, 메모리 장치 및 디스플레이 모듈과 같은 다양한 주변 장치 간의 상호 작용이 가능하며, 각각 고유한 데이터 전송 요구 사항이 있습니다. 작동 원리, 장점 및 단점을 탐색하여 특정 사용 사례에 가장 적합한 프로토콜을 선택할 때 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

 

1. SPI(Serial Peripheral Interface)란?

SPI는 주로 임베디드 시스템에서 단거리 통신에 사용되는 동기식 직렬 통신 인터페이스 사양입니다. 마스터 장치와 하나 이상의 슬레이브 장치 간의 전이중 통신을 용이하게 합니다. 이 인터페이스는 단순성과 효율성으로 유명하여 많은 임베디드 시스템 설계자가 관심을 갖고 있습니다.

 

SPI는 MOSI(Master Out Slave In), MISO(Master In Slave Out), SCLK(Serial Clock) 및 SS(Slave Select)의 네 가지 기본 라인을 기반으로 합니다. MOSI 라인은 마스터 디바이스에서 슬레이브 디바이스로 데이터를 전송하고, MISO 라인은 반대 방향으로 데이터를 전송합니다. 마스터에 의해 제어되는 SCLK 라인은 통신 속도를 조절하고, SS 라인은 마스터가 통신하려는 슬레이브 장치를 선택하는 데 사용됩니다.

 

1) 개요

SPI 프로토콜은 1980년대 중반 모토로라에서 개발했으며, SPI는 마이크로 컨트롤러와 주변 장치 간의 간단하고 효율적인 데이터 교환 수단을 제공하도록 설계되었습니다.

SPI 통신의 핵심은 마스터와 살브 간의 데이터 이동에 의존하여 전이중 통신을 가능하게 합니다. 각 전송은 통신을 시작하고 제어하는 마스터 장치와 마스터에 응답하는 슬레이브 장치라는 두 개 이상의 장치로 구성됩니다.

 

일반적인 SPI 전송에서 마스터는 SCLK 라인에서 클록 신호를 생성하고 SS 라인을 저전압 레벨로 설정하여 슬레이브 장치를 선택합니다. 그러면 마스터와 슬레이브가 동시에 데이터를 교환하여 마스터는 MOSI 라인의 슬레이브에 데이터를 전송하고 슬레이브는 MISO 라인의 마스터에 데이터를 전송합니다. 전송은 필요한 만큼의 클럭 사이클 동안 계속되며, 마스터는 선택한 슬레이브의 SS 라인을 고전압 레벨로 되돌려 통신을 종료합니다.

 

마스터는 클록 신호와 SS 라인을 제어하여 통신 속도를 지시하고 상호 작용할 장치를 선택할 수 있으므로 SPI는 본질적으로 유연하고 효율적인 데이터 교환 수단이 됩니다. 그러나 내장된 오류 검사 메커니즘의 부족과 각 슬레이브 장치에 대한 전용 SS 라인의 필요성은 시스템 설계자가 고려해야 하는 SPI의 한계 중 하나라는 점에 주목할 가치가 있습니다.

 

 

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2) SPI 통신 프로토콜

 

 

 

SPI 통신 프로토콜은 데이터 전송이 공유 클록 신호에 연결되는 동기식 데이터 교환을 중심으로 이루어집니다. 마스터는 SCLK 라인에서 클록 신호를 생성하여 동기화된 데이터 송수신을 보장합니다. MOSI 및 MISO 라인에서 각각 데이터가 안팎으로 이동되어 동시 전이중 통신이 가능합니다.

 

통신을 시작하기 위해 마스터 장치는 SS 라인을 낮게 구동하여 슬레이브를 선택합니다. 그런 다음 마스터는 MOSI 라인의 슬레이브로 데이터를 보내는 동시에 MISO 라인의 슬레이브에서 데이터를 수신합니다. 이 프로세스는 필요한 만큼의 클록 사이클 동안 계속되며, 마스터는 선택한 슬레이브의 SS 라인을 고전압 레벨로 되돌려 통신을 종료합니다.

 

SPI 통신 속도는 사용된 클록 주파수에 따라 다릅니다. 예를 들어, 4MHz의 클럭 주파수는 4Mbps의 최대 데이터 속도를 허용합니다. 이러한 높은 데이터 전송 속도 덕분에 SPI는 빠르고 효율적인 데이터 교환이 필요한 애플리케이션에 탁월한 선택입니다.

SPI 시스템의 각 슬레이브 장치에는 마스터의 전용 SS 라인이 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 사용 가능한 GPIO 핀 수가 제한된 리소스 제한 환경에서는 이 제한을 고려해야 합니다.

 

또 다른 고려 사항은 SPI에 내장된 오류 검사 메커니즘이 없다는 것입니다. 따라서 데이터 무결성을 보장하기 위해 소프트웨어 수준에서 추가 오류 검사 및 처리 절차를 구현해야 할 수 있습니다.

 

 

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3) SPI의 장점과 단점

SPI의 장점과 단점을 이해하는 것은 다양한 응용 분야에 대한 적합성을 평가할 때 매우 중요합니다.

 

고려해야 할 핵심 사항은 다음과 같습니다.

 

3.1) SPI의 장점:

SPI 임베디드 시스템의 통신에 널리 사용되는 몇 가지 장점이 있습니다.

• 고속 데이터 전송: 동기식 통신 메커니즘을 갖춘 SPI는 빠르고 효율적인 데이터 전송을 가능하게 하므로 고속 통신이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다. UART 및 I2C와 같은 다른 직렬 통신 프로토콜에 비해 SPI는 훨씬 더 높은 데이터 전송 속도를 제공합니다. 예를 들어, 클럭 주파수가 10MHz이고 전송당 8비트인 경우 달성할 수 있는 최대 데이터 속도는 10Mbps입니다. 이를 통해 마스터 장치와 슬레이브 장치 간에 데이터를 빠르게 교환할 수 있어 전체 시스템 성능이 향상됩니다.
• 전이중 통신: SPI의 주요 장점 중 하나는 데이터의 동시 송수신을 지원할 수 있다는 것입니다. 마스터가 MOSI(Master Out Slave In) 라인의 슬레이브로 데이터를 전송하는 동안 동일한 클록 주기 동안 MISO(Master In Slave Out) 라인의 슬레이브로부터 데이터를 수신할 수 있습니다. 이 전이중 기능은 센서 인터페이스 또는 데이터 수집 시스템과 같이 실시간 양방향 데이터 교환이 중요한 어플리케이션에서 특히 유용합니다.
• 다목적성 및 구현 용이성: SPI의 단순성과 유연성 덕분에 다양한 임베디드 시스템에서 비교적 쉽게 구현할 수 있습니다. 인터페이스는 마이크로 컨트롤러의 전용 하드웨어 모듈을 사용하여 통합하거나 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 소프트웨어로 구현할 수 있습니다. 간단한 설계와 잘 정의된 통신 프로토콜은 개발 프로세스를 단순화하여 시간과 노력을 줄여줍니다. 또한 많은 마이크로 컨트롤러는 내장형 SPI 주변 장치를 제공하므로 추가 외부 부품이 필요하지 않습니다.
• 임의의 데이터 크기: SPI는 전송되는 데이터의 크기에 제한을 두지 않습니다. 마스터는 원하는 만큼 데이터를 계속 이동할 수 있으므로 임의의 길이의 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 기능은 메모리 또는 디스플레이 인터페이스와 같이 많은 양의 데이터를 전송해야 하는 시나리오에서 특히 유용합니다. 또한 SPI는 8비트, 16비트 또는 맞춤형 정의 데이터 형식을 비롯한 다양한 데이터 형식을 지원하여 다양한 데이터 요구 사항을 수용할 수 있는 유연성을 제공합니다.
• 여러 슬레이브 장치 지원: SPI를 사용하면 동일한 버스에서 하나의 마스터 장치와 여러 슬레이브 장치 간의 통신이 가능합니다. 각 슬레이브 장치에는 전용 슬레이브 선택(SS) 라인이 할당되며, 마스터는 이를 제어하여 통신을 위해 원하는 슬레이브를 선택할 수 있습니다. 이를 통해 시스템은 단일 SPI 버스를 사용하여 센서, 액추에이터 또는 메모리 칩과 같은 여러 주변 장치와 상호 작용할 수 있으므로 시스템 설계를 간소화하고 필요한 통신 인터페이스 수를 줄일 수 있습니다.

 

3.2) SPI의 단점

장점에도 불구하고 SPI에는 고려해야 할 몇 가지 제한 사항과 고려 사항도 있습니다.

• 내장 오류 검사 부족 : SPI의 주목할 만한 단점 중 하나는 오류 검사 메커니즘이 내장되어 있지 않다는 것입니다. 고속 통신은 상당한 장점이지만 신호 노이즈, 클록 지터 또는 전압 스파이크와 같은 요인으로 인해 잠재적인 데이터 오류가 발생할 여지도 있습니다. 데이터 무결성이 중요한 시스템에서는 소프트웨어 수준에서 추가 오류 검사 및 처리 절차를 구현해야 할 수 있습니다. 여기에는 체크섬, CRC(Cyclic Redundancy Check) 또는 패킷 승인 메커니즘과 같은 기술이 포함될 수 있어 안정적인 데이터 전송을 보장할 수 있습니다.
• 제한된 확장성: SPI 버스에서 장치 수가 증가함에 따라 각 슬레이브 장치에는 마스터의 전용 SS 라인이 필요하기 때문에 필요한 슬레이브 선택(SS) 라인의 수도 증가합니다. 이렇게 하면 리소스가 제한된 환경에서 사용 가능한 GPIO(범용 입력/출력) 핀 수가 빠르게 소진될 수 있습니다. 또한 장치 수가 많을수록 전력 소비와 버스 복잡성이 증가할 수 있습니다. 따라서 SPI 기반 시스템을 설계할 때 슬레이브 장치의 수와 사용 가능한 리소스를 신중하게 고려해야 합니다.
• 장거리 통신에 적합하지 않음: SPI는 임베디드 시스템 내의 단거리 통신에는 탁월하지만 장거리 통신에는 적합하지 않습니다. 속도가 증가하고 거리가 멀어질수록 SPI는 신호 저하, 전자기 간섭 및 타이밍 문제와 같은 문제에 더 취약해집니다. 장거리 통신의 경우 RS-485 또는 CAN과 같이 이러한 문제를 극복하도록 특별히 설계된 느리지만 더 강력한 프로토콜이 선호되는 경우가 많습니다.
• 전력 소비: 전력 효율이 중요한 응용 분야에서는 SPI가 최적의 선택이 아닐 수 있습니다. I2C와 같은 다른 통신 프로토콜과 달리 SPI는 일반적으로 동기식 특성과 각 슬레이브 장치에 대한 추가 SS 라인이 필요하기 때문에 더 많은 전력이 필요합니다. 이는 배터리로 작동되는 장치 또는 전력 소비를 최소화하는 것이 최우선 과제인 응용 제품에서 문제가 될 수 있습니다. 이러한 제한을 완화하기 위해 사용하지 않을 때 슬레이브 장치를 선택적으로 활성화 또는 비활성화하는 등 신중한 전원 관리 기술을 사용해야 합니다.

 

 

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2. I2C(Inter-Integrated Circuit)란?

I2C(Inter-Integrated Circuit)는 1980년대 초 Philips Semiconductor(현재 NXP Semiconductors)에서 처음 개발한 동기식 직렬 통신 프로토콜입니다. 동일한 회로 기판의 서로 다른 구성 요소 간의 단거리 기판 내 통신을 위해 특별히 설계되어 정보 교환이 가능합니다. I2C는 동기화를 위해 클록 신호를 활용하고 단일 통신 설정에서 여러 마스터와 슬레이브가 공존할 수 있는 고유한 기능을 제공하여 유연하고 복잡한 아키텍처를 가능하게 합니다. 이 프로토콜은 직렬 데이터 라인(SDA) 및 직렬 클록 라인(SCL)으로 알려진 두 개의 양방향 오픈 드레인 라인을 사용하며, 이 라인은 저항으로 풀업되어 I2C 버스의 모든 장치에서 사용됩니다. 버스의 장치는 발신자(마스터) 또는 수신기(슬레이브) 역할을 할 수 있습니다.

 

1) 개요

I2C 프로토콜은 1980년대에 필립스 세미컨덕터(Philips Semiconductor)에서 간단한 기판 내 통신 솔루션으로 개발되었으며, 단순성과 효율성으로 인해 널리 채택되었습니다. I2C는 Inter-Integrated Circuit의 약자로, 동일한 기판에 있는 서로 다른 집적 회로(IC) 간의 통신을 용이하게 하는 목적을 강조합니다.

 

I2C 통신의 기본 원칙은 "마스터"와 "슬레이브"의 개념을 중심으로 이루어집니다. 마스터 장치는 클록 신호를 제공하고 전체 전송 프로세스를 제어하여 통신을 시작하고, 슬레이브 장치는 마스터의 요청에 응답하고 데이터 교환에 참여합니다.

I2C의 주목할 만한 측면 중 하나는 주소 지정 시스템으로, I2C 버스에 연결된 각 장치에는 마스터가 통신하는 데 사용하는 고유한 주소가 있습니다. 이 주소 지정 체계를 통해 여러 장치가 충돌 없이 버스에 공존할 수 있으므로 효율적이고 안정적인 통신이 가능합니다.

 

I2C 통신은 직렬 데이터 라인(SDA)과 직렬 클록 라인(SCL)의 두 와이어를 통해 발생합니다. SDA 라인은 데이터 전송을 담당하고 SCL 라인은 데이터 전송을 동기화하는 클럭 신호를 제공합니다. 이 설정은 연결 프로세스를 단순화하고 데이터의 동시 전송 및 수신을 가능하게 합니다. I2C의 데이터 전송은 비트 지향적이며 각 바이트는 8개의 데이터 비트로 구성됩니다.

다중 마스터 프로토콜인 I2C를 사용하면 여러 마스터를 버스에 연결할 수 있습니다.

 

이러한 유연성 덕분에 모든 마스터가 통신을 시작할 수 있으므로 복잡한 시스템에 적합한 프로토콜을 만들 수 있습니다. 또한 I2C는 버스 중재 및 충돌 감지 메커니즘을 통합하여 여러 마스터가 동시에 버스를 제어하려고 할 때 질서 있는 통신을 보장합니다. 이러한 견고성은 통신 프로토콜로서 I2C의 다양성과 신뢰성에 기여합니다.

 

2) I2C 통신 프로토콜

 

 

 

I2C 통신 프로토콜은 하나 이상의 마스터 장치가 하나 이상의 슬레이브 장치를 제어하는 마스터-슬레이브 구성을 따릅니다. 마스터 장치는 클록 신호를 제공하고 통신을 시작하는 반면, 슬레이브 장치는 마스터의 요청에 응답하고 데이터 교환에 참여합니다. I2C의 통신은 양방향이므로 마스터와 슬레이브 모두 데이터를 송수신할 수 있습니다.

 

I2C의 두드러진 특징은 직렬 데이터 라인(SDA)과 직렬 클록 라인(SCL)으로 구성된 2선 인터페이스입니다. SDA 라인은 데이터 전송을 담당하고 SCL 라인은 클럭 신호를 제공하여 장치 간의 동기화를 보장합니다. 두 선 모두 양방향이므로 데이터가 양방향으로 흐를 수 있습니다. 이 제품은 오픈 드레인이므로 장치가 논리 '0'을 나타내기 위해 라인을 로우(0V)로 풀링하거나 논리 '1'에 대해 하이(지정된 전압, 최대 3.3V 또는 5V)로 부동할 수 있습니다. 풀업 저항은 어떤 장치도 적극적으로 로우로 풀링하지 않을 때 라인이 하이 상태로 돌아가도록 하는 데 필요합니다.

 

I2C 트랜잭션에서 마스터는 SCL 라인이 높을 때 SDA 라인을 낮게 끌어오는 START 조건을 만들어 프로세스를 시작합니다. 이 신호는 버스의 모든 장치에 전송이 시작됨을 경고합니다. 그런 다음 마스터는 통신하려는 슬레이브 장치의 7비트 또는 10비트 주소를 슬레이브에 쓸 것인지(0) 또는 슬레이브에서 읽을 것인지(1)를 나타내는 비트와 함께 보냅니다.

 

주소를 수신하면 주소 지정된 슬레이브는 다음 클럭 펄스 동안 SDA 라인을 로우로 당겨 수신을 확인합니다. 마스터가 이 승인을 받으면 데이터 전송 또는 수신을 진행할 수 있습니다. 데이터의 각 바이트 뒤에는 승인 비트가 옵니다. 마스터가 데이터 송수신을 완료하면 SCL 라인이 하이로 유지되는 동안 SDA 라인을 해제하여 하이로 전환하는 STOP 조건을 생성합니다.

버스의 무결성을 유지하기 위해 I2C 프로토콜은 오류 검사 조치를 통합합니다. 여기에는 승인 비트의 사용과 멀티 마스터 시스템의 중재 및 충돌 감지 메커니즘이 포함됩니다. 이러한 기능은 여러 마스터가 버스를 제어하기 위해 경쟁하는 경우에도 원활하고 안정적인 통신을 보장합니다.

 

I2C는 다양한 애플리케이션 요구 사항을 수용하기 위해 다양한 속도 모드를 지원합니다. 표준 I2C 디바이스는 일반적으로 초당 최대 100K비트의 데이터 속도를 지원합니다. 고속 모드 장치는 이를 초당 400K 비트로 확장하는 반면, 고속 장치는 초당 최대 3.4Mbit의 데이터 속도를 달성할 수 있습니다. 이러한 다양한 속도 모드를 통해 I2C는 더 느린 저전력 구성 요소에서 더 빠르고 복잡한 장치에 이르기까지 광범위한 장치를 수용할 수 있습니다.

 

 

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3) I2C의 장점과 단점

3.1) I2C의 장점

• 단순성 및 전선 효율성: I2C는 버스의 장치 수에 관계없이 SDA(직렬 데이터 라인) 및 SCL(직렬 클록 라인)의 두 가지 와이어만 사용하여 간단하고 효율적인 통신 솔루션을 제공합니다. 이러한 단순성은 회로 설계의 복잡성을 줄이고 PCB(인쇄 회로 기판)의 커넥터 및 트레이스 수를 최소화하며 비용 절감 및 컴팩트한 시스템 설계를 가능하게 합니다.
• 다중 마스터 및 다중 슬레이브 구성: I2C는 멀티 마스터 및 멀티 슬레이브 구성을 지원하므로 여러 마스터 장치가 동일한 버스에서 여러 슬레이브 장치와 통신할 수 있습니다. 이러한 유연성은 여러 마이크로 컨트롤러, 센서 및 기타 주변 장치가 데이터를 원활하게 교환할 수 있는 분산 처리 아키텍처를 구현할 수 있도록 합니다. 복잡한 임베디드 시스템 내에서 병렬 통신 채널과 실시간 데이터 교환을 용이하게 합니다.
• 주소 지정 체계: I2C는 내장된 주소 지정 체계를 통합하여 장치 선택을 위한 추가 배선 없이 마스터와 지정된 슬레이브 장치 간의 직접 통신을 가능하게 합니다. 각 I2C 장치에는 일반적으로 7비트 또는 10비트 길이의 고유한 주소가 있어 효율적인 데이터 라우팅이 가능하고 수동 구성 또는 외부 디코딩 로직이 필요하지 않습니다. 주소 지정 체계는 단일 버스에서 최대 128개(7비트 주소 지정) 또는 1024개(10비트 주소 지정) 장치를 지원합니다.
• 속도 모드: I2C는 다양한 장치 및 애플리케이션을 수용할 수 있도록 다양한 속도 모드를 지원합니다. 표준 모드(초당 최대 100K 비트)는 느린 주변 장치 및 저전력 구성 요소에 적합합니다. 고속 모드(초당 최대 400K 비트)는 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 하므로 중간 속도 장치에 적합합니다. 고속 모드(초당 최대 3.4Mbit)는 장치 간의 빠른 데이터 교환이 필요한 고성능 애플리케이션을 지원합니다. 적절한 속도 모드의 선택은 시스템의 특정 요구 사항에 따라 다릅니다.
• 동기식 통신: I2C는 동기식 통신 프로토콜로, 클록 신호에 의존하여 장치 간 데이터 전송을 동기화합니다. 마스터 장치는 클록 신호를 생성하여 정확한 타이밍 조정을 보장합니다. 이 동기화는 데이터 무결성이 가장 중요한 응용 분야에서 중요한 신뢰할 수 있고 정확한 데이터 전송을 가능하게 합니다. I2C의 동기식 특성은 통신 인터페이스의 설계를 간소화하고 오류 감지 및 수정을 용이하게 합니다.

 

3.2) I2C의 단점

• 거리 제한: I2C는 주로 단일 회로 기판 내 또는 밀접하게 위치한 구성 요소 간의 단거리 통신을 위해 설계되었습니다. 버스의 커패시턴스와 풀업 저항의 저항은 달성 가능한 최대 통신 거리를 제한합니다. SDA 및 SCL 라인의 길이가 길어질수록 총 커패시턴스가 증가하여 상승 시간이 느려지고 신호 저하가 발생할 수 있습니다. 장거리 통신의 경우 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 또는 SPI(Serial Peripheral Interface)와 같은 다른 프로토콜이 더 적합할 수 있습니다.
• 속도 제한: I2C는 다양한 속도 모드를 지원하지만 고속 모드(초당 최대 3.4Mbits)는 SPI와 같은 다른 프로토콜의 데이터 전송 속도와 일치하지 않을 수 있습니다. 초고속 통신이 필요한 애플리케이션은 더 빠른 데이터 속도를 제공하는 대체 프로토콜의 이점을 누릴 수 있습니다. 그러나 통신 프로토콜을 선택할 때 속도, 복잡성 및 시스템 요구 사항 간의 장단점을 고려하는 것이 중요합니다.
• 풀업 저항기: I2C는 SDA 및 SCL 라인에 연결된 풀업 저항을 사용해야 합니다. 이 저항은 버스에서 디폴트의 높은 로직 레벨을 유지합니다. 적절한 저항 값을 선택하는 것은 신뢰할 수 있는 신호 레벨과 적절한 버스 작동을 보장하는 데 매우 중요합니다. 저항 값이 부족하거나 과도하면 신호 무결성에 영향을 미치고 통신 오류가 발생할 수 있습니다. 풀업 저항 값의 계산은 버스 커패시턴스, 원하는 상승 시간 및 전원 공급 장치 전압과 같은 요인에 따라 달라집니다.
• 주소 지정 제한: I2C 프로토콜은 일반적으로 7비트 또는 10비트 길이의 제한된 수의 고유 주소를 지원하므로 단일 버스에 연결할 수 있는 최대 장치 수가 제한됩니다. 장치 수가 많은 시나리오에서는 주소 지정 충돌이 발생할 수 있으며, 제한을 극복하기 위해 주소 멀티플렉싱 또는 프로토콜 변환기와 같은 추가 조치가 필요할 수 있습니다. 장치 주소 지정 체계에 대한 신중한 계획과 고려는 충돌을 피하고 성공적인 통신을 보장하는 데 필수적입니다.
• 시계 스트레칭: I2C를 사용하면 슬레이브 장치가 클록 스트레칭이라는 메커니즘을 통해 데이터 전송 중에 마스터의 클록 신호를 늦출 수 있습니다. 클럭 스트레칭은 동기화를 보장하고 데이터 손실을 방지하지만, 타이밍 지연을 유발하여 특히 시간이 중요한 애플리케이션에서 전체 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 클록 스트레칭을 적절하게 처리하고 시스템 타이밍에 미치는 영향을 이해하는 것은 안정적인 I2C 통신에 중요합니다. 

 

 

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3. UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)란?

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter의 약자인 UART는 비동기 직렬 통신에 광범위하게 사용되는 기본 하드웨어 통신 프로토콜입니다. 마이크로 컨트롤러와 주변 장치 간의 중요한 인터페이스 역할을 하여 직렬 전송을 통한 데이터 교환을 용이하게 합니다.

기본적으로 UART는 프로세서의 데이터 바이트를 연속 데이터 비트 스트림으로 변환한 다음 단일 통신 회선을 통해 직렬로 전송합니다. 마찬가지로 들어오는 데이터는 수신 장치에서 처리하기 위해 역순으로 변환됩니다. 동기식 통신 프로토콜과 달리 UART는 데이터 동기화를 위해 공유 클록 신호에 의존하지 않습니다.

 

UART를 통해 전송되는 각 데이터 워드는 다양한 구성 요소로 구성됩니다. 데이터 프레임의 시작을 나타내는 시작 비트로 시작합니다. 데이터 비트는 시작 비트를 따르며 전송되는 실제 정보를 나타냅니다. 오류 감지를 위해 선택적 패리티 비트를 포함할 수 있으므로 수신기가 전송 오류를 식별하고 수정할 수 있습니다. 마지막으로, 하나 또는 두 개의 정지 비트는 데이터 프레임의 끝을 표시하여 다음 프레임의 전송 전에 필요한 시간 간격을 제공합니다.

 

UART는 임베디드 시스템의 유비쿼터스이며 산업 자동화, 전기 통신, 자동차 전자 장치 및 소비자 가전과 같은 다양한 분야에서 응용 프로그램을 찾습니다. 마이크로 컨트롤러와 센서, 디스플레이, 메모리 모듈 및 무선 트랜시버와 같은 주변 장치 간의 통신을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

1) 개요

UART 기술의 기원은 1960년대에 독립형 UART 칩이 개발된 컴퓨팅 초창기로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 집적 회로가 발전함에 따라 UART 기능이 마이크로 컨트롤러와 마이크로 프로세서에 통합되어 보다 컴팩트하고 효율적인 구현이 가능해졌습니다.

 

UART는 두 시프트 레지스터, 즉 TSR(Transmit Shift Register)과 RSR(Receive Shift Register) 간의 상호 작용을 기반으로 작동합니다. 이 프로세스는 프로세서가 데이터 바이트를 THR(Transmit Holding Register)에 기록하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 데이터는 TSR(Transmit Shift Register)로 전송되어 직렬화를 거쳐 시작, 데이터, 패리티 및 정지 비트로 구성된 순차적 비트 스트림으로 변환됩니다.

 

직렬화된 데이터는 전송 속도 생성기에 의해 결정된 속도로 TXD(Transmit Data) 라인을 통해 비트 단위로 전송됩니다. 프로그래밍 가능한 클록 소스에 의해 구동되는 Baud Rate Generator는 일반적으로 전송 속도라고 하는 데이터 전송 속도를 설정합니다. 수신 끝에서 UART 디바이스는 RXD(데이터 수신) 라인에서 들어오는 비트를 캡처하고, RSR(수신 시프트 레지스터) 내에서 역직렬화를 수행하고, 프로세서의 후속 처리를 위해 RBR(수신 버퍼 레지스터)에 데이터 바이트를 저장합니다.

 

UART의 하드웨어 구현은 효율적이고 자율적인 데이터 전송을 가능하게 하여 프로세서가 낮은 수준의 통신 작업을 처리해야 하는 부담을 덜어줍니다. UART 통신의 이러한 비동기 특성을 통해 프로세서는 더 높은 수준의 기능을 실행하는 데 집중할 수 있으며 시스템의 전반적인 성능과 응답성을 향상시킬 수 있습니다.

 

2) UART 통신 프로토콜

 

 

 

UART 통신 프로토콜은 전송(TX) 회선과 수신(RX) 회선의 두 전용 회선을 통해 데이터를 송수신하는 것이 특징입니다. 공유 클록 신호에 의존하는 동기식 통신 프로토콜과 달리 UART는 통신을 시작하기 전에 두 통신 장치가 전송 속도에 동의해야 하는 비동기 모드에서 작동합니다.

 

UART 데이터 프레임은 여러 구성 요소로 구성됩니다. 항상 로직 로우(0)로 설정되고 데이터 프레임의 시작을 나타내는 신호 메커니즘 역할을 하는 시작 비트로 시작합니다. 시작 비트 다음에 실제 데이터 비트는 구성에 따라 5비트에서 9비트 범위의 순차적으로 전송됩니다. 선택적 패리티 비트는 오류 감지 및 수정을 위해 포함될 수 있습니다. 패리티 비트를 사용하면 수신기가 패리티 오류를 확인하여 수신된 데이터의 무결성을 확인할 수 있습니다.

 

데이터 비트 다음에는 하나 또는 두 개의 정지 비트가 데이터 프레임의 끝을 표시합니다. 이러한 정지 비트는 항상 로직 하이(1)로 설정되며 연속적인 데이터 프레임 사이에 시간 간격을 제공하여 송신기와 수신기 간의 적절한 동기화를 보장합니다.

데이터 전송 중에 UART 송신기는 전송 라인을 유휴 상태(로직 하이)에서 시작 비트(로직 로우)로 당겨 데이터 프레임의 시작을 나타냅니다. 그런 다음 수신기는 합의된 전송 속도로 후속 비트를 읽습니다. 데이터 비트를 수신하면 수신기는 로직 하이로 설정된 정지 비트를 만날 것으로 예상합니다. 수신된 비트가 높지 않으면 전송 오류를 나타냅니다.

 

UART 통신의 두드러진 특징 중 하나는 데이터의 동시 송수신이 가능한 전이중 특성입니다. 이는 별도의 송신 및 수신 라인을 통해 달성되어 양방향 데이터 흐름을 허용합니다. 또한 UART 통신 프로토콜은 장치 간 통신을 지원하므로 마스터-슬레이브 구성이 필요하지 않으며 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

단순성, 다용성 및 광범위한 채택을 통해 UART는 임베디드 시스템 분야에서 중요한 통신 프로토콜로 남아 있으며 마이크로 컨트롤러와 주변 장치 간의 원활한 데이터 교환을 가능하게 하는 데 중추적인 역할을 합니다.

 

 

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3) UART의 장점과 단점

3.1) UART의 장점

• 간단하고 쉬운 구현: UART 통신은 구현이 간단하며 완전한 이중 데이터 전송(TX 및 RX 라인)을 위해 두 개의 와이어만 필요합니다. 이러한 단순성으로 인해 시스템 설정이 간단하고 비용 효율적이며, 특히 리소스가 제한된 임베디드 시스템에서 더욱 그렇습니다.
• 전이중 통신: UART는 동시 데이터 수신 및 전송이 가능하여 통신 회선을 효율적으로 활용할 수 있습니다. 두 장치 모두 명시적인 핸드셰이킹 없이 독립적으로 데이터를 보내고 받을 수 있습니다.
• 독립적 인 작동 : 클록 신호가 없기 때문에 배선이 간소화되고 장치가 독립적으로 작동하여 동기화 문제가 최소화됩니다. 각 장치는 내부 클록을 기반으로 작동하므로 UART는 장치가 서로 다른 클록 소스를 갖거나 클록 동기화가 어려운 애플리케이션에 매우 적합합니다.
• 더 긴 데이터 프레임 지원: UART는 5-9 데이터 비트의 데이터 프레임을 지원하여 특정 애플리케이션에서 다양한 데이터 크기를 수용할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이 기능은 비표준 데이터 형식을 처리하거나 데이터 표현에 더 많은 비트가 필요한 경우에 특히 유용합니다.
• 지점 간 통신: UART는 마스터 또는 슬레이브 구성 없이 두 장치 간의 직접 통신을 용이하게 합니다. P2P 통신이 가능하여 중앙 제어 장치 없이 장치가 원활하게 데이터를 교환할 수 있습니다. 따라서 UART는 무선 센서 네트워크 또는 장치 상호 연결과 같은 응용 분야에 적합합니다.

 

3.2) UART의 단점

• 동기화 요구 사항: UART의 비동기식 특성으로 인해 올바른 데이터 전송을 위해 수신기와 송신기를 동일한 전송 속도로 사전 설정해야 합니다. 이 요구 사항은 데이터 속도가 변경되거나 디바이스가 다른 클록 속도로 작동하는 시나리오에서는 실용적이지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 동적 전송 속도 조정 또는 흐름 제어 프로토콜과 같은 추가 조치가 필요할 수 있습니다.
• 잠재적인 동기화 문제: 전용 클럭 라인이 없으면 통신 장치의 시스템 클럭에 변동이 있는 경우 동기화 문제가 발생할 수 있습니다. 클럭 소스의 클럭 드리프트 또는 불일치는 타이밍 오류를 발생시키고 데이터 전송의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.
• 제한된 오류 감지: UART의 오류 감지는 패리티 검사로 제한되며, 오류 감지를 위해 데이터 프레임에 추가 비트를 추가합니다. 그러나 패리티 검사는 홀수 또는 짝수 비트 오류만 감지할 수 있으며 CRC(Cyclic Redundancy Check)와 같은 고급 오류 검사 방법만큼 강력하지 않습니다. 이러한 제한으로 인해 특히 높은 수준의 소음이나 간섭이 발생하기 쉬운 환경에서 감지되지 않은 오류가 발생할 수 있습니다.
• 주소 지정 부족 : UART는 기본적으로 주소 지정을 지원하지 않으므로 동일한 버스에서 여러 장치를 기본적으로 수용하기가 어렵습니다. 어드레싱이 없으면 버스의 모든 디바이스가 전송된 데이터를 수신하므로 의도한 데이터를 구별하고 처리하기 위한 추가 메커니즘(예: 소프트웨어 기반 어드레싱)이 필요합니다.
• 속도 제한: UART의 속도는 설계 및 구현에 의해 제한됩니다. 이러한 제한은 느린 통신 시스템에서는 문제가 되지 않지만 고속 애플리케이션에는 상당한 제약 조건이 될 수 있습니다. 예를 들어 표준 UART 인터페이스는 초당 115200비트(전송 속도)의 최대 속도를 지원할 수 있으며, 이는 실시간 시스템 또는 고속 데이터 로깅과 같은 특정 고속 애플리케이션에는 충분하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 대체 통신 프로토콜 또는 SPI 또는 이더넷과 같은 고속 인터페이스가 더 적합할 수 있습니다.

 

 

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4. SPI vs I2C vs UART 차이점

1)  속도 및 데이터 처리량

속도

원시 데이터 속도를 비교할 때 SPI는 세 가지 프로토콜 중 가장 빠른 프로토콜로 나타납니다. 최대 10MHz의 클럭 속도를 자랑하며 특정 마이크로 컨트롤러에서 더 빠른 속도를 달성할 수 있습니다. I2C는 100kHz의 표준 모드 작동 속도, 400kHz의 고속 모드 및 최대 3.4MHz의 속도에 도달할 수 있는 고속 모드를 제공합니다. 반면에 UART는 일반적으로 9600, 19200 또는 115200bps(초당 비트 수)와 같은 속도로 작동하므로 세 가지 중 가장 느립니다.

 

데이터 처리량

데이터 처리량은 속도뿐만 아니라 해당 속도가 활용되는 효율성의 영향도 받습니다. SPI는 전이중 프로토콜로서 데이터를 동시에 송수신할 수 있어 효율성이 높습니다. 또한 SPI는 주소 지정을 활용하지 않기 때문에 주소 바이트를 전송하는 오버헤드를 방지하여 처리량을 더욱 향상시킵니다.

 

이에 비해 I2C는 반이중 프로토콜로 작동하여 통신에 주소 및 승인 비트를 통합합니다. 이로 인해 추가 오버헤드가 발생하고 적절한 클럭 속도에도 불구하고 데이터 처리량이 감소합니다. I2C는 멀티 마스터 설정을 지원하지만 중재 및 충돌 감지가 필요하기 때문에 효과적인 데이터 처리량이 더욱 줄어들 수 있습니다.

 

SPI와 유사한 UART는 전이중 프로토콜로 작동합니다. 그러나 일반적으로 더 느린 속도로 실행됩니다. 또한 UART는 동기화를 가능하게 하기 위해 각 데이터 프레임에 시작 및 정지 비트를 포함하므로 오버헤드가 추가되고 유효 데이터 처리량이 줄어듭니다.

 

2) 전력 소비

통신 프로토콜의 전력 소비를 고려하는 것은 임베디드 시스템, 특히 배터리 구동식 애플리케이션에서 매우 중요합니다.

 

SPI의 전력 소비

SPI는 클럭 속도가 빠르고 전이중 통신이 가능하기 때문에 전력 소비가 더 높은 경우가 많습니다. 각 데이터 전송에는 클럭 펄스가 포함되며 클럭 속도가 높을수록 더 많은 전력이 소비됩니다. 또한 SPI는 통신을 위해 여러 회선이 필요하며, 각 회선은 전력 소비에 기여합니다. 그러나 SPI는 전력 소비를 어느 정도 줄일 수 있는 I2C와 달리 데이터 및 클록 라인에 풀업 저항이 반드시 필요하지 않다는 장점이 있습니다. 자세한 전력 소비 사양은 사용 중인 특정 SPI 장치의 데이터시트를 참조하는 것이 좋습니다.

 

I2C의 전력 소비

 

I2C는 속도가 느리기 때문에 SPI보다 전력 소비가 적습니다. 또한 2선 구성은 유지 보수가 필요한 라인이 적어 정적 전력 소비가 적습니다. 그러나 I2C의 데이터 및 클록 라인에 풀업 저항이 필요하기 때문에 전력 소비에 기여할 수 있습니다. I2C의 전력 소비는 풀업 저항의 값 및 버스 커패시턴스와 같은 요인에 따라 달라집니다. 정확한 전력 소비 수치를 보려면 I2C 장치의 데이터시트를 참조하는 것이 좋습니다.

 

UART의 전력 소비

UART의 전력 소비는 주로 느린 데이터 전송률로 인해 일반적으로 SPI 및 I2C보다 낮습니다. 단위 시간당 전환 횟수가 적을수록 동적 전력 소비가 줄어듭니다. 그러나 유휴 모드에서 UART는 라인을 논리적 '높음' 상태로 유지하므로 더 많은 전력을 소비할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 많은 UART 구현에는 절전 모드와 같은 절전 모드가 포함되어 있어 UART가 활발하게 전송되지 않을 때 전력 소비를 크게 줄입니다. 자세한 전력 소비 정보는 특정 UART 장치의 데이터시트를 참조하는 것이 좋습니다.

 

 

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3) 복잡성 및 구현 용이성

시스템에서 통신 프로토콜을 구현하는 복잡성은 연결할 장치 수, 오류 검사의 필요성, 하드웨어 지원의 가용성 및 프로그래밍 지원 수준을 비롯한 다양한 요인에 따라 달라집니다

 

SPI의 복잡성 및 구현 용이성

SPI 구현은 중간 복잡성 범위에 속합니다. 장치당 4개의 와이어가 필요하므로 특히 여러 장치가 관련된 경우 하드웨어 설계가 번거로울 수 있습니다. 그러나 주소 지정이 없으면 한 번에 하나의 장치만 통신하는 한 코드 구현이 간단해집니다. SPI는 일반적으로 마이크로 컨트롤러가 개별 칩 선택(CS) 라인을 관리해야 하기 때문에 특히 여러 장치를 처리할 때 더 많은 소프트웨어 제어가 필요하다는 점에 주목할 가치가 있습니다. Arduino 또는 이와 유사한 마이크로 컨트롤러를 활용하면 커뮤니티에서 제공하는 사용 가능한 라이브러리와 예제 코드를 통해 프로세스를 단순화할 수 있습니다.

 

I2C의 복잡성 및 구현 용이성

I2C는 복잡성과 구현 용이성 사이의 균형을 유지합니다. 2선 인터페이스는 특히 여러 장치가 포함된 설정에서 하드웨어 설계를 단순화합니다. 그러나 주소 지정 체계와 START 및 STOP 조건 관리는 소프트웨어 측면에 복잡성을 더합니다. 그럼에도 불구하고 승인(ACK) 비트 및 중재와 같은 I2C의 기본 제공 오류 검사 기능은 강력한 통신 시스템의 설계를 간소화할 수 있습니다. 특정 I2C 장치의 규격서를 참조하고 Arduino 또는 기타 마이크로 컨트롤러에 사용 가능한 I2C 라이브러리를 활용하면 구현 프로세스에 도움이 될 수 있습니다.

 

UART의 복잡성 및 구현 용이성

UART 인터페이스는 구현이 가장 간단하여 간단한 지점 간 통신에 매력적인 선택입니다. 송신 및 수신 라인으로 구성된 2선 인터페이스는 설정이 간단하며 클럭 신호가 없기 때문에 타이밍 문제가 간소화됩니다. 그러나 UART에는 기본 제공 오류 검사 메커니즘이 없습니다. 따라서 오류 검사가 필요한 경우 추가 소프트웨어 복잡성을 고려해야 합니다. 또한 UART에서는 일반적으로 구현하기 위해 추가 하드웨어 또는 복잡한 소프트웨어 계층이 필요하기 때문에 SPI 및 I2C만큼 다중 장치 통신이 간단하지 않습니다. 특정 UART 장치의 데이터시트를 참조하고 Arduino 또는 기타 마이크로 컨트롤러에 사용 가능한 UART 라이브러리를 활용하면 구현 프로세스에 도움이 될 수 있습니다.

 

 

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5. 실제 적용 및 사용 사례

1)  SPI 애플리케이션

리얼타임 시스템

저지연 통신이 중요한 실시간 시스템에서 SPI의 전이중 동기식 작동은 원하는 성능을 제공합니다. 예를 들어, 디지털 신호 처리 응용 분야에서는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에서 데이터를 읽는 동시에 디지털-아날로그 컨버터(DAC)에 기록해야 하는 경우가 많습니다. SPI의 빠른 동시 데이터 송수신 기능은 이러한 애플리케이션에 적합한 선택입니다.

 

또한 로봇 시스템 또는 산업 자동화와 같은 실시간 제어 시스템에서 SPI는 중앙 처리 장치(CPU)와 다양한 주변 장치 간의 고속 통신에 사용할 수 있습니다. 이를 통해 센서 데이터, 제어 신호 및 액추에이터 명령을 효율적으로 교환할 수 있어 정확하고 시기적절한 시스템 응답이 가능합니다.

 

데이터 스트리밍

SPI는 데이터 스트리밍 응용 제품, 특히 멀티미디어 및 오디오/비디오 처리 분야에서도 일반적으로 사용됩니다. 이러한 예 중 하나는 오디오 또는 비디오 데이터를 코덱으로 전송하는 것입니다. 고속 데이터 전송 속도를 감안할 때 SPI는 높은 비트 전송률 데이터의 스트리밍을 편안하게 처리할 수 있습니다. 주목할 만한 사례는 일부 미디어 플레이어의 MP3 오디오 디코딩으로, 디코딩된 오디오 데이터는 SPI를 사용하여 마이크로 컨트롤러에서 DAC로 전송됩니다.

 

또한 SPI의 전이중 특성으로 인해 동시 데이터 송수신이 가능하므로 실시간 오디오 처리 애플리케이션에 적합합니다. 예를 들어, 오디오 믹서 또는 디지털 오디오 워크스테이션에서 SPI를 사용하여 서로 다른 처리 모듈 간에 여러 오디오 채널을 교환하거나 외부 오디오 인터페이스와 인터페이스할 수 있습니다.

 

SD 카드 및 LCD

SPI 프로토콜은 SD 카드 및 액정 디스플레이(LCD) 모듈과 같은 주변 장치에 널리 사용됩니다. SD 카드의 경우 SPI를 사용하면 고속 데이터 쓰기 및 읽기가 가능하므로 대용량 데이터 스토리지가 필요한 애플리케이션에 필수적입니다. 이는 데이터 로깅 및 저장이 센서 데이터를 캡처하고 분석하는 데 중요한 IoT(사물 인터넷) 시스템과 특히 관련이 있습니다.

 

마찬가지로 LCD 모듈은 빠른 데이터 전송을 위해 SPI를 활용하여 빠른 화면 새로 고침을 달성하여 동적이고 반응성이 뛰어난 디스플레이 업데이트를 가능하게 합니다. 이는 의료 기기, 산업용 제어 패널 및 소비자 전자 제품과 같이 실시간 정보 표시가 필요한 응용 분야에서 특히 중요합니다.

 

2) I2C 애플리케이션

센서 통합

I2C의 주요 응용 분야 중 하나는 시스템에 다양한 센서를 통합하는 것입니다. 센서는 일반적으로 상대적으로 낮은 속도로 데이터를 출력하므로 I2C의 속도는 충분하고도 남습니다. 예를 들어, 기상 관측소나 웨어러블 장치의 온도 센서, 습도 센서 또는 가속도계는 마이크로 컨트롤러로의 데이터 전송을 위해 I2C를 사용하는 경우가 많습니다. 이렇게 하면 여러 센서를 연결하는 데 두 개의 와이어만 필요하므로 설계가 간소화됩니다.

 

또한 I2C의 다중 마스터 구성 지원은 복잡한 IoT 시스템에서 센서와 중앙 처리 장치(CPU) 간의 효율적인 통신을 가능하게 합니다. CPU는 여러 I2C 장치의 센서 데이터를 순차적으로 처리하고 필요한 정보를 검색하여 센서 데이터에 액세스할 수 있으므로 포괄적인 환경 모니터링 및 제어가 가능합니다.

 

저속 주변기기

I2C 프로토콜은 마이크로 컨트롤러와 안정적인 통신이 필요한 저속 주변 장치를 인터페이스하는 데 자주 사용됩니다. 이러한 장치에는 디지털 전위차계, EEPROM, 실시간 클록 및 다양한 유형의 센서가 포함될 수 있습니다. 예를 들어, I2C를 통해 연결된 디지털 전위차계를 사용하여 오디오 증폭기의 볼륨을 제어할 수 있습니다. 이 경우 I2C의 속도(고속 모드 플러스에서 최대 400kHz 또는 1MHz)가 목적에 적합하며 동일한 버스에서 여러 장치를 쉽게 연결할 수 있다는 것이 상당한 이점입니다.

 

또한 I2C의 클록 스트레칭 지원을 통해 주변 장치는 데이터를 처리하거나 작업을 완료하는 데 더 많은 시간이 필요한 경우 버스 속도를 일시적으로 늦출 수 있습니다. 이 기능은 마이크로 컨트롤러와 주변 장치 간의 안정적이고 동기화된 통신을 보장하여 전체 시스템 성능과 안정성을 향상시킵니다.

 

기내 통신

I2C는 또한 마더보드 또는 임베디드 시스템 내의 서로 다른 IC 간의 통신과 같이 장치의 서로 다른 구성 요소 간의 온보드 통신을 위한 일반적인 선택입니다. 이러한 시나리오에서는 부품 간의 거리가 짧기 때문에 I2C의 상대적으로 낮은 속도에 대한 우려가 덜하며, 단 두 개의 버스 라인으로 여러 장치를 연결할 수 있어 배선 복잡성을 줄이는 측면에서 상당한 이점을 제공합니다.

 

예를 들어, 복잡한 IoT 장치 또는 스마트 홈 자동화 시스템에서 I2C를 사용하여 마이크로 컨트롤러, 센서, 액추에이터 및 디스플레이 모듈 간의 통신을 설정할 수 있습니다. 이를 통해 서로 다른 하위 시스템 간의 원활한 데이터 교환 및 조정이 가능하여 효율적인 제어, 모니터링 및 사용자 상호 작용이 가능합니다.

 

 

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3) UART 애플리케이션

GPS 수신기

UART는 GPS 수신기와의 통신에 널리 사용됩니다. GPS 모듈은 UART의 통신 속도와 호환되는 낮은 전송 속도로 위치 정보를 출력하는 경우가 많습니다. GPS 모듈이 있는 시스템은 일반적으로 UART를 사용하여 위치 데이터를 수신하고, 필요한 계산 또는 처리를 수행하고, 구성 데이터를 GPS 모듈로 보낼 수 있습니다. UART 통신의 간단한 지점 간 특성과 클록 동기화가 필요하지 않다는 사실은 이러한 유형의 애플리케이션에 매우 적합합니다.

 

또한 UART의 유연성은 나침반 또는 자이로스코프와 같은 다른 내비게이션 관련 센서와 쉽게 통합하여 차량 추적, 내비게이션 시스템 및 무인 항공기(UAV)와 같은 애플리케이션에 포괄적인 위치 및 방향 정보를 제공할 수 있습니다.

 

마이크로 컨트롤러와 마이크로 컨트롤러 간 통신

UART는 일반적으로 두 마이크로 컨트롤러 간의 통신에도 사용됩니다. 두 장치가 적당한 양의 데이터를 교환해야 하고 서로 합리적으로 가까이 있는 경우 UART가 신뢰할 수 있는 선택입니다. 클록 라인이 없으면 회로 설계가 간소화되고 잠재적으로 하드웨어 리소스를 절약할 수 있습니다. UART는 두 마이크로 컨트롤러를 직접 연결하거나 Bluetooth와 같은 무선 모듈을 사용하여 연결을 설정할 수 있습니다.

 

여러 마이크로 컨트롤러가 협업하고 데이터를 공유해야 하는 복잡한 시스템에서 UART를 상호 통신 채널로 활용하여 서로 다른 장치 간의 동기화, 작업 분배 및 데이터 교환을 가능하게 할 수 있습니다. 이는 분산 제어 시스템, 로봇 공학 및 여러 처리 장치 간의 원활한 조정이 필요한 IoT 애플리케이션에서 자주 볼 수 있습니다.

 

디버깅 및 진단 포트

많은 임베디드 시스템에서 UART는 디버깅 포트로 사용됩니다. 엔지니어는 이러한 포트를 사용하여 디버그 정보를 인쇄하고, 다양한 시스템 구성 요소의 상태를 확인하고, 기타 진단 작업을 수행합니다. 예를 들어, 임베디드 디바이스의 부팅 프로세스에서 시스템 상태에 대한 중요한 정보가 UART 콘솔에 인쇄됩니다. 느린 데이터 속도와 간단한 통신 프로토콜은 이러한 목적에 충분하며, 추가 클록 신호 또는 동기화가 필요하지 않다는 점은 시스템 개발자에게 장점입니다.

 

디버깅 및 진단 포트로서의 UART의 역할은 초기 개발 단계를 넘어 확장됩니다. 시스템 동작을 실시간으로 모니터링하고, 잠재적인 문제 또는 오류를 식별하고, 펌웨어 업데이트 또는 구성 변경을 위한 인터페이스를 제공합니다. 이는 작동 수명 동안 임베디드 시스템을 유지 관리하고 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

 

PC 주변기기

PC 인터페이스로서의 UART의 유산은 많은 최신 장치에서 지속됩니다. 오래된 마우스, 키보드, 심지어 프린터에서도 찾을 수 있습니다. 또한 특정 유형의 센서 또는 개발 기판과 같이 PC와 인터페이스하는 일부 최신 주변 장치는 기본적으로 또는 USB-UART 브리지를 통해 통신에 UART를 사용할 수 있습니다. 최소한의 오버헤드로 쉽게 구현할 수 있는 간단하고 안정적인 통신 메커니즘을 제공합니다.

 

UART는 PC와 호환되고 표준화된 인터페이스를 통해 다양한 주변 장치를 컴퓨터에 연결하는 데 편리한 선택입니다. 마우스 및 키보드와 같은 입력 장치에서 디스플레이 및 프린터와 같은 출력 장치에 이르기까지 UART는 원활한 데이터 전송 및 제어를 가능하게 하여 사용자와 컴퓨터 시스템 간의 안정적이고 효율적인 상호 작용을 보장합니다.

 

 

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6. SPI vs I2C vs UART 속도 요구 사항 및 데이터 전송 속도

장치의 속도 요구 사항은 통신 프로토콜을 선택할 때 중요한 요소입니다. SPI는 일반적으로 데이터 속도가 10MHz 이상에 도달하는 고속 데이터 전송 측면에서 두드러집니다. 따라서 SPI는 빠르고 효율적인 데이터 전송이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다. 반면에 UART는 일반적인 데이터 속도가 약 115200bps인 저속 애플리케이션에 더 적합합니다.

 

UART의 데이터 전송 속도는 적당한 양의 데이터를 교환해야 하는 시나리오에 적합합니다. I2C는 그 중간에 속하며 고속 모드에서 최대 3.4Mbps의 데이터 속도를 제공합니다. SPI만큼 빠르지는 않지만 I2C의 데이터 전송 속도는 여전히 많은 응용 분야에 충분합니다.

 

데이터 무결성 및 오류 감지

데이터 무결성을 보장하는 것은 통신 프로토콜에서 매우 중요합니다. SPI는 고유한 오류 검사 메커니즘이 없지만 전이중 통신 모드를 통해 즉각적인 피드백을 제공합니다. 이를 통해 수신 장치는 전송된 데이터의 정확성을 확인할 수 있습니다. 반면, I2C와 UART에는 오류 감지 메커니즘이 내장되어 있습니다. I2C는 승인 비트를 사용하여 각 바이트의 수신을 확인하여 데이터 무결성을 보장하는 신뢰할 수 있는 수단을 제공합니다. UART는 오류 감지를 위해 패리티 비트를 사용하여 수신 장치가 데이터 전송 중에 오류를 감지하고 수정할 수 있도록 합니다.

 

장치 수 및 멀티 마스터 vs 싱글 마스터

통신 버스에 연결할 수 있는 장치의 수는 중요한 고려 사항입니다. I2C는 버스에서 각각 고유한 주소를 가진 여러 장치를 지원합니다. 따라서 I2C는 여러 센서 또는 주변 장치가 중앙 마이크로 컨트롤러와 통신해야 하는 애플리케이션에 매우 적합합니다. 또한 SPI는 각 장치에 대해 별도의 슬레이브 선택 라인을 사용하여 여러 장치를 수용할 수 있으므로 필요에 따라 개별 장치와 통신할 수 있습니다. 그러나 장치 수가 증가함에 따라 전용 슬레이브 선택 라인을 관리하는 것이 어려워져 확장성 문제가 발생할 수 있습니다. 지점 간 통신 프로토콜인 UART는 기본적으로 추가 하드웨어 또는 소프트웨어 관리 없이 여러 장치를 지원하지 않습니다. 주로 두 장치 간의 직접 통신을 위해 설계되었습니다.

 

전력 소비 및 전력 효율

전력 소비는 특히 저전력 애플리케이션 또는 배터리로 작동되는 장치에서 중요한 고려 사항입니다. 오픈 드레인 버스 아키텍처를 사용하는 I2C는 신호 무결성을 유지하기 위해 풀업 저항이 필요합니다. 이로 인해 SPI 또는 UART에 비해 전력 소비가 더 높아질 수 있습니다. 그러나 통신 프로토콜의 전력 소비는 작동 주파수 및 데이터 전송 속도와 같은 다른 요인에 의해서도 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 데이터 전송률이 높은 응용 제품에서 SPI는 더 높은 클록 주파수로 인해 더 많은 전력을 소비할 수 있습니다. 따라서 전력 효율을 평가할 때 응용 제품의 특정 요구 사항과 제약 조건을 고려하는 것이 중요합니다.

 

구현 및 하드웨어 리소스의 용이성

통신 프로토콜 구현의 용이성은 또 다른 중요한 요소입니다. UART는 전용 클록 라인이 필요하지 않으므로 구현이 비교적 간단합니다. 그러나 표준화된 통신 프로토콜이 없으면 특히 서로 다른 제조업체의 장치 간에 통신을 설정할 때 소프트웨어 설계가 복잡해질 수 있습니다. SPI는 통신을 위해 더 많은 핀이 필요하며, 일반적으로 마스터 출력, 마스터 입력 및 슬레이브 출력에 별도의 라인을 사용합니다. 추가 핀에도 불구하고 SPI는 간단하고 효율적인 데이터 전송 메커니즘을 제공하므로 구현이 더 쉽습니다.

 

I2C는 통신에 더 적은 수의 회선이 필요하며 버스에서 여러 장치를 처리할 수 있는 이점을 제공합니다. 그러나 고유한 주소의 필요성과 I2C 프로토콜의 복잡성으로 인해 구현 중에 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 모든 장치가 세 가지 프로토콜을 모두 지원하는 것은 아니므로 사용 중인 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서의 통신 주변 장치의 가용성과 기능을 고려해야 합니다.

 

SPI, I2C 또는 UART와 같은 적절한 통신 프로토콜의 선택은 필요한 데이터 전송 속도, 데이터 무결성 요구 사항, 연결할 장치 수, 전력 소비 제약 조건, 구현 용이성 및 사용 가능한 하드웨어 리소스를 비롯한 다양한 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요소를 신중하게 평가함으로써 설계자는 응용 제품의 특정 요구 사항에 맞는 가장 적합한 프로토콜을 결정할 수 있습니다.

 

7. 요약

통신 프로토콜 SPI, I2C 및 UART는 임베디드 시스템 작동에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 프로토콜의 강점과 약점을 이해하는 것은 구성 요소 간의 효율적인 데이터 교환이 필요한 시스템을 설계할 때 필수적입니다. SPI는 고속 통신에 탁월하여 빠른 동시 데이터 전송이 중요한 애플리케이션에 적합합니다. I2C는 더 적은 리소스로 여러 장치를 처리할 수 있는 이점을 제공하여 시스템 설계에 유연성을 제공합니다. UART는 지점 간 통신이 필요할 때, 특히 안정적인 데이터 전송이 필수적인 장거리에서 두드러집니다.