임베디드 시스템의 개요

1. 임베디드 시스템이란?

어떤 제품이나 솔루션에 추가로 탑재되어 그 제품 안에서 특정한 작업을 수행하도록 하는 솔루션을 말한다. 첨단 기능이 들어 있는 컴퓨터, 가전제품, 공장자동화 시스템, 엘리베이터, 휴대폰 등 현대의 각종 전자?정보?통신 기기는 대부분 임베디드 시스템을 갖추고 있다. 대개의 경우 그 자체로 작동할 수도 있지만, 다른 제품과 결합해 부수적인 기능을 수행할 때에한해‘임베디드 시스템’이라고 한다.

 

2. 특징 및 요구사항

과거의 전통적인 임베디드 시스템은 올바른 결과 못지않게 제한된 시간 내에 결과를 내어야 하는 실시간성을 주요 특징으로 하였다. 차세대 임베디드 시스템이 사용되는 환경은 초고속 통신과 광역적인 이동성을 제공해야 하는 반면 상대적으로 제한적인 하드웨어 자원과 취약한 보안성을 가진다. 이에 따라 Post PC로 대변되는 현대의 첨단 임베디드 시스템은 이동성과 연결성을 주요 특징으로 하면서 다음과 같은 요구 사항을 가진다.

(1) 경량성 : 제한적인 하드웨어 자원을 효율적으로 관리

(2) 저전력 : 전력소모의 최소화

(3) 보안성 : 취약한 보안의 허점을 보완

(4) Qos : 사용자가 요구하는 수준의 서비스를 제공

 

3. 임베디스 시스템 구성

가. 임베디드 하드웨어

(1) 마이크로프로세서

마이크로프로세서 또는 CPU는 마이크로컴퓨터 시스템용 컨트롤러이다. 이것은 모든 버스 동작을 제어하고, 계산을 실행하며 결정을 한다. 마이크로프로세서는 프로그램이 가능하며, 동작은 시퀀스 명령에 의해 제어된다. 이들 명령은 일반적으로 데이터 전송명령, 산술과 논리 명령, 프로그램 제어 명령 등의 3가지 형태를 포함한다. 마이크로프로세서 명령의 시퀀스를 프로그램 또는 소프트웨어라고 부른다.

(2) 버스 시스템

마이크로컴퓨터의 버스 시스템은 CPU, 메모리, I/O 장치들간에 데이터가 이동할 수 있는 통로를 제공한다. 이것은 분할버스(Shared Bus)이므로 유연성이 있다.

시스템 메모리 또는 주변장치를 추가하기 위해서는 이것들을 버스 시스템에 연결해야 하며 필요한 디코딩 로직을 추가해야 한다. CPU는 어드레스 버스를 통해 메모리와 주변장치 등에 주소를 지정하고 컨트롤 버스를 통해 방향과 타이밍에대한 버스 제어 신호들을 제공함으로써 버스 시스템을 제어한다. 아울러 데이터 버스를 통해 데이터(쓰기) 또는 셈플 데이터(읽기)를 제공한다.

(3) 메모리

메모리 디바이스는 마이크로프로세서의 프로그램과 데이터를 저장하기 위해 사용된다. 임베디드 시스템에는 적용되는 여러 가지 형식의 메모리 디바이스가 있으며 버스 시스템에 접속한 메모리를 메인 메모리라고 부른다. 메모리의 종류에는 사용의 유용성에 따라 RAM, ROM, EPROM등이 있다.

(4) I/O 장치

I/O 장치는 마이크로컴퓨터와 외부와의 인터페이스를 제공하는 모든 리소스를 포함한다. 이들 인터페이스는 키패드 또는 디스플레이처럼 휴먼 인터페이스에서부터 전혀 인간과 상호작용을 하지 않는 네트워크나 또는 머신 인터페이스까지 매우 다양하다. 마이크로컨트롤러에서 이용 가능한 I/O 리소스들은 마이크로컨트롤러의 적용 대상을 결정하곤 한다. 이것은 외부 시스템에 필요한 하드웨어 인터페이스를 제공하며, 마이크로프로세서의 부하를 덜어준다.

나. 임베디드 소프트웨어

임베디드 S/W는 산업 및 군사용 제어기기, 디지털정보가전기기, 자동센서장비 등의 기능을 다양화하고 부가가치를 높이기 위한 핵심 S/W로 일상생활 속에서 쉽게 접하는 휴대폰, TV, 세탁기, 기차, 비행기, 엘리베이터 등의 제품 안에 내장된 임베디드 시스템에서 하드웨어를 제외한 나머지 부분이라고 할 수 있다.

최근의 IT 기술은 마이크로프로세서의 가격이 낮아지고 소형화 및 고성능화가 진행됨에 따라 제품 경쟁력의 핵심이 H/W 생산 기술에서 S/W 최적화 기술로 이동하는 변혁기를 맞이하여 임베디드 S/W가 탑재된 상품의 가치가 H/W보다는 S/W에 의해 좌우되는 기술집약적 고부가가치 산업으로 발전하고 있다. 초창기 임베디드 S/W는 간단한 제어 프로그램만으로 산업용 기기를 제어하는데 그쳤으나, 최근에는 멀티미디어 처리와 같은 점차 복잡한 기능을 위해 멀티태스크 및 네트워크기능을 제공하는 임베디드 OS를 이용하고 있다.

■ 임베디드 S/W의 특징

- 실시간 처리 지원: 실시간 처리가 지원되지 않으면 큰 손실이나 위험을 초래할 수 있는 비행제어 시스템 및 항법 시스템 등에서 실시간 처리를 지원해야

한다.

- 고신뢰성: 원자력 발전, 항공기 및 미사일 제어 등과 같은 S/W 오작동이나 불시의 작동 중지 등으로 심각한 결과를 초래할 수 있는 시스템에서 고도의 신뢰성이 요구된다.

- 최적화 기술 지원: 임베디드 시스템은 크기, 가격 및 발열 등을 이유로 제한된 H/W 자원으로 구성되기 때문에 임베디드 S/W는 경량화, 저전력 지원, 자원의 효율적 관리 등의 측면에서 H/W에 최적화되는 기술을 지원해야 한다.

- 특정 시스템 전용: 범용 데스크탑 또는 서버에서 실행되는 패키지 소프트웨어와 달리 특정 시스템의 실행을 목적으로 개발되는 S/W이다.

- 네트워크 및 멀티미디어 처리기능 지원: 임베디드 시스템들이 단독형 시스템뿐만 아니라 유무선 네트워크를 통해 연결될 수 있어야 하고, 멀티미디어 정보를 처리하는 기술이 필요한 디지털 TV, PDA 및 스마트폰 등과 같은 임베디드 시스템을 지원해야 한다.

- 다양한 솔루션과 개발 도구 필요: 다양한 기종과 규격의 마이크로프로세서에 최적화된 별도의 솔루션이 동시에 제공되어야 하며, 고난도의 임베디드 S/W 애플리케이션을 빠르고 안정되게 개발하기 위해 사용하기 쉬운 개발 도구가 필요하다.

4. 국내외 현황

첨단 임베디드 시스템 산업은 임베디스 기기, 즉 단말기 자체의 산업뿐만 아니라 관련 부품과 중간 투입재의 다양한 산업으로 구성된다. 구체적인 하드웨어 산업으로서 단말기, H/W의 핵심 코어를 이루는 마이크로프로세서, 디스플레이, 무선랜, 2차 전지 등의 부품과 SoC들을 포함하는 시스템 설계사업이 존재한다.

한편 소프트웨어 산업으로서 S/W의 핵심코어를 이루는 임베디스 OS와 미들웨어 등의 시스템 소프트웨어, 응용소프트웨어 산업이 있다.

가. 단말기 산업

Post PC 산업의 견인차 역할을 하는 주요 단말기는 단연 PDA이다. 세계적으로 2001년에 15%에 불과한 PDA/스마트폰 시장이 2004년에는 34%로 2.3배 확대되었다. 2004년 정보 산업 시장 자체가 확장된다는 점을 고려해 볼 때, 이는 3배 이상의 실질 성장률을 의미하는 것이다.

나. 마이크로프로세서와 시스템 설계 산업

초기 임베디드 마이크로프로세서는 저전력과 휴대성을 강조하여 30MHz 이하의 급이 대부분이었으나 점차 저전력 기능을 지원하면서도 100MHz 이상으로 고성능화되어 가는 추세이다. 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러는 32비트가 주를 이루며 이런 32비트 아키텍처는 음성통신과 데이터 통신 부분에서 가전 분야와 산업용 제어, 그리고 계측 분야에 널리 사용되고 있다.

현재 32비트 임베디드 마이크로세서 시장은 인텔과 모토롤라등이 장악하고 있다. 인텔의 스트롱암은 전력소모는 높은 편이지만 PC에 근접하는 기능을 제공하고 있으며 많은 PDA 제조 업체에서 고성능의 스트롱암시리즈의 마이크로프로세서가 사용돼 왔다. 또한 최근에는 인텔사가 ARM코어를 기반으로 성능을 크게 높이고 전력 소비량을 줄인 XScale 아키텍처를 개발하였다. XScale 시리즈의 하나인 PXA250은 400MHz에서 동작하여 비디오 스트리밍, MP3 오디오, 무선접속 기능등을 수행할 수 있고, 블루투스 등 무선 인터페이스기능을 지원한다. 또한 PX250은 저전력을 위하여 200MHz로도 동작할 수 있는데 이때의 전력 소비량은 256mW에 불과하다. 한편 모토롤라는 드래곤볼을 세계PDA 시장의 과반수를 점하는 Palm OS 계열의 PDA군에 채용하면서 PDA용 CPU시장을 이끌고 있다.

한편 휴대형 정보단말기에서 저전력, 고성능을 모두 획득하고 저가격, 소형화를 실현하기 위해서는 SoC기술의 도입이 불가피해진다. 이에 삼성전자는 ARM의 64비트 ARM10코어 기술을 이용한 PDA 전용 SoC칩 S3C2400을 개발하여 PDA 시장에서 세계적인 경쟁력을 갖추어 나가고 있다.

다. 임베디드 OS와 미들웨어 산업

임베디드 OS 산업의 동향은 전통적으로 실시간 OS와 핸드헬드 OS의 약세, 윈도CE의 확산, 그리고 임베디드 리눅스의 약진으로 요약할 수 있다. 제어 시스템과 같은 전통적인 임베디드 시스템에서 사용되어 온 RTOS는 실시간성 지원능력과 수십 KB크기의 작은 메모리를 요구하기 때문에 생기는 시스템 가격인하의 강점을 가지고 있다. 그러나 임베디드 시스템이 고성능화되고 점점 더 복잡해져가는 시스템의 응용프로그램 개발 기간을 단축하기 위하여 MS Windows와 리눅스가 Post PC용 임베디드 OS로 부상해 왔다.

PDA를 비롯한 핸드헬드형 컴퓨터의 OS로는 Palm의 Palm OS, 마아크로소프트의 윈도CE, Psion을 중심으로 에릭슨, 노키아, 모토롤라 등이 개발한 심비안(EPOC)등이 경쟁하고 있다. 아직까지는 Palm OS의 점유율이 가장 높지만, 다양하고 멀티미디어 기능이 뛰어나고, 인터페이스가 데스크탑 윈도우와 비슷한 윈도CE의 점유율이 점차 높아질 것으로 예상된다. 이러한 상황에서 몇몇 PDA 제조사들은 독자 OS를 개발하기보단 임베디드 리눅스를 신제품에 채용하여 가격 경쟁력과 응용 개발에 이득을 얻고자 하고 있다.

한편 하드웨어 플랫폼에 독립적인 OS 기술만으로는 다양한 응용프로그램과 네트워크 환경을 효과적으로 제공할 수 없다는 한계를 가지며, 이를 해결하기 위하여 임베디드 미들웨어가 필요하다. 미들웨어 제품으로는 MS사의 COM/DCOM과 OLE/ActiveX, Sun사의 JavaBeans와 Enterprise JavaBeans, OMG CORBA 3, Oracle사의 NCA Cartridge등이 있다.

이들은 소프트웨어 컴포넌트 기반 아키텍처 기술을 근간으로 하고 있으며 급속히 그 사용이 확산되어 왔다. 현재 세계 컴포넌트 기반 미들웨어 시장 규모는 점차로 확대되어 가고 있고, 같은 기간 소프트웨어 산업의 평균 성장률이 15%인데 반해 연평균 98%로 매우 빠른 성장이 예측되고 있다.