임베디드 시스템

임베디드 시스템의 의미

 임베디드 시스템(Embedded System)이란? 

• 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어가 미리 정해진 특정한 기능을 수행하기 위하여 결합된 시스템

 Computers Inside a Product (or a System)

 다양한 목적으로 사용되는 PC와 달리, 한 가지 또는 몇 가지 특수한 작업을 수행

• 하지만, PDA와 같이 Embedded System에서도 점차 범용성을 띄어 가고 있다

임베디드시스템의 특징 

 특정 기능 수행

 내장성 

 강한 제약성

• 소형, 전력 소모량 작고, 실시간 반응 요구 

 안전성 혹은 신뢰성

 가격 민감성

 제한된 시스템 자원

 호환성

 깔끔한 오류 처리

임베디드 시스템의 구성

 임베디드 시스템 구성

• 임베디드 H/W 

 프로세서/컨트롤러, 메모리,  I/O 장치, 네트워크 장치, 센서

• 임베디드 S/W 

 운영체제, 시스템 S/W, 응용 S/W

임베디드 소프트웨어 [1]

 하드웨어를 제어하기 위해 임베디드시스템에 내장되는 명령어집합

 제한된 하드웨어 자원에서 동작해야 하므로 일반적으로 크기가 작고 하드웨어에 최적화해 사용

 하드웨어가 다양하기 때문에 탑재되는 임베디드 소프트웨어 종류도 다양하고 복잡

 대부분의 경우 센서 혹은 버튼 등을 통하여 입력된 외부 자극에 대해 사건 구동 방식으로 동작 

 임베디드 소프트웨어 주요 기술 분야 및 사례

임베디드 시스템 소프트웨어 [2] 

 O/S의 등장 배경

• 시스템의 규모가 커짐

 Multi Tasking

• Network이나 multimedia가 시스템의 기본으로 자리 잡음

 Networking, GUI, Audio, Video

• 임베디드 시스템이 해야 할 일이 많아지고 복잡해짐

• 순차적인 프로그램이 어렵게 됨

• 임베디드 시스템에도 운영체제의 개념이 필요하게 됨

임베디드 시스템 소프트웨어 [3] 

 Real Time System (실시간 시스템)

• 실시간 시스템의 정의

 정해진 시간 내에 시스템이 결과를 출력하는 적시성을 가진 시스템

 주어진 작업을 빨리 처리하는 것이 아니고 정해진 시간(deadline)을 넘어서는 안된다는 뜻임

• 주어진 입력(event)에 대해 정해진 시간 내에 행동할 수 없을 때 문제가 발생하는 시스템. 

• 적시성(timeliness)이란? 

 열악한 환경 하에서도 데드라인(deadline) 이내에 논리적으로도 정확한 출력 값을 산출해 내는 것 .

• deadline이란?

 반응에 요구되는 시간의 한계 값 

임베디드 시스템 소프트웨어 [4] 

 Real Time System의 분류

• Hard realtime 시스템 (경성 실시간 시스템) 

 제어작업이 deadline을 어기는 경우 시스템에 심각한 영향을 주는 time-critical 속성을 지닌 시스템 

 예) 원자력 발전소 제어, 화재 발생 검출시스템, 항공기, 우주 왕복선, 자동차 등

• Soft realtime 시스템

 Deadline을 어긴 단위 제어 작업의 무효화로 시스템의 평균적 성능에 미세한 영향을 주는 시스템

 예) 컴퓨터, 정보기기, 네트워크 관련기기 등

임베디드 시스템 소프트웨어 [5] 

 상용 RTOS

• pSOS

• VxWorks

• VRTX 

 임베디드 OS

• Windows CE

• 임베디드 리눅스

• 임베디드 자바

• Qplus

• Tiny OS 

 OS 선정

• 시스템의 특성 파악 그 시스템에 적합한 OS 선정

임베디드 시스템 소프트웨어 [6] 

 WinCE.NET

• 강력한 GUI, 멀티미디어 및 인터넷 기능을 내장

• PDA 등의 정보 가전 기기에 널리 사용되는 운영체제

• 다 종의 Intel 계열 32bit 프로세서 지원, 다양한 주변장치에 대한 빠른 지원, Visual Studio라는 편리한 개발 도구 지원 등의 장점

• 마이크로소프트사가 제안한 .NET 구조 지원

• 부담이 되는 기술료(running royalty), 크기가 커서 무거움 

• 소프트웨어 종속성 심화 

 VxWorks

• 전통적인 분야인 제어, 통신 기기, 로봇 등의 분야에서 1위를 고수

• WindRiver사의 대표적 RTOS

• 쓰레드(Thread) 기반의 태스크(Task) 관리를 지원

• 작고 모듈화된 커널 구성

• 토네이도(Tornado)라는 편리한 개발 환경

임베디드 시스템 소프트웨어 [7] 

 PalmOS

• Palm Computing사에서 공급

• 핸드헬드(Hand-held) 장비에 가장 많이 사용되는 32비트 운영체제

• 작은 크기와 웹 입력 프로그램 및 웹 프로그램 개발 도구들이 풍부

• 소스 코드는 부분적으로 공개

• Palm은 지난 5년간 선도적인 PDA 플랫폼이었으나 WinCE, 임베디드 리눅스 및 Symbian의 맹렬한 추격을 받고 있음

 EPOC (Symbian)

• 무선 통신을 활용하는 모바일 장비를 위해 최적화된 32비트 멀티 쓰레딩(multi-threading) 운영체제

• 영국의 Psion사에 의해 개발되었고, 그 후에 Ericsson, Motorola, Nokia와 함께 설립한 Symbian사에 의해 계속 개발 공급

• 통신 프로그램과 웹 브라우저와 각종 오피스 도구들을 갖춤

• OPL, C++, Java 언어를 제공, 높은 시스템 안정성, 고기능 전력 절약 기능 및 유연한 GUI의 장점이 있어 모바일 기기에 많이 탑재

임베디드 시스템 소프트웨어 [8] 

 Lynx OS

• Linux Real-Time 사의 임베디드 운영체제로 POSIX 호환성을 제공하면서도 작은 크기의 장점을 가진 32 비트 운영체제 

 Embedded Linux 계열

• Linux 커널 2.4.x나 2.6.x를 기반으로 임베디드 시스템의 특징에 필요한 빠른 부팅, 저전력 관리, 크기의 소형화, GUI의 소형화 등의 기능을 갖도록 개선한 것이 주종

• MontaVista의 HardHat, 한국에서는 한국전자통신 연구원(ETRI)의 Qplus/Esto 등

 Clinux, TinyOS

• MMU가 없는 CPU를 사용하는 센서 노드 등을 위한 작은 임베디드 시스템용으로 많이 사용

 기타

• REX, eCos, microCOS II, 네트워크 장비를 위한 RTOS인 Cisco 사의 IOS, in-house kernel 등

임베디드 리눅스 [1]

 임베디드 리눅스의 출현 배경

• H/W의 발전

 32/64bit 고성능 CPU

• S/W의 많은 기능 요구

 O/S의 기능이 중요, 안정된 운영체제의 제공(멀티 태스킹)

• 강력하고 다양한 네트워크 환경의 제공

• 다양한 형태의 파일시스템과 실행파일 포맷 지원

• 확장성의 다양함과 용이함의 제공

• Free Software

임베디드 리눅스 [2]

 임베디드 리눅스 장점

• 기능성과 확장성이 우수 (리눅스 이용에 따른 장점)

• PowerPC, ARM, MIPS 등 다양한 CPU Platform지원함

• 로열티가 없으므로 가격 경쟁력이 우수

• 사용자 층이 넓어 오류 수정이 빠르고 안정성이 우수

• 기존의 데스크 탑 개발 환경과 동일하여 개발이 용이함

 임베디드 리눅스 단점

• 기존의 RTOS보다 많은 메모리를 요구함

• 범용 OS로 설계되어 Real-Time 지원이 어려움

• 개발 환경이 Text 기반의 환경임으로 개발에 어려움이 있음

• GUI 환경을 개발하기 어려움

• 제품화하기 위한 솔루션 구성이 어려움

• 많은 업체들과 개발자들이 독자적으로 개발하고 있어 표준화가 어려움

임베디드 시스템 하드웨어 

 Processor

• 프로그램 명령어 처리기 

• 8bit/16bit/32bit & 64bit

• Arm 계열, Power PC 계열, MIPS 계열 등

 Memory

• 프로그램 및 data 저장

• RAM/ROM/FLASH memory

 I/O device

• serial port, parallel port, USB, IEEE1394A

 Network device

• Lan(802.3, csma/cd), wireless lan(802.11, csma/ca)

임베디드 시스템 하드웨어 - 프로세서  

 프로세서

• 임베디드 시스템의 핵심 부분

• 반도체 회사에서 많은 종류의 제품들을 시판

• 프로세서의 속도

 MHz의 클럭속도

 8 비트, 16 비트, 32 비트, 64 비트 등 데이터 버스의 크기와 기본연산의 단위에 따라 선택

 마이크로 프로세서 와 마이크로 컨트롤러

• 마이크로 프로세서 : CPU 코어만을 하나의 칩(chip)으로 구성한 경우를 말한다.

• 마이크로 컨트롤러 : CPU 코어에 여러 종류 및 크기의 메모리, 네트워크 입출력 장치, TPU 등의 timer 프로세서 장치 등, 다양한 주변장치들까지 포함

 CISC 와 RISC 프로세서

• CISC (Complex Instruction Set Computer) : 복잡하고 다양한 고기능의 명령어를 갖는 아키텍처

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) : 명령어의 개수를 줄이고 동일 규격화하여 명령어 수행의 파이프라이닝(pipelining)을 극대화하며, 저전력 소모에 저가로 생산할 수 있도록 한 아키텍처

임베디드 시스템 하드웨어 - SoC

 기타

• 프로세서 로직을 라이선스하여 SoC(System on a Chip) 형태로 프로세서 코어, 메모리, 디지털 신호 처리(DSP, Digital Signal Processing) 및 주변장치 등을 하나의 칩에 통합하여 제조 가능

• SoC 특징 

 제품의 크기가 보드가 아니라 칩 크기로 소형화되기 때문에 저전력 소모, 제품 가격 하락, 안정성 증가뿐만 아니라 혁신적인 디자인도 가능.

 모듈별로 재사용 가능한 IP(Intellectual Property) 개발이라는 새로운 사업 모델의 등장. 이전에는 일부 반도체 회사에서만 프로세서 칩을 설계, 제조 및 판매가 가능했지만, 이제는 영국의 ARM처럼 프로세서 코어 IP를 판매하는 회사도 등장. ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 제조 기술만 있는 회사이면 IP를 라이선스하여 프로세서와 같은 칩 생산이 가능

임베디드 시스템 하드웨어 - 메모리  

임베디드 시스템 응용분야 [1] 

 정보가전

• 디지털 TV

• 인터넷 냉장고

• 인터넷 세탁기

• 전자레인지

임베디드 시스템 응용분야 [2] 

 제어분야

• 공장자동화

• 가정자동화

• 로봇 제어

• 공정제어

임베디드 시스템 응용분야 [3] 

 정보기기

• 단순한 통화 중심의 이동 전화기에서 각종 정보검색, 오락, 메시징 등의 복합 기능이 수행되는 디지털 정보단말기기로 발전

• 단말기기 각각의 기능에 맞는 마이크로프로세서, 메모리, 운영체제, 응용 프로그램 등으로 구성

 예)핸드폰, PDA, 스마트 폰, MP3 플레이어, 게임기기 등

임베디드 시스템 응용분야 [4] 

 항공/군용

• 항공기

 보통 수 백 개의 프로세서 탑재

• 우주왕복선

 Pathfinder -실시간 운영체제인 VxWorks가 탑재된 것으로 유명

 대표적인 실시간 시스템의 하나

 영상처리, 통신 등 모든 처리기능을 복합적으로 가짐

임베디드 시스템 응용분야 [5]

 게임기

• 고성능 프로세서 탑재

• 마이크로소프트의 Xbox

• 소니의 playstation 2

• 닌텐도 게임보이 어드벤스 (nintendo gameboy advance)

 32-Bit ARM 프로세서

 2.9인치 TFT 스크린

 32,768 색상을 지원하는 휴대형 게임 장치

임베디드 시스템 응용분야 [6] 

 물류/금융/사무용기기

• 물류/금융

 물류 : POS 단말기

 금융 : 자동 현금 입출금기 혹은 ATM 단말기

• 사무용기기

 프린터, 스캐너, 팩스, 복사기, 이들의 기능을 하나로 모은 복합기 등

임베디드 시스템 응용분야 [7] 

 네트워크 기기

• 디지털 교환기, PABX (private automatic branch exchange) 등의 음성 서비스 통신기기

• 라우터, 게이트웨이, 공유기 등의 유무선 데이터 통신 장비

• Set-top box

임베디드 시스템 시장 규모 

임베디드 소프트웨어 시장 규모

임베디드 OS 현황

임베디드 운영체제별 국내 사용 현황

임베디드 시스템 향후 전망 

 임베디드 운영체제(OS)에 절대강자가 없는 상황 

• PC 시장과 같이 특정 OS 가 시장을 독점하지 못하고 있음

• 적용제품의 종류, 규모에 따라 여러 종류의 상용 및 비상용 제품 다양

• 임베디드 OS 및 플랫폼, 애플리케이션 시장을 놓고 불꽃 튀는 경쟁

 VxWorks를 비롯한 RTOS 

 윈도CE 

 임베디드  리눅스 

 썬의 Java 

 일본의 Tron