[임베디드] 임베디드 프로그래밍?

임베디드 시스템

컴퓨터는 일련의 산술, 논리 연산을 수행하도록 프로그래밍할 수 범용 장치이다. 우리는 보통 컴퓨터를 떠올리면, PC나 노트북을 떠올리게 된다. 하지만 컴퓨터는 생각보다 범위가 더 넓고, 우리의 일상 모든 곳에 존재한다. 임베디드 시스템은 그 중, 더 특수한 목적을 가지고 기계 안에 내장되어 기계장치를 사용하게 해주는 컴퓨터를 의미한다. 자동차, 세탁기, TV, 토스터, 스마트폰 등 다양한 기계 내부에 내장되어 있다. 요새는 태블릿, 스마트폰 등의 모바일 시장이 오히려 PC 시장보다 더 커지고 있는 추세이다. 

 

 

컴퓨터 시스템

이렇게 내장된 컴퓨터들도 우리가 익숙한 PC의 원리(0과 1로 연산을 수행)를 벗어나지 않는다. 이해를 위해 PC를 살펴보자. PC 안에는 회로판(Circuit Board)이 있고, 회로판은 집적 회로(Integrated Circuit)으로 이루어져 있고, 집적 회로는 모듈(Module)로 이루어져 있으며, 모듈은 셀(Cell)로, 셀은 게이트(Gate)로, 게이트는 트랜지스터, 혹은 디바이스라고 불리는 최소단위 MOSFET으로 이루어져 있다. 정리하면 다음과 같다.

• 회로판 : 1-2G 개의 디바이스로 구성, 시스템을 구성
• 집적회로 : 0.25M-16M 개의 디바이스로 구성, 모여서 PCB(부품들이 꽂힌 녹색판)를 구성
• 모듈 : 100K개의 디바이스로 구성, 모여서 집적회로(IC)를 구성
• 셀 : 1K-10K개의 디바이스로 구성, 모여서 모듈을 구성
• 게이트 : 8개의 디바이스로 구성, 모여서 셀을 구성
• 디바이스 : MOSFET, 트랜지스터라고도 하며 0과 1을 구분

 

 

컴퓨터 퍼포먼스

컴퓨터가 어떤 명령을 수행한다고 하자. 먼저 '알고리즘'이 몇 번의 작업을 수행할지 결정한다. 그럼 이 작업 당 몇 개의 기계명령이 수행되어야 할지를, '프로그래밍 언어, 컴파일러, 컴퓨터 구조 등'에 의해 결정된다. 이제 작업을 실행할 준비가 되었으니, 작업을 실행하면 이것을 얼마나 빨리할 수 있을지는 '프로세서와 메모리'가 결정한다. 이것을 얼마나 빨리 결과를 받아 볼 수 있을지 입/출력 속도는 '입/출력 시스템'이 결정한다.

 

조금 더 사용자 입장에서 작업 수행과정을 이해해보자면, 우리는 프로그램을 '응용 프로그램ㅡ 시스템 소프트웨어ㅡ하드웨어'로 크게 구분할 수 있다. 응용 프로그램은 우리가 평상 시에 사용하는 프로그램들 게임, 인터넷 브라우저 등 전부이다. 이것이 시스템 소프트웨어에 있는 컴파일러, 운영체제의 커널 함수 등을 사용하여 실제 하드웨어의 동작을 이끌어 낸다. 

 

하지만 컴퓨터는 0과 1밖에 모르지 않는가? 우리가 코딩을 한다고 해서, 0과 1로 코딩을 하는 것은 아니다. 우리가 작성하는 프로그래밍 언어는 보통 '고급 프로그래밍 언어(HLL)' 이다.응용 프로그램은 보통 고급 프로그래밍 언어로 작성된다. 이것이 컴파일러에 의해 해석되어 하드웨어에 명령할 수 있는 어셈블리어로 번역되고, 어셈블러는 이 어셈블리어를 0과 1로 바꿔 장치들이 연산 명령을 전달 받게 된다. 

 

명령을 받아 연산을 수행하는 컴퓨터는 다음과 같은 구조로 되어있다

이렇게 기계 구조를 디자인 하는데에는 앞서 말했던 컴퓨터의 퍼포먼스에 대한 이해가 아주 중요하다. 왜 어떤 부품은 성능이 좋고, 어떤 부품은 그렇지 않은지. 하드웨어가 어째서 성능에 영향을 미치는지도 다 컴퓨터 퍼포먼스의 이해와 연관 된다.

 

퍼포먼스는 구체적으로 두 가지 기준으로 측정한다.
- 지연율은 내가 input을 넣었을 때, output이 나오는데 걸리는 시간.
- 처리율은 단위 시간 당 생산된 결과의 양.
당연히 지연율이 낮고, 처리율이 높아야 퍼포먼스가 좋다고 이야기할 것이다. 

 

물론 퍼포먼스만 무작정 좋게 장치를 설계하면 좋겠지만, 더 구체적으로 들어가면, 가격, 전력소비량도 중요한 설계요인으로 작용한다. 그래서 퍼포먼스(throughput)/비용($), 퍼포먼스/(throughput)/전력량(W), 일/에너지(1J당 일의 양) 등으로 프로세서를 비교하기도 한다.

 

위 처럼 절대적인 기준으로 퍼포먼스를 측정할 수 있지만, 상대적 퍼포먼스도 존재한다. '퍼포먼스 = (1/실행시간)'으로 정의하며, 여기서 실행시간은 I/O나, 다른 프로그램을 실행하는 것이 아닌, 내가 준 명령을 CPU가 받은 시간 부터 실행이 끝난 시간(CPU time)까지를 이야기한다.
- Performance_x / Performance_y = 3이라면, x가 y보다 3배 빠른 것이다.
- Execution_time_x / Execution_time_y = 3이라면, y가 x보다 3배 빠른 것이다. 

 

파워(필요전력량)도 중요한 설계 요인이라 소개했다. 파워 = 전기 부하 × 전압^ × 진동수 인데, 드는 파워를 줄이는데에는 한계(The Power Wall)가 있다. 전압도 지나치게 낮출 수도 없고, 발생하는 열을 통제해야하기 때문이다.

 

그래서, 퍼포먼스의 증가를 위해 CPU를 여러개 즉, 멀티코어 CPU가 나오게 된다. 물론 여러개로 작업을 하기 때문에, 통신을 최적화하거나 동기화 하는데에 많은 노력이 들어가지만 일을 병렬적으로 처리하기 때문에 훨씬 효율적이다.