[임베디드 기초 뿌수기 12-1] MCU 저전력 모드를 위한 클럭 분배를 살펴봅시다

[0:01]안녕하세요. 이번 시간에는 저전력 모드에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 이 MCU를 사용을 하다 보면은 저희가 항상 이 배터리의 모든 전력을 끌어다가 MCU를 구동을 시킬 수 없어요. 뭐 비단 MCU 주변에는 여러 가지 이제 주변 회로도가 이렇게 붙습니다. 그래 가지고 이 전체적으로 이제 하나의 보드가 배터리로부터 전력을 공급을 받아서 예를 들어 삐뿔이라고 할게요. 삐뿔로부터 전력을 공급을 받아서 구동을 하게 됩니다. 그런데 항상 이 MCU를 풀 파워 모드로 사용을 한다면은 이 삐뿔 배터리에서 소비되는 전력이 상당하겠죠. 그래서 차량 같은 경우에는 이 배터리에 방전을 막기 위해서 이 MCU를 최대한 안 쓸 때는 이 저전용 모드로 변환을 시킵니다. 그래서 소비되는 전력을 최소화하도록 유지합니다. 저희가 도어락 같은 거 있잖아요. 도어락이 이렇게 막 있는데 여기 숫자 키패드가 있죠. 얘가 항시 동작을 하지는 않아요. 도어락 같은 경우에는 이렇게 슬립 상태로 있다가 저희가 이제 손가락으로 이렇게 터치를 이렇게 하면은 얘가 이제 삐리리릭 소리도 내고 터치 뭐 키패드 디스플레이도 표출이 되면서 동작을 하잖아요. 이렇게 모드를 전환을 해주면서 소비되는 전류를 최소화시켜서 전력을 아끼도록 하는 것이 이제 저전력 모드다라고 이해해 주시면 되겠습니다. 일단은 저전력 모드를 살펴보기 전에 이 저전력 모드에서 가장 중요한 클럭에 대해서 좀 살펴보도록 할게요. 클럭. 우리가 이제 클럭을 살펴본 다음에 이 MCU에서 지원하는 저전력 모드가 어떤 것들이 있는지를 살펴볼 거예요. 자 클럭 디스트리뷰션은 뭐냐? MCU가 내부 CPU, 메모리, 페리퍼럴 등을 제어하기 위해 사용하는 클럭 소스에 대한 분배를 나타냅니다. 즉 클럭을 사용하는 장치가 많아질수록 전력 소비가 증가해요. 그럼 우리가 전력을 최소한으로 쓰고 싶으면 이 페리퍼럴, 메모리, 이 CPU를 다 꺼버리면 돼요. 그럼 MCU가 사용하는 전력이 최소화 되겠죠. 자 그리고 우리가 안 전류 다크 커런트에 대해서 알아봐야 되는데 이 안 전류란 무엇이냐? 자동차에서 안 전류란 차량이 뭐 이그니션 오프 같이 동작을 안 하는 시동이 켜지지 않는 상태에서 이 전장품 MCU 및 주변 회로 여기에는 뭐 캔 트랜시버가 될 수도 있고. 뭐 린 트랜시버가 될 수도 있고 모터 드라이버 칩이 될 수도 있죠. 이러한 모든 회로들이 소비하는 최소한의 전류를 안 전류라고 해요. 보통은 수백 마이크로암페어 단위로 관리를 하고 만약에 암전류 모드에서 어 뭐 수십 밀리암페어를 사용을 한다라고 하면은 배터리 방전 문제가 발생을 해요. 차량에서 저희가 뭐 배터리 방전되면은 스마트 키도 안 먹고 도어 래치 락 언락도 안 되고 문을 열 수가 없죠. 당연히 구동도 안 될 테고요. 자 그래서 보면은 이제 우리가 보드 레벨에서 볼게요. 보드 레벨에서 MCU가 있고 여러 가지 주변 회로가 있습니다. 그렇죠? 우리가 살펴볼 클럭 디스트리뷰션은 이 MCU에 대한 클럭 디스트리뷰션이에요. 아 CPU에서 사용하는 클럭도 있고 램에서 사용하는 클럭, 롬, 뭐 GPIO, ADC 이렇게 사용하는 클럭이 분배가 되어 있어요. 그래서 우리는 이런 것들을 온오프 함으로써 이 MCU의 소비 전력을 최소화한다라는 것이 이제 저전력 모드고 그것을 살펴보기 위해서 MCU의 클럭 디스트리뷰션을 알아보도록 하겠습니다. 데이터 시트에는 이 클럭 디스트리뷰션에 대한 블록 다이어그램을 제공을 하고 있어요. 요 그림을 가져와서 설명을 드리도록 하겠습니다. 뭐가 되게 많은데 일단은 차근차근 알아보도록 하겠습니다. 일단은 뭐부터 보냐? 바로 맨 아래서부터 보시죠. 맨 아래. 맨 아래에 뭐가 있냐? 자, 익스터널 클럭도 있고 크리스탈 오실레이터도 있고 로우 프리퀀시 크리스탈 오실레이터도 있고 캘리브레이티드 RC 오실레이터도 있어요. 자, 캘리브레이티드 RC 오실레이터는 아트메가 328P에서 기본적으로 지원하는 저항과 커패시턴스로 구성된 오실레이터에요. 8MHz가 기본값입니다. 자, 그리고 로우 프리퀀시 크리스탈 오실레이터는 32.768kHz 전용 저주파 오실레이터에요. 얘는 어떤 용도로 쓰냐면 이 정확한 시간을 계산하기 위한 리얼타임 클럭 용도로 사용을 합니다. 자, 그리고 크리스탈 오실레이터가 있는데 우리가 바로 실습에서 사용하는 16MHz가 이 크리스탈 오실레이터에요. 그리고 익스터널 클럭도 있습니다. 외부 클럭 소스 뭐 외부 MCU라든지 신호 생성기라든지 이렇게 안정적으로 클럭을 공급을 받을 수 있으면 익스터널 클럭을 사용을 합니다. 그럼 저희는 외부의 이렇게 오실레이터 뭐 요렇게 생긴 거 16메가짜리 달고 커패시턴스도 이렇게 달아줬잖아요. 그렇죠? 이거를 사용하게 일단 뜻입니다. 그러면은 이거를 사용하는 설정을 어떻게 하느냐? 바로 이 클럭 멀티플렉서라는 것을 이용을 해서 어떤 클럭 소스를 사용을 할지를 결정할 수 있습니다. 그럼 얘는 어떻게 결정하느냐? 퓨즈 비트로 입력을 선택할 수 있어요. 퓨즈 비트는 좀 이따가 다시 설명드리겠지만 하드웨어 설정 레지스터예요.

[6:11]저희가 그 프로그래밍 다운로드 할 때 AVR 주드 명령어 써서 했던 거 기억나시죠? 예전에 처음에 플래시 굽고 뭐 퓨즈비트도 설정을 하고 뭐 일단은 제가 이대로만 좀 따라와 주세요라고 말씀드렸던 것을 기억하실 수도 있어요. 거기서 보면은 우리가 이런 명령어를 터미널에서 쳐줬거든요. L 퓨즈를 라이트 해라. 0xF로.

[6:44]자, 이 FF로 써준다는 것의 의미가 클럭 멀티플렉서의 값을 조절을 해서 외부 크리스탈 오실레이터가 입력 소스로 들어올 수 있게 우리가 설정을 해 준 겁니다. 기억이 안 나실 수도 있지만 옛날에 다 했던 거예요. 자 그러면은 이 클럭을 요렇게 인가받아서 그 다음에 어떻게 되냐? 클럭 프리 스케일러로 설정이 들어갑니다. CLK 프리 스케일러 레지스터로 설정이 가능을 해요. 즉 우리가 소프트웨어로 설정을 할 수 있다는 뜻입니다. 그렇게 프리 스케일러 설정했으면 어디로 가냐? 바로 이 AVR 코어로 들어가게 돼요. 자, 이 AVR 코어는 시스템 클럭을 각 모듈에 독립적으로 분배를 합니다. 여기 보시면 타이머 카운터 전용 클럭 제너럴 퍼포즈 IO에 대한 클럭, ADC에 대한 클럭, CPU, 램, EPROM 이렇게 각각의 모듈에 대한 클럭 분배가 다 다릅니다. 보시면 클럭 IO는 타이머 카운터랑 이 제너럴 IO 모듈에 같이 공급돼요. ADC 클럭은 ADC 모듈에만 공급돼요. CPU 클럭은 CPU 코어랑 램이랑 같이 공급돼요. 왜냐면 당연히 CPU를 돌리려면 이 램이 필요하겠죠? 그리고 플래시 관련 된 클럭은 이 플래시와 EPROM 전용 클럭으로 공급이 됩니다. 즉 이 시스템 클럭을 각 모듈에 독립적으로 분배시켜 주는 애가 이 클럭 컨트롤 유닛이에요. 자 그럼 우리가 슬림 모드를 보는데 왜 클럭을 살펴봐야 되냐고 의문이 드실 수도 있잖아요. 이 슬림 모드라는 것이 각 모듈에 분배된 클럭을 온오프 함으로써 MCU의 소비 전력을 줄이는 것이기 때문이에요. 그러니까 우리가 슬립에 들어간다라는 것은 이 MCU가 그냥 먹통이 되어 버린다 가 아니라 아 이 IO 클럭을 끌까? ADC 클럭을 끌까? CPU 클럭을 끌까? 플래시 클럭을 끌까? 요런 것들을 온오프를 해 주면서 이 전력 소비를 조절을 하는 거예요. 이해가 되셨죠? 자 남은 설명 마저 하겠습니다. 이쪽에 설명 안 한 부분이 있죠. 얘는 뭐냐면 와치독이라는 기능을 담당하는 놈이에요. 이 와치독 클럭은 내부에 독립적으로 존재해요. 128kHz로 독립적으로 존재해요. 그래서 와치독 오실레이터에서 클럭을 생성한 다음에 와치독 타이머로도 가고 이 리셋 로직으로 들어갑니다. 와치독은 뭐 하는 놈이냐? 이거는 다다음 챕터에서 설명을 드릴 텐데 이 리셋을 시켜주는 애예요. 이 리셋도 다음 챕터에서 제가 설명을 드릴 거예요. 그래서 아 그냥 뭐 와치독을 위한 전용 클럭이 있고 얘가 리셋에 연관되어 있는 모듈이구나라고 이해만 해주시면 됩니다. 그리고 왼쪽에 보시면 요 부분이 있죠. 얘는 비동기 타이머 카운터 전용 오실레이터를 이렇게 끌어다 쓸 수 있습니다. 그래서 저희는 이제 뭐 사용을 하지 않기 때문에 그냥 부가 기능 정도로만 생각을 해주시면 됩니다.