1장 - HW Collage(하)

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임베디드 레시피 정리 2편 – 트랜지스터·레지스터·메모리·CPU까지 한 번에 이어보기

「임베디드 레시피」 하드웨어 파트를 기반으로 개인적으로 공부한 내용을 정리.

2편 범위:

- 트랜지스터 1% (스위치 관점)

- Pull-up / Pull-down / Open-Collector(Open-Drain)

- RLC와 스위칭 파형 감각

- 논리회로로의 확장 (게이트, 조합·순차 논리)

- IC 기본 개념

- 레지스터(Register)의 역할

- 클럭(Clock)과 버스(Bus) 전송 메커니즘

- 타이밍과 Spec 읽기 (Setup/Hold 등)

- 메모리 선정과 XIP

- RAM(SRAM/DRAM)의 물리적 동작 감각

- CPU 동작 원리와 파이프라인

1. 트랜지스터 1% – 전자 스위치 감각

트랜지스터를 완벽히 이해할 필요는 없고,

임베디드 개발자 입장에서 “전자 스위치"라는 감각만 잡아도 실무에 충분.

1-1. 디지털에서의 트랜지스터

MCU의 GPIO 핀 내부를 단순화하면:

출력 HIGH
- 내부 MOSFET가 ON → 출력이 VCC에 연결
출력 LOW
- 다른 MOSFET가 ON → 출력이 GND에 연결

정리하면:

트랜지스터 = 전압으로 ON/OFF하는 전자 스위치
MCU는 이 스위치를 켰다 껐다 하면서
LED, 드라이버 IC, 센서 등 주변 회로를 제어

1-2. 왜 MOSFET을 많이 쓰는가

BJT: 베이스 전류로 제어 (전류 구동)
MOSFET: 게이트 전압으로 제어 (전압 구동, 게이트 전류 거의 0)

MCU 주변에서는:

3.3V/5V 출력만으로 MOSFET 게이트를 제어할 수 있고
모터, 릴레이, 램프 등 고전류 부하 스위칭에 적합

1-3. MCU가 직접 부하를 못 켜는 이유

MCU GPIO 예:

출력 전압: 3.3V
최대 전류: 몇 mA 수준

부하 예:

12V 릴레이, 모터, 자동차 램프 등
수백 mA ~ 수 A 필요

그래서 구조는 보통:

MCU GPIO → MOSFET 게이트
전원(12V 등) → 부하 → MOSFET → GND

MCU는 신호만, MOSFET은 실제 전류 스위칭 담당.

2. Pull-up / Pull-down / Open-Collector(Open-Drain)

2-1. Floating 입력과 풀업/풀다운

입력 핀을 아무 데도 안 연결하면:

공중에 떠 있는 상태(floating)
노이즈에 따라 전압이 들쭉날쭉
0/1이 랜덤하게 바뀔 수 있음

이 문제를 막기 위해 사용하는 것이 Pull-up / Pull-down 저항.

Pull-up
- 입력을 저항으로 VCC 쪽에 연결
- 기본 상태: 1
Pull-down
- 입력을 저항으로 GND 쪽에 연결
- 기본 상태: 0

버튼 예시(풀업 + 스위치 to GND):

버튼 X → 입력은 풀업 때문에 1
버튼 O → 입력이 GND로 직접 연결 → 0

2-2. Open-Collector / Open-Drain

일반 Push-Pull 출력:

내부에 VCC 스위치 + GND 스위치
스스로 0도 만들고 1도 만듦

Open-Collector/Open-Drain 출력:

GND 쪽 스위치만 있음
VCC 쪽은 외부 Pull-up 저항이 담당

상태:

트랜지스터 OFF → 출력은 떠 있음 → 풀업 저항이 VCC로 끌어올림 → 1
트랜지스터 ON → GND로 강하게 당김 → 0

장점:

여러 디바이스가 한 라인을 공유 가능
누군가 0으로 당기면 전체가 0 (Wire-AND 구조)

대표 예:

I²C SDA/SCL 라인
여러 장치의 인터럽트 OR-ing

3. RLC와 스위칭 파형 감각

R, L, C와 트랜지스터가 섞이면 파형이 현실적으로 어떻게 찌그러지는지를 이해해야 한다.

3-1. 빠른 스위칭과 링잉

MOSFET이 아주 빠르게 ON/OFF 될 때:

전류 변화량 ΔI/Δt가 매우 큼
배선/패턴에는 기생 인덕턴스 L
패턴·부하에는 기생 커패시턴스 C

→ L과 C 조합으로 공진

→ 파형에 링잉(ringing), 오버슈트/언더슈트 발생

문제점:

일시적으로 전압이 스펙을 넘을 수 있음
통신 신호 왜곡, EMI 문제로 이어짐

3-2. 실무에서의 대처

직렬 저항(Series R)
- 신호 에지를 완만하게 만들어 링잉 감소
RC 스너버(Snubber)
- 특정 주파수 대역 에너지 흡수
레이아웃 최적화
- GND 리턴 경로 짧게
- 루프 면적 최소화
- 디커플링 캐패시터를 IC 근처에 배치

“통신 라인에 22Ω, 33Ω 같은 작은 저항이 왜 있지?”

→ 대부분 에지 완화, 링잉/EMI 억제용이라고 보면 된다.

4. 논리회로로의 확장

트랜지스터 여러 개를 묶으면 논리 게이트가 된다.

기본 게이트:

NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR …

이 게이트들을 조합하면:

조합 논리: 디코더, 멀티플렉서, ALU 일부
순차 논리: 플립플롭, 레지스터, 카운터, 상태기계

임베디드 개발자 관점:

MCU 내부 주변회로(타이머, 인터럽트 컨트롤러, GPIO 로직 등)는
결국 논리 게이트 + 플립플롭의 큰 조합이다.
디지털 회로도 아날로그 위에서 돌아가므로
전압 레벨, 노이즈 마진, 타이밍이 중요.

5. IC 기본

IC(Integrated Circuit)는:

수많은 트랜지스터와 수동 소자가
하나의 실리콘 다이 위에 집적된 것

임베디드에서 자주 보는 IC:

MCU / MPU
전원 IC (PMIC, LDO, DC-DC)
센서 IC (IMU, 온도, 압력 등)
모터/LED 드라이버
통신 PHY / 트랜시버 (CAN, Ethernet, RS-485 등)

데이터시트에서 특히 볼 것:

Absolute Maximum Ratings
- 절대 넘으면 안 되는 한계 (전압, 전류, 온도)
Recommended Operating Conditions
- 정상 동작이 보장되는 범위
Pin Description
- 각 핀의 기능, 전원·GND, 입력/출력, Open-Drain 여부
Electrical Characteristics
- 입력 임계 전압, 출력 전류, 누설 전류, 소비 전류
Timing Characteristics / Diagram
- 셋업/홀드, 지연 시간, 클럭 관련 타이밍
Register Map (MCU/주변장치)
- 어떤 주소의 어떤 비트가 무슨 기능을 하는지

IC는 “검증된 회로 블록”이라,

데이터시트를 잘 읽고 전원·핀 연결·레지스터 초기화만 맞추면 많은 걸 가져다 쓸 수 있다.

6. 레지스터(Register) – 제어 포인트

레지스터 = CPU가 읽고 쓸 수 있는 하드웨어 제어용 메모리 위치.

예:

GPIO 모드 설정 레지스터
타이머 설정 레지스터
UART 보레이트/패리티 설정 레지스터
인터럽트 Enable/Status 레지스터

특징:

주소가 정해진 Memory Mapped I/O
비트 단위로 의미가 나뉨
- 예: bit0 = Enable, bit1~2 = Mode, bit3 = Interrupt Enable …
읽기 전용(RO), 쓰기 전용(WO), 읽기/쓰기(RW), 1 쓰면 클리어(W1C) 등 속성 존재

임베디드 개발자는:

레퍼런스 매뉴얼의 레지스터 맵을 보고
C 코드로 해당 주소를 매핑하고
비트 연산으로 기능을 켜고 끄는 사람.

7. 클럭(Clock) – 시스템의 박자

클럭은 디지털 시스템의 공통 박자.

역할:

CPU가 언제 명령을 가져오고 실행할지 결정
플립플롭이 언제 데이터를 샘플링할지 결정
타이머, UART, SPI 등의 동작 속도 기준 제공

클럭 소스:

내부 RC 오실레이터
외부 크리스털/오실레이터
PLL로 증배, Divider로 분주

클럭이 높을수록:

더 많은 연산을 수행할 수 있지만
소비 전력이 늘고
타이밍 여유가 줄어듦

클럭 트리(Clock Tree) 다이어그램을 이해하면:

System Clock
Bus Clock
Peripheral Clock

관계를 한눈에 볼 수 있어,

속도·전력·타이밍을 조절하는 데 도움이 된다.

8. 버스(Bus) 전송 메커니즘

버스(Bus)는 CPU, 메모리, 주변장치 사이에서

주소, 데이터, 제어 신호를 주고받는 통로.

구성:

Address Bus
- 어느 주소/장치를 접근할지 지정
Data Bus
- 실제 데이터를 실어 나름
Control Signal
- Read/Write, Chip Select, Ready/Wait 등

동작 예:

CPU가 어떤 레지스터에 값을 쓰고 싶다.
Address Bus에 해당 주소를 올린다.
Data Bus에 쓸 값을 올린다.
Write 신호를 활성화한다.
해당 슬레이브(주변장치)가 그 값을 받아 레지스터를 갱신한다.

ARM 기반 MCU에서 자주 보는 예:

AHB, APB 버스
외부 SDRAM/NOR Flash 인터페이스 버스 등

9. 타이밍과 Spec 읽기

디지털 회로는 논리 값(0/1)뿐 아니라

“언제 값이 유효한지”도 중요하다.

대표 타이밍 파라미터:

Setup Time (tSU)
- 클럭 에지 전에 데이터가 안정되어 있어야 하는 최소 시간
Hold Time (tH)
- 클럭 에지 후에도 데이터가 유지되어야 하는 최소 시간
Propagation Delay
- 입력이 바뀌고 출력이 바뀔 때까지 걸리는 시간

데이터시트 타이밍 다이어그램을 볼 때:

기준 신호는 무엇인지 (보통 클럭)
데이터가 그 기준에 대해 언제 안정되어야 하는지
최소/최대 시간 조건이 무엇인지

를 확인해야 한다.

SPI, I²C, 외부 메모리 인터페이스 등에서:

허용된 최대 클럭 속도를 넘겨 쓰면
Setup/Hold 조건을 깨고
간헐적인 오동작이 발생할 수 있음.

10. 메모리 선정과 XIP

임베디드 시스템에서 메모리를 고를 때 보는 요소:

용량
속도
가격
전력
인터페이스
코드 실행 방식(XIP 여부) 등

10-1. NOR vs NAND

NOR Flash

주소를 주면 바로 읽을 수 있어
랜덤 읽기에 유리
코드 저장 및 XIP에 적합
용량당 가격이 비싸고 대용량에 불리

NAND Flash

페이지/블록 단위 접근
대용량 저장에 유리, 가격 저렴
코드를 직접 실행하기보다는
- 부트로더가 RAM으로 옮겨서 실행하는 방식에 적합

10-2. XIP (eXecute In Place)

XIP = 플래시를 메모리 공간에 매핑해

CPU가 그 자리에서 직접 코드를 실행하는 방식.

장점:

코드 전체를 RAM으로 복사할 필요 없음
RAM 요구량 감소
부팅 속도 단축 가능

단점:

플래시 접근 속도에 의존
고성능 코어에서는 캐시/프리페치 설계가 중요

작은 MCU 기반 시스템은

내장 플래시에서 XIP하는 구조가 일반적이다.

11. RAM의 물리적 동작 – SRAM vs DRAM

11-1. SRAM

플립플롭(또는 래치) 구조로 비트를 저장
리프레시(refresh) 불필요
빠르고 단순하지만 면적/비용이 큼
MCU 내부의 내장 RAM 대부분이 SRAM 계열

11-2. DRAM / SDRAM / DDR

커패시터에 전하를 저장하는 구조
시간이 지나면 전하가 새서 주기적인 리프레시 필요
셀 구조가 간단해 대용량 구현에 유리
컨트롤러가 Row/Column, Bank, Refresh를 관리해야 함

임베디드에서:

소형 MCU → 내부 SRAM만 사용
고성능 MPU/SoC → 외부 DDR SDRAM 연결, 컨트롤러 초기화 필요

12. CPU 동작 원리 – How CPU Works

지금까지의 재료:

논리 게이트
플립플롭
레지스터
버스
메모리
클럭

이게 합쳐지면 CPU가 된다.

CPU의 기본 동작 사이클:

Fetch
- Program Counter(PC)가 가리키는 주소에서 명령을 읽어옴
Decode
- 명령어 비트를 해석해 어떤 연산인지 결정
Execute
- ALU 연산, 메모리 접근, 분기 등 실제 작업 수행
Write Back
- 결과를 레지스터나 메모리에 기록
- PC 업데이트

임베디드 관점에서 중요한 레지스터:

일반 목적 레지스터 (R0, R1, …)
PC(Program Counter)
SP(Stack Pointer)
LR(Link Register, ARM 계열)
상태 레지스터(플래그 비트: Carry, Zero 등)

C 코드 한 줄이 결국

이 Fetch → Decode → Execute → Write Back 과정으로 쪼개져 실행된다고 보면 된다.

13. CPU 파이프라인 – 동시에 여러 명령 처리하기

현대 CPU는 대부분 파이프라인 구조를 사용.

아이디어:

명령어 처리를 여러 단계로 나누고
(예: IF, ID, EX, MEM, WB)
각 단계에서 서로 다른 명령어를 동시에 진행

비유:

세탁소:
- 세탁 → 건조 → 다림질
파이프라인이 없으면 한 손님의 옷을 세탁부터 다림질까지 끝내야 다음 손님 처리
파이프라인이 있으면
- 손님1 옷 세탁 중
- 손님0 옷 건조 중
- 손님-1 옷 다림질 중
- → 전체 처리량 증가

임베디드/실시간 관점에서 주의점:

분기(Branch)로 인해 파이프라인이 깨질 수 있음
메모리 접근 지연, 캐시 미스, 데이터 의존성 등으로
실제 실행 시간이 일정하지 않을 수 있음

하드 실시간 시스템에서는:

파이프라인/캐시 구조를 이해하고
최악 실행 시간(WCET)을 고려한 설계가 필요.

14. 2편 정리

핵심 정리:

트랜지스터는 전자 스위치로 이해하고,
MCU는 작은 신호, MOSFET은 큰 전류 스위칭을 담당.
Pull-up / Pull-down / Open-Drain 구조를 이해하면
버튼·I²C·인터럽트 라인 동작이 자연스럽게 보인다.
RLC + 스위칭이 만드는 링잉/노이즈/EMI를 감안해
직렬 R, 스너버, 레이아웃이 설계되는 것.
IC는 데이터시트의 핀, 전기 특성, 타이밍, 레지스터 맵으로 이해.
레지스터는 하드웨어 제어 포인트이자, 비트 단위로 기능이 정의된 메모리 주소.
클럭과 버스 구조를 알면, 시스템 속도와 데이터 흐름이 보인다.
타이밍 스펙(Setup/Hold 등)은 “최대 클럭”과 직결되는 중요한 조건.
메모리는 NOR/NAND, XIP 여부, SRAM/DRAM 특성을 알고 선택.
CPU는 Fetch–Decode–Execute–Write Back 루프 위에
파이프라인을 얹어 처리량을 높인 구조.

1편 + 2편을 묶어서 보면,

보드 블록 → 신호/RLC → 트랜지스터/논리 → 레지스터/메모리 → CPU/파이프라인까지

임베디드 하드웨어를 한 번에 큰 그림으로 보는 데 도움이 된다.