IoT (1) - 시리얼 통신
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1. 시리얼 통신
시리얼 (serial) 통신은 직렬로 데이터를 교환하는 프로토콜 (규칙)들을 통칭한다. 여러 시리얼 통신 중 임베디드 시스템에서는 UART, SPI, I2C 프로토콜이 가장 보편적으로 사용되고 있다. N bits 데이터를 전송하는 경우, 패러렐 (parallel) 인터페이스에서는 클럭 (CLK) 라인을 이용해 동기화를 맞춘 상태에서 N개의 데이터를 한 번에 전송하지만, 시리얼 인터페이스의 경우 대개 1개의 데이터 라인을 이용해 정보를 전달한다.
위 그림에서 볼 수 있듯이, 직렬보다는 병렬로 데이터를 전송하는 경우의 전송 속도가 보다 빠르다. 그러나, 이를 구현하기 위해서는 기본적으로 N bits의 데이터 라인을 필요로 하기 때문에, 마이크로 프로세서와 여러 종류의 집적회로 (IC)로 구성되는 임베디드 시스템의 내부 인터페이스로는 시리얼 통신이 더 적합할 것으로 보인다.
1.1 UART
일반적으로 아두이노와 같은 임베디드 보드 또는 마이크로 컨트롤러 (micro-controller unit, MCU)에는 UART (universal asynchronous receiver/transmitter) 모듈이 내장되어 있어서 비동기식 (asynchronous) 시리얼 통신 규격에 맞춰 데이터를 교환할 수 있도록 처리해준다. UART 모듈은 하드웨어 제작자가 이미 설계해두었다고 할 때, 비동기식 시리얼 인터페이스를 이용하기 위해 “펌웨어 개발자”는 다음의 내용 정도는 숙지하고 있어야 한다.
Notice: 임베디드 시스템에서의 비동기식 시리얼 통신은 대부분 UART 모듈을 이용하므로, 이하 내용에서 비동기식 시리얼 인터페이스를 편의상 UART 통신이라고 언급하겠다.
1.2 하드웨어 연결
위 그림에서 전압 레벨을 맞추기 위한 그라운드 (GND) 라인을 제외하면, UART 통신에서는 별도의 클럭 없이 TX와 RX 두 개의 라인만을 이용한다 (e.g. A에서 B로 데이터를 송신하는 경우, A.TX핀과 B.RX핀 사이의 데이터 라인을 이용). 따라서, UART 통신을 이용하는 경우 하드웨어 사이의 연결이 단순해진다.
Notice: UART 인터페이스 이용 시 한 쪽 모듈의 TX 핀은 다른 한 쪽의 RX 핀과 연결해줘야 한다.
1.3 데이터 프레임
UART 인터페이스에서는 별도의 클럭을 사용하지 않기 때문에, Start bit와 Stop bit를 이용해 통신의 시작과 끝을 구분한다. 다음 그림은 UART 통신에서의 데이터 프레임과 TTL level (logical HIGH: 3.3 or 5V)에서의 데이터 스트림 예시를 보여준다.
기본적으로 통신 전 IDLE 상태에서는 logical HIGH 전압을 유지하고, LOW (Start bit) 로 바뀐 시점부터 데이터 전송이 시작된다. 데이터는 LSB에서 MSB 순서로 전달하며, 데이터 전송이 끝나면 Stop bit 이후 HIGH 상태를 유지한다. 위 그림은 1 byte = 8 bits 데이터를 전송하는 경우를 보여주고 있으며, 데이터 값은 0x55 = 0b0101_0101 이다. (Start bit: 1, Stop bit: 0)
Referecnce
https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-communication
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