UART 통신의 핵심: 오류와 특수 조건 완벽 가이드

2024. 8. 20. 10:37ㆍEmbedded

  1. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, 범용 비동기 수신기-송신기):
    • 정의: UART는 데이터 형식과 전송 속도를 설정할 수 있는 비동기 직렬 통신을 위한 주변 장치입니다. 이 장치는 데이터를 비트 단위로 전송하며, 시작 비트와 정지 비트를 사용해 데이터 프레임을 구성합니다.
    • 용도: 주로 컴퓨터와 주변 장치 간의 직렬 통신에서 사용되며, 특히 마이크로컨트롤러에서 통신 모듈로 자주 사용됩니다.
  2. 비동기 통신 (Asynchronous Communication):
    • 정의: 통신하는 두 장치 사이에서 동기화를 위해 공통의 클럭 신호를 사용하지 않고, 데이터 프레임에 포함된 시작 비트와 정지 비트로 데이터의 시작과 끝을 알리는 통신 방식입니다.
    • 용도: 비동기 통신은 데이터가 불규칙하게 전송되는 상황에서 효율적이며, UART가 이 방식을 사용합니다.
  3. 직렬 통신 (Serial Communication):
    • 정의: 데이터를 비트 단위로 하나씩 순차적으로 전송하는 통신 방식입니다.
    • 용도: 주로 UART와 같은 저속 데이터 전송에서 사용되며, 장거리 통신에서 효율적입니다.
  4. 시작 비트 (Start Bit):
    • 정의: 데이터 프레임의 시작을 알리기 위해 송신되는 비트로, 수신 장치가 데이터 수신을 시작할 준비를 할 수 있도록 합니다.
    • 용도: 비동기 통신에서 데이터 프레임의 시작을 명확히 하기 위해 사용됩니다.
  5. 정지 비트 (Stop Bit):
    • 정의: 데이터 프레임의 끝을 알리는 비트로, 수신 장치에 데이터가 끝났음을 알립니다.
    • 용도: 비동기 통신에서 데이터 프레임의 종료를 명확히 하기 위해 사용됩니다.
  6. RS-232, RS-485:
    • 정의: 데이터 통신을 위한 전기 신호 표준입니다.
    • 용도: RS-232는 단거리 통신(예: 컴퓨터와 모뎀 간 통신)에 사용되며, RS-485는 더 긴 거리와 다수의 장치 간 통신이 필요한 상황에서 사용됩니다.
  7. TTL (Transistor-Transistor Logic):
    • 정의: 디지털 회로에서 사용되는 전압 수준으로, 일반적으로 0V와 5V로 구성됩니다.
    • 용도: UART와 같은 장치의 신호 레벨을 정의하는 데 사용됩니다.
  8. 텔레타이프라이터 (Teletypewriter):
    • 정의: 전기식 타자기로, 텍스트 메시지를 원거리로 전송하는 초기 통신 장치입니다.
    • 역사적 용도: 초기 컴퓨터 통신에서 데이터를 전송하거나 운영자 콘솔에 사용되었습니다.
  9. 마이크로컨트롤러 (Microcontroller):
    • 정의: CPU, 메모리, 입출력 포트를 포함한 작은 컴퓨터 시스템으로, 임베디드 시스템에서 사용됩니다.
    • 용도: 가전제품, 자동차, 로봇 등 다양한 임베디드 시스템에 사용됩니다.
  10. 집적 회로 (IC, Integrated Circuit):
    • 정의: 여러 개의 전자 회로를 작은 실리콘 칩에 집적한 회로입니다.
    • 용도: 컴퓨터, 휴대폰, 가전제품 등 거의 모든 전자 장치에 사용됩니다.
  11. USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver-Transmitter):
    • 정의: 동기 및 비동기 통신을 모두 지원하는 수신기-송신기 장치입니다.
    • 용도: UART와 달리 동기화된 클럭 신호를 사용하는 통신도 지원하여 더 높은 정확도의 통신이 가능합니다.
  12. OSI 모델 (OSI Model):
    • 정의: 통신 시스템을 7계층으로 나눈 참조 모델입니다.
    • 용도: 통신 프로토콜을 설계할 때 각 계층의 기능을 정의하고 설명하는 데 사용됩니다.
    • 데이터 링크 계층 (Layer 2): 이 계층은 데이터 프레임의 물리적 전송과 오류 검출, 그리고 물리적 매체 접근 제어를 담당합니다. UART는 이 계층에서 동작합니다.

종합적인 설명

UART는 초기의 컴퓨터 통신 장치로서 비동기 직렬 통신을 가능하게 하였으며, 오늘날에도 다양한 임베디드 시스템과 통신 장치에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 이 장치는 데이터 비트들을 시작 비트와 정지 비트로 감싸 전송하며, 데이터의 타이밍과 신호 수준을 정확하게 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 현대의 마이크로컨트롤러에는 여러 UART 모듈이 통합되어 있어 다양한 직렬 통신을 지원합니다.

 

UART(범용 비동기 수신기-송신기) 라는 기술 개념에 대한 설명입니다. UART는 컴퓨터와 주변 장치 간의 비동기 직렬 통신을 위한 장치로, 데이터 전송의 형식과 속도를 설정할 수 있습니다. 여기서 사용된 전문 용어들을 정의와 함께 다시 설명하겠습니다.

주요 용어 및 개념 정의

  1. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, 범용 비동기 수신기-송신기):
    • 정의: UART는 비동기 직렬 통신을 가능하게 하는 하드웨어 장치입니다. 데이터를 비트 단위로 전송하며, 데이터의 시작과 끝을 알리는 시작 비트와 정지 비트를 사용해 통신을 제어합니다.
    • 주요 기능: 송신기에서 데이터를 직렬로 전송하고, 수신기에서 이를 다시 병렬 데이터로 변환합니다.
  2. 비동기 통신 (Asynchronous Communication):
    • 정의: 송신기와 수신기가 같은 클럭 신호를 공유하지 않는 통신 방식입니다. 대신, 시작 비트와 정지 비트를 통해 데이터를 구분합니다.
    • 장점: 클럭 신호를 필요로 하지 않아 간단한 하드웨어로 구현할 수 있습니다.
  3. 직렬 통신 (Serial Communication):
    • 정의: 데이터를 비트 단위로 한 줄의 통신 채널을 통해 순차적으로 전송하는 방식입니다.
    • 용도: 단순하고 비용 효율적인 통신 방법으로, 장거리 통신이나 간단한 데이터 전송에 적합합니다.
  4. 시작 비트 (Start Bit):
    • 정의: 비동기 통신에서 데이터 전송이 시작됨을 알리는 비트입니다.
    • 용도: 데이터 프레임의 시작을 수신기에게 알려줍니다.
  5. 정지 비트 (Stop Bit):
    • 정의: 데이터 전송의 종료를 나타내는 비트입니다.
    • 용도: 수신기가 데이터 프레임의 끝을 인식하도록 합니다.

  1. RS-232 및 RS-485:
    • 정의: 직렬 통신을 위한 전기적 신호 표준입니다.
    • 특징:
      • RS-232는 짧은 거리에서 단일 송수신 장치 간 통신에 적합합니다.
      • RS-485는 여러 장치 간 통신과 긴 거리 통신에 적합합니다.

  1. TTL (Transistor-Transistor Logic):
    • 정의: 디지털 회로에서 사용하는 신호 전압 수준으로, 일반적으로 0V와 5V 사이에서 동작합니다.
    • 용도: 디지털 회로 간의 신호 전송에서 사용되며, UART의 통신 신호에서도 적용됩니다.
  2. 텔레타이프라이터 (Teletypewriter):
    • 정의: 초기의 문자 기반 통신 장치로, 키보드를 통해 입력한 텍스트를 원거리로 전송할 수 있었습니다.
    • 역사적 역할: UART와 같은 초기 통신 장치의 사용 예로, 운영자 콘솔에서 데이터를 송수신하는 데 사용되었습니다

 

  1. 마이크로컨트롤러 (Microcontroller):
    • 정의: CPU, 메모리, 입출력 포트를 포함한 소형 컴퓨터 시스템으로, 임베디드 시스템에 사용됩니다.
    • 적용: 다양한 디지털 장치에서 제어 역할을 수행하며, 여러 UART 모듈을 포함하여 통신 기능을 제공합니다.

  1. 집적 회로 (IC, Integrated Circuit):
    • 정의: 여러 전자 부품을 하나의 실리콘 칩에 집적한 회로입니다.
    • 용도: 컴퓨터, 모바일 기기, 가전제품 등의 전자 장치에서 사용됩니다.

  1. USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver-Transmitter):
    • 정의: UART와 유사하지만 동기 통신과 비동기 통신을 모두 지원하는 장치입니다.
    • 특징: 클럭 신호를 통해 데이터의 타이밍을 동기화할 수 있어 더욱 정확한 통신이 가능합니다.

  1. OSI 모델 (OSI Model):
    • 정의: 통신 시스템을 7계층으로 나눈 참조 모델로, 각 계층이 특정한 통신 기능을 수행합니다.
    • 관련 계층: UART는 데이터 링크 계층(2계층)에서 주로 동작합니다. 이 계층은 물리적 전송 매체와의 인터페이스 및 데이터 프레임의 전송을 담당합니다.

종합적인 설명

UART는 초기 컴퓨터 통신 시스템의 핵심 구성 요소로, 비동기 방식의 직렬 통신을 수행합니다. 이 장치는 데이터를 비트 단위로 전송하며, 송신기와 수신기 간에 클럭 신호가 필요 없는 간단한 통신 방식을 사용합니다. UART는 현재도 다양한 디지털 장치에서 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 마이크로컨트롤러에 통합되어 여러 직렬 통신 작업을 수행합니다.

이제 **UART(범용 비동기 수신 송신기)**에서 레지스터와 로직 유닛이 어떻게 동작하는지 구체적으로 설명해 보겠습니다.

1. UART의 기본 주소(Base Address)

  • UART의 기본 주소: 제조 시 UART가 할당받은 메모리 주소입니다. 예를 들어, 기본 주소가 **0x700C0**이라고 가정해 보겠습니다.

2. 레지스터와 오프셋(Offset)

  • 레지스터: UART의 다양한 설정을 저장하는 작은 메모리입니다. 각 레지스터는 UART의 동작을 제어합니다.
  • 오프셋: 각 레지스터는 기본 주소로부터 특정 위치에 있습니다. 예를 들어, 오프셋 0에는 첫 번째 레지스터, 오프셋 1에는 두 번째 레지스터가 위치해 있습니다.
    • 오프셋 예시:
      • 오프셋 0: 첫 번째 레지스터
      • 오프셋 1: 두 번째 레지스터
      • 오프셋 2: 세 번째 레지스터
      • ...

3. 레지스터 접근 방법

  • 레지스터 읽기: 특정 레지스터의 값을 읽기 위해서는, 기본 주소에 오프셋을 더한 위치에 있는 값을 읽어야 합니다.
    • 포인터를 사용한 접근: 캐릭터 포인터를 통해 레지스터 값을 읽습니다.
    • 예시 코드:
    •  
  • 레지스터 쓰기: 특정 레지스터에 값을 쓰기 위해서는, 기본 주소에 오프셋을 더한 위치에 값을 써야 합니다.
    • 포인터를 사용한 쓰기: 캐릭터 포인터를 통해 레지스터에 값을 씁니다.
    • 예시 코드:
char *p = (char *)0x700C0; // UART 기본 주소 char value = *(p + 0); // 오프셋 0의 레지스터 값 읽기 
printf("레지스터 값: %x\\n", value);
 *(p + 0) = 0x01; // 오프셋 0의 레지스터에 0x01 값 쓰기

4. 동작 수행

  • 로직 유닛: 레지스터에 값이 저장되면, 로직 유닛이 이 값을 읽고 유효성을 확인합니다. 값이 유효하다면, 해당 동작(예: 데이터 송신 또는 수신)이 수행됩니다.

5. 요약

  • UART의 각 레지스터는 기본 주소와 오프셋으로 접근할 수 있습니다.
  • 포인터를 사용하여 레지스터 값을 읽거나 쓸 수 있으며, 이 값을 통해 UART의 동작을 제어합니다.

이제 UART와 같은 저속 주변 장치를 프로그래밍하는 방법을 이해했으므로, 다른 주변 장치에서도 비슷한 개념을 적용할 수 있습니다.

이 텍스트는 UART의 구성 요소와 직렬 데이터 송수신 방식에 대한 설명입니다. 이를 보다 상세히 이해하기 위해 각 용어와 개념을 정의하고 설명하겠습니다.

UART의 구성 요소 및 직렬 데이터 송수신

  1. 클록 생성기 (Clock Generator):
    • 정의: 비트 전송률의 정확한 타이밍을 유지하기 위해 클록 신호를 생성하는 장치입니다. 이 클록 신호는 UART가 데이터를 비트 단위로 정확하게 전송하고 수신할 수 있도록 도와줍니다.
    • 특징: 일반적으로 전송되는 비트 주기 중간에 샘플링할 수 있도록 비트 전송률의 몇 배 속도로 동작합니다.
    • 용도: 데이터 전송의 타이밍을 조정하여 정확한 비트 간격을 유지합니다.
  2. 시프트 레지스터 (Shift Register):
    • 정의: 직렬 데이터를 받아들이고 이를 병렬 데이터로 변환하거나, 반대로 병렬 데이터를 받아들이고 이를 직렬 데이터로 변환하는 레지스터입니다.
    • 특징: UART의 핵심 구성 요소로, 데이터의 직렬 및 병렬 형식 간의 변환을 담당합니다.
    • 용도: 송신 시에는 병렬 데이터를 직렬로 변환하여 전송하고, 수신 시에는 직렬 데이터를 병렬로 변환하여 사용합니다.
  3. FIFO 버퍼 (First In, First Out Buffer):
    • 정의: 입력된 데이터가 입력된 순서대로 출력되는 메모리 구조입니다. UART에서는 주로 데이터 전송 시 일정량의 데이터를 임시로 저장하는 데 사용됩니다.
    • 특징: 데이터가 입력된 순서대로 처리되며, 전송이나 수신 과정에서 데이터 유실을 방지하는 데 도움을 줍니다.
    • 용도: 데이터가 처리되는 동안 발생할 수 있는 일시적인 지연이나 속도 차이를 보완합니다.
  4. 송수신 제어 (Transmit/Receive Control):
    • 정의: 데이터의 송신과 수신 과정을 제어하는 로직입니다. UART는 이 로직을 통해 데이터가 언제 전송되고 언제 수신되는지를 결정합니다.
    • 특징: 데이터를 송신할 때는 송신 제어가, 데이터를 수신할 때는 수신 제어가 각각 동작합니다.
    • 용도: 데이터 송수신의 타이밍과 순서를 관리하여 통신 오류를 최소화합니다.
  5. 읽기/쓰기 제어 논리 (Read/Write Control Logic):
    • 정의: UART의 메모리나 버퍼에 데이터를 읽거나 쓰는 작업을 제어하는 논리 회로입니다.
    • 특징: 데이터를 언제 메모리에 저장할지(쓰기)와 언제 메모리에서 데이터를 가져올지(읽기)를 결정합니다.
    • 용도: 데이터의 적절한 저장과 검색을 통해 통신 과정을 원활하게 수행합니다.

직렬 데이터 송수신

UART는 데이터 바이트를 받아서 순차적으로 개별 비트로 나누어 전송합니다. 목적지에서 다른 UART는 이러한 비트들을 다시 조립하여 원래의 데이터 바이트로 복원합니다. 이 과정에서 시프트 레지스터가 중요한 역할을 하며, 직렬 데이터 전송은 단일 와이어 또는 기타 전송 매체를 통해 이루어집니다. 이러한 직렬 전송은 여러 와이어를 사용하는 병렬 전송에 비해 비용이 적게 듭니다.

주요 개념 정리

  • 직렬 전송: 데이터를 한 번에 하나의 비트씩 전송하는 방식으로, 단일 통신 라인을 사용해 데이터를 전송합니다.
  • 병렬 전송: 데이터를 한 번에 여러 비트를 전송하는 방식으로, 여러 통신 라인을 동시에 사용합니다.
  • 비트 주기: 하나의 비트를 전송하는 데 걸리는 시간으로, 클록 신호의 주기로 결정됩니다.

결론

UART는 직렬 데이터 전송의 중요한 장치로, 데이터 전송을 효율적으로 처리하기 위해 클록 생성기, 시프트 레지스터, FIFO 버퍼, 송수신 제어, 읽기/쓰기 제어 논리와 같은 다양한 구성 요소를 사용합니다. 직렬 전송은 비용 효율적이며, 특히 단일 통신 라인을 사용할 수 있는 상황에서 유리합니다.

UART가 서로 다른 장비 간에 통신할 때 필요한 조건들과 모드에 대해 설명하고 있습니다. 여기에서 사용된 용어와 개념을 더 명확하게 정의하고 설명해 보겠습니다.

주요 개념 및 용어 정의

  1. 외부 신호 레벨 변환:
    • 정의: UART는 일반적으로 자체적으로 외부 신호(예: 전압, 전류 등)를 생성하거나 수신하지 않으며, 논리 레벨 신호를 외부 신호 레벨로 변환하기 위해 별도의 인터페이스 장치를 사용합니다.
    • 용도: 예를 들어, RS-232 표준에 맞는 전압 레벨로 변환할 때 사용되며, UART가 출력하는 논리 수준(예: 0V와 5V)을 RS-232 수준(예: ±12V)으로 변환합니다.
  2. 통신 모드:
    • 단방향 통신 (Simplex):
      • 정의: 한 방향으로만 데이터가 전송되는 통신 방식입니다. 즉, 송신 장치에서 수신 장치로만 데이터를 보낼 수 있고, 그 반대는 불가능합니다.
      • 예시: 라디오 방송, TV 방송 등이 단방향 통신의 예입니다.
    • 풀 듀플렉스 통신 (Full Duplex):
      • 정의: 두 장치가 동시에 데이터를 송수신할 수 있는 통신 방식입니다.
      • 예시: 전화 통화, 인터넷 통신 등이 풀 듀플렉스 방식입니다.
    • 반이중 통신 (Half Duplex):
      • 정의: 데이터가 한 번에 한 방향으로만 전송되는 통신 방식이지만, 송신과 수신이 교대로 발생할 수 있습니다.
      • 예시: 무전기 통신, 일부 네트워크 통신이 반이중 방식입니다.
  3. 전압 레벨:
    • 정의: 통신하는 두 장치 간에 데이터를 전송할 때 사용하는 신호의 전압 수준입니다.
    • 특징: UART 간 통신이 원활하게 이루어지려면 두 장치의 전압 레벨이 일치해야 합니다. 그렇지 않은 경우, 레벨 시프터(Level Shifter)와 같은 회로가 필요합니다.
    • 용도: 예를 들어, 한 장치가 3V 신호를 사용하고 다른 장치가 5V 신호를 사용하는 경우, 레벨 시프터가 필요합니다.
  4. 전송 속도 (Baud Rate):
    • 정의: 초당 전송되는 비트 수를 나타내는 단위입니다.
    • 특징: 송신측과 수신측 모두에서 같은 전송 속도를 사용해야 통신이 올바르게 이루어집니다.
    • 예시: 9600 baud는 초당 9600비트를 전송하는 속도입니다.
  5. 패리티 비트 (Parity Bit):
    • 정의: 데이터 전송 시 오류를 검출하기 위해 추가되는 비트입니다.
    • 특징: 송신측과 수신측이 동일한 패리티 설정(짝수, 홀수, 없음)을 사용해야 합니다.
    • 용도: 데이터 전송 중 오류를 감지하는 데 사용됩니다.
  6. 데이터 비트 크기:
    • 정의: 데이터 프레임에서 실제 데이터 비트의 수를 의미합니다.
    • 특징: UART는 일반적으로 7, 8, 또는 9비트의 데이터 비트를 지원합니다.
    • 예시: 8비트 데이터 프레임은 1바이트의 데이터를 전송합니다.
  7. 정지 비트 (Stop Bit):
    • 정의: 데이터 프레임의 끝을 나타내는 비트입니다.
    • 특징: UART는 1, 1.5, 또는 2개의 정지 비트를 사용할 수 있습니다.
    • 용도: 수신측이 데이터 프레임의 종료를 인식하게 합니다.
  8. 흐름 제어 (Flow Control):
    • 정의: 데이터 전송의 속도와 타이밍을 조절하기 위한 방법입니다.
    • 특징: 하드웨어(CTS/RTS) 또는 소프트웨어(XON/XOFF) 흐름 제어를 사용할 수 있습니다.
    • 용도: 수신측이 데이터를 처리할 수 있는 속도보다 빨리 데이터가 전송되는 것을 방지합니다.
  9. 레벨 시프터 (Level Shifter):
    • 정의: 서로 다른 전압 레벨 간의 호환성을 보장하기 위해 신호 전압을 변환하는 회로입니다.
    • 용도: 3V UART 장치와 5V UART 장치를 연결할 때 사용합니다.

결론

UART는 서로 다른 장치 간 통신을 위해 다양한 설정과 변환이 필요합니다. 송신측과 수신측이 동일한 전압 레벨, 전송 속도, 패리티 비트, 데이터 비트 크기, 정지 비트 크기, 흐름 제어 등의 설정을 일치시켜야만 원활한 통신이 가능합니다. 서로 다른 전압 레벨을 사용하는 경우에는 레벨 시프터와 같은 추가 회로가 필요합니다.

주요 개념 및 용어 정의

  1. 외부 신호 레벨 변환:
    • 정의: UART는 일반적으로 자체적으로 외부 신호(예: 전압, 전류 등)를 생성하거나 수신하지 않으며, 논리 레벨 신호를 외부 신호 레벨로 변환하기 위해 별도의 인터페이스 장치를 사용합니다.
    • 용도: 예를 들어, RS-232 표준에 맞는 전압 레벨로 변환할 때 사용되며, UART가 출력하는 논리 수준(예: 0V와 5V)을 RS-232 수준(예: ±12V)으로 변환합니다.
  2. 통신 모드:
    • 단방향 통신 (Simplex):
      • 정의: 한 방향으로만 데이터가 전송되는 통신 방식입니다. 즉, 송신 장치에서 수신 장치로만 데이터를 보낼 수 있고, 그 반대는 불가능합니다.
      • 예시: 라디오 방송, TV 방송 등이 단방향 통신의 예입니다.
    • 풀 듀플렉스 통신 (Full Duplex):
      • 정의: 두 장치가 동시에 데이터를 송수신할 수 있는 통신 방식입니다.
      • 예시: 전화 통화, 인터넷 통신 등이 풀 듀플렉스 방식입니다.
    • 반이중 통신 (Half Duplex):
      • 정의: 데이터가 한 번에 한 방향으로만 전송되는 통신 방식이지만, 송신과 수신이 교대로 발생할 수 있습니다.
      • 예시: 무전기 통신, 일부 네트워크 통신이 반이중 방식입니다.

  1. 전압 레벨:
    • 정의: 통신하는 두 장치 간에 데이터를 전송할 때 사용하는 신호의 전압 수준입니다.
    • 특징: UART 간 통신이 원활하게 이루어지려면 두 장치의 전압 레벨이 일치해야 합니다. 그렇지 않은 경우, **레벨 시프터(Level Shifter)**와 같은 회로가 필요합니다.
  • 용도: 예를 들어, 한 장치가 3V 신호를 사용하고 다른 장치가 5V 신호를 사용하는 경우, 레벨 시프터가 필요합니다.

  1. 전송 속도 (Baud Rate):
    • 정의: 초당 전송되는 비트 수를 나타내는 단위입니다.
    • 특징: 송신측과 수신측 모두에서 같은 전송 속도를 사용해야 통신이 올바르게 이루어집니다.
    • 예시: 9600 baud는 초당 9600비트를 전송하는 속도입니다.
  2. 패리티 비트 (Parity Bit):
    • 정의: 데이터 전송 시 오류를 검출하기 위해 추가되는 비트입니다.
    • 특징: 송신측과 수신측이 동일한 패리티 설정(짝수, 홀수, 없음)을 사용해야 합니다.
    • 용도: 데이터 전송 중 오류를 감지하는 데 사용됩니다.
  3. 데이터 비트 크기:
    • 정의: 데이터 프레임에서 실제 데이터 비트의 수를 의미합니다.
    • 특징: UART는 일반적으로 7, 8, 또는 9비트의 데이터 비트를 지원합니다.
    • 예시: 8비트 데이터 프레임은 1바이트의 데이터를 전송합니다.
  4. 정지 비트 (Stop Bit):
    • 정의: 데이터 프레임의 끝을 나타내는 비트입니다.
    • 특징: UART는 1, 1.5, 또는 2개의 정지 비트를 사용할 수 있습니다.
    • 용도: 수신측이 데이터 프레임의 종료를 인식하게 합니다.
  5. 흐름 제어 (Flow Control):
    • 정의: 데이터 전송의 속도와 타이밍을 조절하기 위한 방법입니다.
    • 특징: 하드웨어(CTS/RTS) 또는 소프트웨어(XON/XOFF) 흐름 제어를 사용할 수 있습니다.
    • 용도: 수신측이 데이터를 처리할 수 있는 속도보다 빨리 데이터가 전송되는 것을 방지합니다.
  6. 레벨 시프터 (Level Shifter):
    • 정의: 서로 다른 전압 레벨 간의 호환성을 보장하기 위해 신호 전압을 변환하는 회로입니다.
    • 용도: 3V UART 장치와 5V UART 장치를 연결할 때 사용합니다.

결론

UART는 서로 다른 장치 간 통신을 위해 다양한 설정과 변환이 필요합니다. 송신측과 수신측이 동일한 전압 레벨, 전송 속도, 패리티 비트, 데이터 비트 크기, 정지 비트 크기, 흐름 제어 등의 설정을 일치시켜야만 원활한 통신이 가능합니다. 서로 다른 전압 레벨을 사용하는 경우에는 레벨 시프터와 같은 추가 회로가 필요합니다.

이 텍스트에서는 UART의 데이터 프레이밍에 대해 설명하고 있습니다. UART 프레임은 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트, 정지 비트로 구성되며, 이들의 조합으로 데이터가 전송됩니다. 다음은 이와 관련된 주요 용어와 개념에 대한 설명입니다.

데이터 프레이밍의 주요 구성 요소

  1. 시작 비트 (Start Bit):
    • 정의: 데이터 전송의 시작을 알리는 비트입니다. UART에서 전송이 시작될 때 송신기는 시작 비트를 0으로 설정하여 수신기에게 데이터를 받을 준비를 하게 합니다.
    • 특징: 시작 비트는 데이터 프레임의 첫 번째 비트로, 수신기가 데이터 전송의 시작을 감지할 수 있도록 합니다.
  2. 데이터 프레임 (Data Frame):
    • 정의: 실제 전송되는 데이터 비트들의 집합입니다. UART에서 이 데이터 비트들은 5비트에서 9비트까지 구성될 수 있습니다.
    • 특징: 데이터 프레임의 길이는 송신기와 수신기 간의 합의에 따라 설정됩니다. 일반적인 설정은 8비트입니다.
  3. 패리티 비트 (Parity Bit):
    • 정의: 데이터 전송 중 오류를 감지하기 위해 추가되는 비트입니다. 패리티 비트는 전송된 비트들이 짝수(짝수 패리티)인지 홀수(홀수 패리티)인지 확인하는 역할을 합니다.
    • 특징: 패리티 비트는 선택 사항이며, 오류 검출 기능을 추가하기 위해 사용할 수 있습니다.
  4. 정지 비트 (Stop Bit):
    • 정의: 데이터 프레임의 끝을 알리는 비트로, 전송이 완료되었음을 수신기에게 알려줍니다.
    • 특징: 정지 비트는 1비트 또는 2비트 길이로 설정할 수 있으며, 송신기와 수신기 간 동기화를 유지하는 데 중요합니다. 실제로 "정지 비트"는 전송이 완료된 후의 "정지 기간"을 의미하며, 이 기간 동안 수신기는 다음 데이터 프레임을 받을 준비를 합니다.

데이터 프레임의 예

  • 1 바이트 데이터 프레임:
    • 이 다이어그램에서 1바이트(8비트)가 전송되며, 다음과 같은 구성으로 이루어집니다:
      • 시작 비트: 1비트
      • 데이터 비트: 8비트 (D1-D8)
      • 정지 비트: 2비트
    • 이 경우 전체 UART 프레임은 총 11비트로 구성됩니다.

동기화 및 전송 속도

  • 동기화: 각 데이터 프레임이 끝나면 수신기는 다음 시작 비트를 기다리며 일시적으로 멈춥니다. 이 잠시 멈추는 시간이 송신기와 수신기 간의 동기화를 유지하게 합니다.
  • 전송 속도: 데이터 및 포맷팅 비트 수, 패리티 비트의 유무, 패리티 형태(짝수 또는 홀수), 정지 비트 수, 그리고 전송 속도는 통신하기 전에 송신기와 수신기가 미리 합의해야 합니다.

정지 기간 (Stop Period)

  • 정의: "정지 비트"라고 불리지만, 실제로는 송신기에서 데이터 전송을 완료한 후 다음 프레임을 전송하기 전까지의 기간입니다.
  • 특징: 송신기의 정지 기간은 최소 1~2비트 시간 이상이어야 하며, 그보다 길게 설정할 수 있습니다. 수신기는 송신기보다 더 짧은 정지 기간을 필요로 하지 않으며, 이를 통해 두 장치 간 동기화가 유지됩니다.

결론

UART 데이터 프레임은 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트(선택 사항), 정지 비트로 구성되며, 이들의 정확한 조합과 설정이 통신의 성공을 결정합니다. 송신기와 수신기가 사전에 합의된 설정을 정확히 따라야만 데이터가 올바르게 전송되고 수신될 수 있습니다.

이 텍스트는 UART(범용 비동기 수신기-송신기)에서 데이터의 수신 및 송신 과정에 대해 자세히 설명하고 있습니다. UART의 작동 방식, 특히 하드웨어의 동작 및 데이터 처리 방법에 대해 알아보겠습니다.

수신기 작동 원리 ( Receiver )

  1. 클록 신호와 비트 타이밍:
    • 정의: UART의 모든 작업은 내부 클록 신호에 의해 제어되며, 이 클록은 보통 데이터 속도의 8배 또는 16배로 작동합니다.
    • 특징: 수신기는 클록 펄스에 따라 들어오는 신호를 샘플링하여 시작 비트의 시작을 탐지합니다. 이 시작 비트가 비트 시간의 절반 이상 지속되면, UART는 이를 유효한 시작 비트로 간주하고 새로운 데이터 프레임의 시작을 알립니다.
  2. 데이터 샘플링 및 시프트 레지스터:
    • 정의: UART는 시작 비트를 감지한 후, 각 데이터 비트를 클록에 따라 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 시프트 레지스터에 저장합니다.
    • 작동 과정: 데이터 비트가 모두 수신되면, 시프트 레지스터의 내용이 병렬 데이터로 변환되어 시스템에서 사용 가능합니다. 이때 UART는 데이터 수신을 완료했음을 호스트 프로세서에 알리기 위해 인터럽트를 생성할 수 있습니다.
  3. 재동기화 및 스퓨리어스 펄스 처리:
    • 재동기화: UART는 일반적으로 데이터 라인의 각 변경에서 내부 클록을 재동기화하여 타이밍을 조정합니다. 이를 통해 송신기가 예상 속도와 약간 다른 속도로 데이터를 전송할 때도 안정적으로 수신할 수 있습니다.
    • 스퓨리어스 펄스: 잘못된 신호(스퓨리어스 펄스)를 무시하고 유효한 데이터만 처리하도록 설계되었습니다.
  4. 더블 버퍼링과 FIFO:
    • 더블 버퍼링: UART는 다음 문자를 수신하는 동안 가장 최근에 수신된 문자를 저장할 수 있습니다. 이 기능을 통해 호스트 시스템이 데이터를 가져가는 동안 수신된 데이터를 잃지 않게 됩니다.
    • FIFO 버퍼: 많은 UART는 수신기 시프트 레지스터와 호스트 시스템 인터페이스 사이에 FIFO(First In, First Out) 버퍼 메모리를 갖추고 있습니다. 이를 통해 높은 속도로 수신된 데이터를 손실 없이 처리할 수 있습니다.

송신기 작동 원리 ( Transmitter )

  1. 송신 타이밍:
    • 정의: 송신기는 수신기와 달리 타이밍을 외부 신호에 맞출 필요가 없으며, 고정된 타이밍 간격으로 동작합니다.
    • 작동 과정: 송신 시스템은 시프트 레지스터에 데이터를 저장한 후, UART가 시작 비트를 생성하고, 데이터 비트, 패리티 비트(사용 시), 그리고 정지 비트를 순서대로 전송합니다.
  2. 풀 듀플렉스와 시프트 레지스터:
    • 정의: 풀 듀플렉스 통신에서 UART는 동시에 데이터를 송신하고 수신해야 하므로, 별도의 시프트 레지스터를 사용합니다.
    • 작동 과정: 송신 시, CPU 또는 DMA 컨트롤러는 시프트 레지스터에 데이터를 저장하고, UART는 이를 순차적으로 전송합니다.
  3. 전송 FIFO 버퍼:
    • 정의: 고성능 UART는 전송 시 데이터를 FIFO 버퍼에 저장할 수 있어, CPU가 시프트 레지스터에 데이터를 직접 저장하지 않아도 됩니다.
    • 이점: CPU의 처리 시간을 절약할 수 있으며, 인터럽트를 통해 호스트 시스템에 전송 준비 상태를 알릴 수 있습니다.
  4. 상태 플래그와 인터럽트:
    • 정의: UART는 호스트 시스템에 전송 버퍼 또는 시프트 레지스터에 데이터가 존재하는지 여부를 알려주는 상태 플래그를 유지합니다.
    • 작동 과정: 상태 플래그는 호스트 시스템이 "다음 문자를 입력할 준비가 되었음"을 알릴 수 있으며, 이 과정은 인터럽트를 통해 이루어질 수 있습니다.

결론

UART의 수신기와 송신기는 데이터 통신에서 중요한 역할을 하며, 각 단계에서 정밀한 타이밍과 동기화가 요구됩니다. 수신기는 클록 신호와 샘플링을 통해 데이터를 정확히 수신하며, 송신기는 데이터를 안정적으로 전송하기 위해 FIFO 버퍼와 상태 플래그를 사용합니다. 이러한 기능을 통해 UART는 신뢰성 높은 데이터 통신을 제공합니다.

이 텍스트는 UART의 애플리케이션과 설정 요구사항, 그리고 소프트웨어 에뮬레이션 기술인 비트뱅잉에 대해 설명하고 있습니다. 각 개념을 자세히 살펴보겠습니다.

주요 개념 및 용어 정의

  1. 동일한 설정 요구사항:
    • 정의: UART가 적절히 작동하기 위해서는 송신 UART와 수신 UART가 동일한 설정을 유지해야 합니다. 여기에는 비트 속도, 문자 길이, 패리티 비트, 정지 비트 등이 포함됩니다.
    • 예시: 만약 송신 UART가 9600bps(비트 전송률), 8비트 문자 길이, 패리티 없음, 1개의 정지 비트로 설정되었다면, 수신 UART도 동일한 설정을 가져야 합니다.
  2. 프레이밍 오류 (Framing Error):
    • 정의: 송신과 수신 UART 간의 설정 불일치로 인해 수신된 데이터 프레임이 올바르지 않을 때 발생하는 오류입니다.
    • 특징: 수신 UART는 이런 오류를 감지하여 호스트 시스템에 플래그 비트를 설정해 알릴 수 있습니다. 프레이밍 오류는 데이터가 손상되거나 불규칙하게 전송될 때 발생할 수 있습니다.
  3. 모뎀과 직렬 포트 설정:
    • 정의: UART를 사용하는 일반적인 직렬 포트 설정으로, 모뎀에 연결된 개인용 컴퓨터에서 자주 사용됩니다.
    • 표준 설정: 8개의 데이터 비트, 패리티 없음, 1개의 정지 비트. 이 설정은 ASCII 문자를 전송하는 데 적합합니다.
    • 전송률 계산: 초당 전송 가능한 ASCII 문자 수는 비트 전송률을 10으로 나눈 값입니다. 예를 들어, 9600bps의 전송 속도에서는 초당 960개의 비트를 전송할 수 있으며, 이는 약 96개의 ASCII 문자를 전송할 수 있음을 의미합니다.
  4. 비트뱅잉 (Bit Banging):
    • 정의: 전용 UART 하드웨어 없이 소프트웨어를 사용해 UART 프로토콜을 에뮬레이션하는 기술입니다. 이는 CPU가 직접 데이터 전송 및 수신을 제어하는 방식으로 이루어집니다.
    • 장점: UART 칩을 생략할 수 있어 비용과 공간을 절약할 수 있습니다.
    • 단점: CPU 자원을 많이 소모하며, 타이밍이 매우 중요하기 때문에 CPU의 부하가 높아질 수 있습니다.
    • 사용 사례: 매우 저렴한 가정용 컴퓨터나 임베디드 시스템에서, 하드웨어 UART가 없는 경우 이 기술을 사용할 수 있습니다.

응용 사례 및 실제 사용 예

  • 일반적인 직렬 포트 사용: 모뎀과 같은 외부 장치에 연결된 개인용 컴퓨터의 직렬 포트는 UART를 사용하여 데이터를 전송합니다. 이 경우 UART 설정이 맞지 않으면 통신 오류가 발생할 수 있습니다.
  • 임베디드 시스템에서의 비트뱅잉: 저가형 임베디드 시스템에서 UART 칩을 사용하지 않고, CPU가 직접 UART 기능을 에뮬레이션하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 이는 시스템 비용을 절감하지만, CPU 부하가 높아지는 단점이 있습니다.

결론

UART 통신을 성공적으로 구현하기 위해서는 송신기와 수신기의 설정이 정확히 일치해야 합니다. 설정 불일치는 프레이밍 오류를 유발할 수 있으며, 이는 호스트 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다. 소프트웨어로 UART를 에뮬레이션하는 비트뱅잉 기술은 저가형 시스템에서 유용하지만, CPU 자원을 많이 소모한다는 단점이 있습니다.

UART(범용 비동기 수신기-송신기)에서 발생할 수 있는 다양한 오류와 특수 조건들에 대해 설명하고 있습니다. 각 오류와 조건의 정의와 원인, 그리고 이들이 시스템에 미치는 영향을 알아보겠습니다.

주요 오류 및 특수 조건

  1. 오버런 오류 (Overrun Error):
    • 정의: 오버런 오류는 수신기가 다음 문자가 도착하기 전에 현재 수신된 문자를 처리하지 못했을 때 발생합니다.
    • 원인: CPU나 DMA 컨트롤러가 UART의 입력 버퍼에서 데이터를 충분히 빨리 제거하지 못하면 발생합니다. 버퍼가 가득 차면 추가로 들어오는 데이터는 손실됩니다.
    • 영향: 들어오는 문자가 손실되어 데이터 무결성이 깨질 수 있습니다. 이는 통신 오류를 초래할 수 있습니다.
  2. 언더런 오류 (Underrun Error):
    • 정의: 언더런 오류는 UART 송신기가 문자 전송을 완료했지만, 전송할 새로운 데이터가 버퍼에 남아 있지 않을 때 발생합니다.
    • 비동기 모드에서의 처리: 이 오류는 단순히 추가 정지 비트를 보내는 방식으로 처리되며, 통신에 큰 문제를 일으키지 않습니다.
    • 동기 시스템에서의 처리: USART에서 발생할 경우, 언더런 오류는 더 심각한 문제로 간주될 수 있습니다. 데이터 전송의 중단이 발생할 수 있습니다.
  3. 프레이밍 오류 (Framing Error):
    • 정의: UART가 예상된 "정지" 비트를 보지 못할 때 발생하는 오류입니다. 예를 들어, 정지 비트 시간에 데이터 라인이 예상 상태(높음)에 있지 않으면 프레이밍 오류가 발생합니다.
    • 원인: 타이밍 문제 또는 데이터 전송 중 신호 왜곡으로 인해 발생할 수 있습니다.
    • 영향: 데이터 프레임이 올바르게 인식되지 않으므로, 수신된 데이터가 손상될 수 있습니다.
  4. 패리티 오류 (Parity Error):
    • 정의: 전송된 데이터의 패리티 비트와 UART가 계산한 패리티 비트가 일치하지 않을 때 발생하는 오류입니다.
    • 원인: 전송 중에 데이터 비트가 손상되었을 가능성이 있습니다.
    • 영향: 데이터의 무결성을 확인하는 데 사용되며, 오류가 발생하면 전송된 데이터에 문제가 있다는 신호로 간주됩니다. 패리티 검사가 활성화된 경우에만 발생합니다.
  5. 파손 조건 (Break Condition):
    • 정의: 수신기 입력이 일정 시간 이상(보통 문자 시간 이상) 논리적 낮음('0') 상태에 있을 때 발생하는 조건입니다.
    • 역사적 배경: "브레이크"라는 용어는 텔레타이프라이터에서 사용된 전류 루프 신호에서 유래했습니다. 전류가 흐르지 않는 긴 기간을 나타내며, 이는 브레이크 또는 기타 오류로 인해 발생할 수 있습니다.
    • 용도: 현대 시스템에서는 긴 "스페이스" 레벨을 의도적으로 사용하여 주의 신호로 보내거나, 신호 속도를 변경하라는 요청으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, DMX512 프로토콜에서 새 패킷의 시작을 알리는 데 사용됩니다.

결론

UART 통신에서 발생할 수 있는 오류와 특수 조건은 시스템의 데이터 무결성에 중요한 영향을 미칩니다. 오버런, 언더런, 프레이밍 오류, 패리티 오류, 그리고 파손 조건은 각각 다른 원인으로 발생하며, 이를 적절히 처리하지 않으면 통신 오류가 발생할 수 있습니다. 특히 오버런 오류와 언더런 오류는 데이터 손실과 직접적으로 연결되어 있어 적절한 버퍼 관리와 시스템 타이밍 조정이 필수적입니다.

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