MCU 성능 수준이 높아짐에 따라 외부 메모리 확장 수요 증가
최초의 설계 구현 학습한다면 보다 쉽게 접근할 수 있어

사물인터넷, 조명, 빌딩 자동화, 정전용량 터치센싱, 스마트 미러링 등의 발달로 마이크로컨트롤러유닛(MCU)의 사용량이 늘고 새로운 시장이 확장되었다. 이로 인해 MCU 메모리에 대한 수요도 커지면서 내부 메모리의 밀도가 지속적으로 높아지고 외부 메모리 확장에 대한 수요도 증가하고 있다.

전통적인 마이크로컨트롤러의 역할은 메인 프로세서를 보조하여 주변 장치를 제어하는 것으로 구조적 간결함, 손쉬운 제어, 저전력에 중점을 두었다. 현재의 추세는 전통적인 역할을 최대한 유지하면서 메인 프로세서가 처리하는 디자인을 대체할 수 있는 수준까지 성능이 발전하였다.

MCU의 가장 큰 수요는 GUI 환경에서 구동되는 경우에 발생한다. 이 외에도 많은 양의 데이터를 주기마다 누적해 업로드하는 정보 수집형 네트워크 노드와 고속 네트워크 부하에 대비한 FIFO 형태의 임시 데이터 보관소를 필요로 할 경우에도 외부 메모리를 구현할 필요가 생긴다. 이에 따라 MCU 시장은 높은 저장용량과 저렴한 가격을 요구하는 방향으로 가고 있다.

MCU 외부 메모리 확장은 Serial Interface Memory(직렬 메모리)와 Parallel Interface Memory(병렬 메모리)로 나뉜다. 직렬 메모리는 SPI 또는 I2C와 같은 기존의 범용 직렬 인터페이스를 사용하는 Serial Flash와 EEPROM 등이 대표적이다. Quad-SPI와 SD 카드 메모리도 회로 관점에서 보면 직렬 통신을 확장한 형태이다.


병렬 메모리는 확장 메모리의 전형적인 형태로 메모리 기본 유닛의 접근을 위한 어드레스 라인과 데이터 라인이 모두 외부 인터페이스에 노출되어 있는 것을 말한다. 이 방식의 메모리는 노출된 어드레스 라인들이 모두 프로세서 메모리 맵의 일부에 사상되는(mapped) 형태로 구현하기 위해서는 프로세서 내부와 외부 전체의 메모리 맵을 고려하여 설계해야 한다. 또, 외부에 병렬 메모리 디바이스를 여러개 연결하거나 확장하려면 어드레스 디코딩(Address Decoding)이 필요하다.

ST 마이크로일렉트로닉스 MCU FAE 장태종 차장은 “직렬 메모리 중 Quad-SPI와 SD 카드 메모리는 다양한 기능 지원을 하려면 복잡한 프로토콜의 이해와 이와 연게된 전용 하드웨어 제어를 위한 소프트웨어 스택에 대한 분석과 이해도 필요하다”며 메모리 확장의 어려움을 설명했다.

또, 병렬 메모리 역시 “다양한 메모리에 대한 연결을 위한 특성과 설계 고려사항이 필요하다. 회로상의 많은 제어 라인과 어드레스/데이터 라이들이 디버깅을 어렵게 하는 요인”이 있어 확장이 어렵다고 덧붙였다.

STM32 라인의 FMC(Flecible Memory Controller)라 불리는 MCU는 병렬 메모리를 Static Memory, Dynamic Memory, NAND Flash Memory 형태로 구분하여 기능을 제공한다. Static Memory로 전통적인 SRAM 인터페이스 형태를 지니는 SRAM, NOR 플래시, PSRAM 등을 지원하고 Dynamic Memory로 DRAM으로 지칭되는 SDRAM을 지원한다. 특히 스토리지 용도로 널리 사용되는 NAND 플래시 메모리의 연결을 지원한다.

ST의 MCU는 ART accelerator라는 내장된 플래시 가속 기술로 고속으로 동작하는 MCU 코어와 저속으로 동작하는 내장 플래시 메모리 간의 병목현상을 줄일 수 있다. 이와 더불어 저전력과 고온 특수성이 우수하며 ARM Cortex-M 아키텍처를 사용하기 때문에 범용성이 높다.

장 차장은 “대부분의 메모리 종류는 산업 표준 기구에 명확한 명세가 기술되어 있다. 기본 이론 및 표준에 근거하는 RTOS, USB, TCP/IP등과 같은 다른 기술들과 마찬가지로 최초의 설계 구현을 위한 경험과 학습이 되면 이후에는 수월하게 할 수 있다”며 외부 메모리 확장의 어려움을 덜어주고자 했다.

이에 오는 11일 온라인 세미나(eeWebinar)에서 STM32 MCU에 포함된 Quad-SPI와 FMC를 중점으로 개요 및 활용법, 외부 메모리 확장에 대한 자세한 내용을 다룬다.