직렬 통신 완전 정복: UART와 SPI 심층 분석

전자공학 및 임베디드 시스템의 세계에서 장치 간 통신 능력은 매우 중요합니다. 직렬 통신은 마이크로컨트롤러, 센서, 주변 장치, 심지어 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 안정적이고 효율적인 방법을 제공합니다. 가장 일반적인 직렬 통신 프로토콜 중 두 가지는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)와 SPI(Serial Peripheral Interface)입니다. 이 포괄적인 가이드는 UART와 SPI의 복잡한 부분에 대해 심층적으로 다루고, 이들의 원리, 차이점, 응용 분야, 장점 및 단점을 탐구할 것입니다.

직렬 통신 이해하기

직렬 통신은 여러 개의 와이어를 통해 동시에 여러 비트를 전송하는 병렬 통신과 달리, 단일 와이어(또는 제어 신호를 위한 몇 개의 와이어)를 통해 한 번에 한 비트씩 데이터를 전송하는 방식입니다. 병렬 통신은 단거리에서 더 빠르지만, 직렬 통신은 일반적으로 장거리 및 와이어 수를 최소화하는 것이 중요한 상황에서 선호됩니다. 이는 공간과 비용이 종종 중요한 제약이 되는 임베디드 시스템에 이상적입니다.

비동기 통신 vs. 동기 통신

직렬 통신은 크게 비동기식과 동기식 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다. UART와 같은 비동기식 통신은 송신자와 수신자 사이에 공유 클록 신호가 필요하지 않습니다. 대신, 각 데이터 바이트를 프레임화하기 위해 시작 비트와 정지 비트에 의존합니다. SPI 및 I2C와 같은 동기식 통신은 공유 클록 신호를 사용하여 장치 간 데이터 전송을 동기화합니다.

UART: 범용 비동기 송수신기

UART는 주로 단순성과 유연성 때문에 널리 사용되는 직렬 통신 프로토콜입니다. 이는 비동기식 프로토콜로, 송신자와 수신자가 공통 클록 신호를 공유하지 않는다는 의미입니다. 이는 하드웨어 요구 사항을 단순화하지만, 정밀한 타이밍과 사전에 합의된 데이터 속도(보드율)가 필요합니다.

UART 원리

UART 통신은 다음으로 구성된 프레임 단위로 데이터를 전송합니다:

• 시작 비트: 새 데이터 프레임의 시작을 나타냅니다. 일반적으로 낮은(0) 신호입니다.
• 데이터 비트: 전송되는 실제 데이터로, 일반적으로 8비트(1바이트)이지만 5, 6, 또는 7비트일 수도 있습니다.
• 패리티 비트 (선택 사항): 오류 감지에 사용됩니다. 짝수, 홀수 또는 없음일 수 있습니다.
• 정지 비트: 데이터 프레임의 끝을 나타냅니다. 일반적으로 높은(1) 신호입니다. 한두 개의 정지 비트가 흔히 사용됩니다.

성공적인 통신을 위해 송신자와 수신자는 보드율, 데이터 비트, 패리티, 정지 비트에 대해 합의해야 합니다. 일반적인 보드율로는 9600, 115200 등이 있습니다. 보드율이 높을수록 데이터 전송 속도는 빨라지지만, 타이밍 오류에 대한 민감도도 증가합니다.

UART 응용 분야

• 마이크로컨트롤러를 컴퓨터에 연결: UART는 프로그래밍, 디버깅 및 데이터 로깅을 위해 마이크로컨트롤러(아두이노 또는 라즈베리 파이와 같은)와 컴퓨터 사이에 직렬 연결을 설정하는 데 일반적으로 사용됩니다.
• GPS 모듈: 많은 GPS 모듈은 UART를 사용하여 위치 데이터를 호스트 마이크로컨트롤러 또는 컴퓨터로 전송합니다.
• 블루투스 모듈: 블루투스 모듈은 종종 UART를 마이크로컨트롤러와의 통신 인터페이스로 사용합니다.
• 직렬 프린터: 구형 직렬 프린터는 인쇄 명령 및 데이터를 수신하는 데 UART를 사용합니다.
• 콘솔 출력: 임베디드 시스템은 종종 UART를 사용하여 디버깅 정보 및 상태 메시지를 직렬 콘솔로 출력합니다.

UART 장점

• 단순성: UART는 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 비교적 구현하기 간단합니다.
• 유연성: UART는 다양한 데이터 속도, 데이터 비트 길이 및 패리티 옵션을 지원합니다.
• 널리 지원됨: UART는 하드웨어 및 소프트웨어 구현이 용이하며 널리 지원되는 표준입니다.
• 클록 신호 불필요: 필요한 와이어 수를 줄여줍니다.

UART 단점

• 낮은 속도: SPI와 같은 동기식 프로토콜에 비해 UART는 일반적으로 데이터 전송 속도가 낮습니다.
• 오류 민감성: 안정적인 클록 신호 없이 UART는 타이밍 오류 및 데이터 손상에 더 취약합니다. 패리티 비트가 도움이 될 수 있지만, 오류 없는 통신을 보장하지는 않습니다.
• 두 장치로 제한: UART는 주로 두 장치 간의 점대점(point-to-point) 통신을 위해 설계되었습니다. 멀티플렉싱을 통해 단일 UART 버스에 여러 장치를 연결할 수 있지만, 이는 복잡성을 증가시킵니다.

UART 예시: 아두이노와 시리얼 모니터

UART의 일반적인 예시는 아두이노 IDE의 시리얼 모니터를 사용하는 것입니다. 아두이노 보드에는 USB를 통해 컴퓨터와 통신할 수 있는 내장 UART 인터페이스가 있습니다. 다음 아두이노 코드 스니펫은 시리얼 모니터로 데이터를 전송하는 방법을 보여줍니다:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 9600 보드율로 시리얼 통신 초기화
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // "Hello, world!" 메시지를 시리얼 모니터로 전송
  delay(1000); // 1초 대기
}

이 간단한 코드는 매초 "Hello, world!" 메시지를 시리얼 모니터로 보냅니다. Serial.begin(9600) 함수는 시리얼 모니터의 설정과 일치해야 하는 9600 보드율로 UART 인터페이스를 초기화합니다.

SPI: 직렬 주변 장치 인터페이스

SPI(Serial Peripheral Interface)는 마이크로컨트롤러와 주변 장치 간의 단거리 통신에 일반적으로 사용되는 동기식 직렬 통신 프로토콜입니다. 높은 속도와 비교적 간단한 하드웨어 요구 사항으로 잘 알려져 있습니다.

SPI 원리

SPI는 마스터-슬레이브 아키텍처를 사용하며, 하나의 장치(마스터)가 통신을 제어하고 하나 이상의 장치(슬레이브)가 마스터의 명령에 응답합니다. SPI 버스는 네 가지 주요 신호로 구성됩니다:

• MOSI (Master Out Slave In): 마스터에서 슬레이브로 전송되는 데이터.
• MISO (Master In Slave Out): 슬레이브에서 마스터로 전송되는 데이터.
• SCK (Serial Clock): 마스터가 생성하는 클록 신호로, 데이터 전송 동기화에 사용됩니다.
• SS/CS (Slave Select/Chip Select): 마스터가 통신할 특정 슬레이브 장치를 선택하는 데 사용하는 신호입니다. 각 슬레이브 장치는 일반적으로 자체 전용 SS/CS 라인을 가집니다.

데이터는 클록 신호와 동기적으로 전송됩니다. 마스터는 원하는 슬레이브의 SS/CS 라인을 낮게(low) 당겨 통신을 시작합니다. 그런 다음 MOSI 라인에서 마스터로부터 데이터가 시프트되어 SCK 신호의 상승 또는 하강 에지에서 슬레이브로 들어갑니다. 동시에 MISO 라인에서 슬레이브로부터 데이터가 시프트되어 마스터로 들어갑니다. 이는 양방향 동시 데이터 전송이 가능한 전이중 통신을 허용합니다.

SPI 모드

SPI는 클록 극성(CPOL)과 클록 위상(CPHA)이라는 두 가지 매개변수에 의해 결정되는 네 가지 작동 모드를 가집니다. 이 매개변수들은 유휴 상태일 때의 SCK 신호 상태와 데이터가 샘플링되고 시프트되는 SCK 신호의 에지를 정의합니다.

• 모드 0 (CPOL=0, CPHA=0): 유휴 상태일 때 SCK는 낮습니다. 데이터는 상승 에지에서 샘플링되고 하강 에지에서 시프트됩니다.
• 모드 1 (CPOL=0, CPHA=1): 유휴 상태일 때 SCK는 낮습니다. 데이터는 하강 에지에서 샘플링되고 상승 에지에서 시프트됩니다.
• 모드 2 (CPOL=1, CPHA=0): 유휴 상태일 때 SCK는 높습니다. 데이터는 하강 에지에서 샘플링되고 상승 에지에서 시프트됩니다.
• 모드 3 (CPOL=1, CPHA=1): 유휴 상태일 때 SCK는 높습니다. 데이터는 상승 에지에서 샘플링되고 하강 에지에서 시프트됩니다.

성공적인 통신을 위해 마스터 및 슬레이브 장치는 동일한 SPI 모드를 사용하도록 구성되어야 합니다. 그렇지 않으면 데이터가 손상되거나 통신이 실패합니다.

SPI 응용 분야

• 메모리 카드 (SD 카드, microSD 카드): SPI는 임베디드 시스템에서 메모리 카드와 인터페이스하는 데 자주 사용됩니다.
• 센서: 가속도계, 자이로스코프, 온도 센서와 같은 많은 센서는 데이터 전송을 위해 SPI를 사용합니다.
• 디스플레이: SPI는 LCD 및 OLED 디스플레이를 제어하는 데 일반적으로 사용됩니다.
• 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC): SPI는 데이터 수집 및 제어 응용 프로그램에서 ADC 및 DAC와 통신하는 데 사용됩니다.
• 시프트 레지스터: SPI는 마이크로컨트롤러에서 사용 가능한 디지털 I/O 핀의 수를 확장하기 위해 시프트 레지스터를 제어하는 데 사용될 수 있습니다.

SPI 장점

• 고속: SPI는 UART에 비해 훨씬 높은 데이터 전송 속도를 제공합니다.
• 전이중 통신: 데이터는 양방향으로 동시에 전송될 수 있습니다.
• 여러 슬레이브: 단일 마스터가 여러 슬레이브 장치와 통신할 수 있습니다.
• 비교적 간단한 하드웨어: SPI는 단 4개의 와이어(각 슬레이브 장치당 하나의 SS/CS 라인 추가)만 필요합니다.

SPI 단점

• 주소 지정 방식 없음: SPI는 슬레이브 장치를 선택하기 위해 SS/CS 라인에 의존하므로, 슬레이브 수가 많아지면 번거로워질 수 있습니다.
• 단거리: SPI는 고속에서의 신호 저하로 인해 일반적으로 단거리로 제한됩니다.
• 오류 감지 없음: SPI에는 내장된 오류 감지 메커니즘이 없습니다. 오류 검사는 소프트웨어에서 구현해야 합니다.
• 더 복잡한 소프트웨어 구현: 하드웨어는 비교적 간단하지만, 특히 여러 슬레이브 및 다른 SPI 모드를 다룰 때 소프트웨어 구현이 UART보다 더 복잡할 수 있습니다.

SPI 예시: 가속도계 인터페이스

인기 있는 ADXL345와 같은 많은 가속도계는 통신을 위해 SPI를 사용합니다. ADXL345에서 가속도 데이터를 읽으려면 마이크로컨트롤러(마스터 역할)는 적절한 레지스터를 읽기 위해 가속도계(슬레이브 역할)에 명령을 보내야 합니다. 다음 의사 코드는 프로세스를 보여줍니다:

1. ADXL345의 SS/CS 라인을 낮게(low) 당겨 ADXL345를 선택합니다.
2. 읽을 레지스터 주소를 전송합니다(예: X축 가속도 데이터의 주소).
3. MISO 라인에서 데이터를 읽습니다(X축 가속도 값).
4. Y축과 Z축에 대해 2단계와 3단계를 반복합니다.
5. ADXL345의 SS/CS 라인을 높게(high) 당겨 ADXL345를 선택 해제합니다.

특정 명령 및 레지스터 주소는 가속도계 모델에 따라 다릅니다. 정확한 절차는 항상 데이터시트를 참조해야 합니다.

UART vs. SPI: 비교

다음은 UART와 SPI의 주요 차이점을 요약한 표입니다:

특징	UART	SPI
통신 유형	비동기식	동기식
클록 신호	없음	공유 클록
와이어 수	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 슬레이브당 1 SS/CS
데이터 속도	낮음	높음
전이중	일반적으로 반이중(복잡한 소프트웨어로 전이중 시뮬레이션 가능)	전이중
오류 감지	패리티 비트 (선택 사항)	없음 (소프트웨어 구현 필요)
장치 수	2개 (점대점)	다수 (마스터-슬레이브)
복잡성	더 간단함	더 복잡함
거리	더 김	더 짧음

올바른 프로토콜 선택

UART와 SPI 중 선택은 특정 응용 프로그램 요구 사항에 따라 달라집니다. 다음 요소를 고려하십시오:

• 데이터 속도: 고속 데이터 전송이 필요한 경우 SPI가 일반적으로 더 나은 선택입니다.
• 거리: 장거리의 경우 UART가 더 적합합니다.
• 장치 수: 단일 마스터와 여러 장치가 통신해야 하는 경우 SPI가 선호됩니다.
• 복잡성: 단순성이 우선이라면 UART가 구현하기 더 쉽습니다.
• 오류 감지: 오류 감지가 중요한 경우, 패리티 비트가 있는 UART를 사용하거나 SPI에 대한 소프트웨어에서 오류 검사를 구현하는 것을 고려하십시오.
• 사용 가능한 하드웨어: 일부 마이크로컨트롤러는 한 프로토콜 또는 다른 프로토콜에 대한 지원이 제한적일 수 있습니다. 결정을 내릴 때 사용 가능한 하드웨어 리소스를 고려하십시오.

예를 들어, 마이크로컨트롤러가 단거리에서 단일 센서로부터 데이터를 읽어야 하는 간단한 센서 응용 프로그램에서는 SPI가 더 높은 속도 때문에 더 나은 옵션일 수 있습니다. 그러나 마이크로컨트롤러가 디버깅 목적으로 장거리에서 컴퓨터와 통신해야 하는 경우 UART가 더 적절할 것입니다.

고급 고려 사항

I2C (Inter-Integrated Circuit)

이 글에서는 UART와 SPI에 초점을 맞추지만, 또 다른 일반적인 직렬 통신 프로토콜인 I2C(Inter-Integrated Circuit)도 언급하는 것이 중요합니다. I2C는 동일한 버스에서 여러 마스터 및 슬레이브 장치를 지원하는 2선식 프로토콜입니다. 이는 회로 기판의 집적 회로 간 통신에 자주 사용됩니다. I2C는 SPI와 달리 주소 지정을 사용하여 대규모 장치 네트워크를 단순화합니다.

TTL vs. RS-232

UART를 사용할 때, TTL(Transistor-Transistor Logic)과 RS-232 전압 레벨 간의 차이를 이해하는 것이 중요합니다. TTL 로직은 논리적 낮음과 높음을 각각 0V와 5V(또는 3.3V)로 표현합니다. 반면 RS-232는 ±12V의 전압을 사용합니다. TTL UART를 RS-232 UART에 직접 연결하면 장치가 손상될 수 있습니다. TTL과 RS-232 전압 레벨 간의 변환에는 레벨 시프터(예: MAX232 칩)가 필요합니다.

오류 처리

UART 및 SPI는 오류 감지 메커니즘이 제한적이므로 소프트웨어에서 오류 처리를 구현하는 것이 중요합니다. 일반적인 기술로는 체크섬, 순환 중복 검사(CRC) 및 타임아웃 메커니즘이 있습니다.

결론

UART와 SPI는 임베디드 시스템 및 그 이상에 필수적인 직렬 통신 프로토콜입니다. UART는 단순성과 유연성을 제공하여 마이크로컨트롤러를 컴퓨터 및 기타 장치에 장거리로 연결하는 데 적합합니다. SPI는 센서, 메모리 카드 및 디스플레이와 같은 단거리 응용 프로그램에 고속 통신을 제공합니다. 각 프로토콜의 원리, 장점 및 단점을 이해하면 다음 임베디드 시스템 또는 전자 프로젝트를 설계할 때 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다. 기술이 발전함에 따라 이러한 직렬 통신 방법의 적용도 발전할 것입니다. 지속적인 적응과 학습은 엔지니어와 취미가 모두 이러한 프로토콜을 최대한 활용할 수 있도록 보장할 것입니다.