4. 아두이노 우노 ATmega328P LED 출력하기 (DDR, PORT)

처음 코딩 공부를 시작할 때, CMD 창에 Hello World!를 가장 먼저 출력해본다.

과연 임베디드 세계에서는 어떨까?

임베디드 설계에서 Hello World는 굉장히 어려운 일이다. 

그렇다면 임베디드 공부를 처음 시작할 때, 해보는 것은 뭘까?

바로 LED 켜보기이다.

그래서 우리도 LED를 켜보려고 한다.

가장 싸고 흔한 발광 다이오드이다. 

하나만 기억하자. 전기는 (+) → (-) 로 흐르는 것만 기억하고 저항이 없으면 LED가 버틸 수 없으므로 저항은 적당한거 하나 ANODE 쪽에 달아주자.

아래 그림처럼 회로를 구성하였다.

하나 main.c 코드를 복붙한 후, 빌드를 해보자. 빌드 Success가 뜨고 object, hex, elf 파일이 생겼을 것이다. 나중에 하나하나 설명할 것이니 일단은 넘어가자.

#define F_CPU 16000000L // CPU 클럭 속도
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void) {
	DDRD = 0x04U;			// PD2를 출력으로 설정

	while (1) {
		PORTD = 0x04U;		// LED ON
		_delay_ms(1000);    // 1초 대기
		PORTD = 0x0U;		// LED OFF
		_delay_ms(1000);    // 1초 대기
	}

	return 0;
}

AVRISP mkII ISP 프로그래머를 연결해본다. Apply를 눌러보면, Interface Settings에 ISP Clock이 제일 먼저 보일 것이다.

ISP는 SPI 라고 간단히 생각하고, 아래 문구를 보게 되면 device의 주파수의 1/4보다 낮은 값으로 설정하라고 한다. Atmega328P 칩은 내부 오실레이터 주파수가 8MHz 이므로 대략 2MHz보다 낮으면 된다. (하지만 아두이노 우노 보드의 경우, 외부 오실레이터 16MHz를 사용하나 Fuse bit를 설정하여 이를 조절할 수 있다. 근데 125kHz도 충분히 빠르니 내비두자.)

Memories 로 가보면 Flash (32KB) 가 보일 것이다. 실제 플레쉬 영역에 우리가 빌드한 Hex 파일을 ISP 방식으로 집어 넣는 것이다. Program을 누르면 Flash 영역을 한번 싹 0xFF로 밀어버린 후, Hex를 집어넣으므로 기존 아두이노 부트로더를 날라갈 것이다. 더 이상 우리가 알던 아두이노 방식으로는 개발을 할 수 없다. ㅋㄷ (ISP로 부트로더 다시 집어넣으면 됨)

https://youtube.com/shorts/vJ8pUajn1kU?si=OGNoKXAHvJf-BCJp

_delay_ms는 말 그대로 MCU를 강제로 지연시키는 것이고, 우리가 알아야 하는 키워드가 2가지가 있다.

DDR

DDR에 대해 알아보자. 이제는 Atmega328P의 데이터시트를 확인해야 한다.

DDR 설정

• 1: 출력 설정
• 0: 입력 설정

DDRB = 0xFF;  // PORTB의 모든 핀을 출력으로 설정
DDRC = 0x00;  // PORTC의 모든 핀을 입력으로 설정
DDRD |= (1 << PD7);  // PORTD의 7번 핀만 출력으로 설정
DDRD &= ~(1 << PD0);  // PORTD의 0번 핀만 입력으로 설정

위 처럼 사용된다고 생각하면 된다. 입출력 결정한다.

코드를 보면 나는 PD2를  출력 모드로 사용하였다. 

PORT

출력모드일 때 (DDRx = 1)

• PORT = 1: HIGH (5V) 출력
• PORT = 0: LOW (0V) 출력

PD2번에 LED를 연결하여 제어하고 있으므로 당연히 PORTD2 비트만 제어하여 LED를 제어한다. 크게 어렵지 않다. 굳이 설명할 필요도 없달까?

하지만 굳이 LED Blinking을 먼저 테스트한 이유는 첫 빌드 목적도 있지만 delay_ms 때문이다.

MCU 입장에서 delay는 정말 조심해야하는 동작이다. 

 MCU도 결국 컴퓨터이다. 초소형 컴퓨터.

MCU는 클럭에 의해 움직이는데, 클럭을 사람의 심장 박동으로 비교한다. 몸을 움직이지 않을 때는 심장 박동수가 내려가고 달리기를 하면 심장 박동수가 급격하게 뛴다. 

Atmega328P라는 MCU 칩은 8MHz 라는 클럭(심장 박동)을 가지고 있다. 1초에 8,000,000 번을 뛰는 것이다. (사람은 기껏해야 1초에 60 ~ 120번 정도 뛸 것이다. ) 그만큼 소형 칩일지언정 컴퓨터는 엄청난 속도로 연산을 하고 있다. 이 엄청난 속도로 인해 0, 1을 엄청나게 빠른 속도로 처리하므로 우리는 동시에 움직이는 것처럼 보인다. 

자. 과연 이렇게 빠른 속도로 연산하는 MCU를 강제로 delay_ms(1000)를 통해 1초를 쉬게 한다. 사람 입장에서는 짧은 시간이지만 컴퓨터 입장에선 엄청난 시간 소요이다. 불필요한 동작인 셈이다.

delay를 했다고 해서 과연 MCU의 클럭 또한 1초 만큼 멈출까? 아니다. 1초 동안 아무것도 하지말고 쉬라는 동작을 컴퓨터에게 명령을 한 것이며, 1초라는 시간을 재기 위해 클럭은 계속해서 발생시킨다.

간단한 동작에는 상관없지만, 센서가 늘어나고 로직이 추가되면 잘못 사용된 delay는 굉장히 버그를 유발시킬 수 있으며 타이밍을 어긋나게 할 수 있다.

delay를 쓰지말라는 것이 아니다. 적재적소에 사용되면 상관없지만 이번 코드에는 적절치 못하다는 것을 이야기하고 싶은 것이다.

다음 글은 Timer 라는 것을 통해 똑같은 기능이지만 새로운 방법을 소개해보려한다. delay와 한 번 비교해보길 바란다.