Chapter. 1 Embedded System Iartoa.hanbat.ac.kr/lecture_data/embedded_sw/01.pdf · 2012-08-02 · 유선 네트워크: 이더넷(Ethernet)이 널리 사용 IEEE 802.3 표준 현재시점에서

Embedded System I Chapter. 1

Jaeheung, Lee

Embedded System 소개

A Research Team Of ASIC & CAD Lab.

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목차

임베디드 시스템 개요

임베디드 시스템 시장 현황

임베디드 시스템 동향

실시간 임베디드 시스템

임베디드 시스템 H/W

임베디드 시스템 S/W

임베디드 시스템 활용 분야

임베디드 시스템 향후 전망

임베디드 SoC 특징

임베디드 시스템 실습 환경


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학습목표

임베디드 시스템의 기본 개념을 이해하고, 미래 기술 방향에 대해 관심을 갖도록 동기를 부여 Ubiquitous Computing에 대한 기초 이해를 유도


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임베디드 시스템 정의 : 마이크로프로세서 혹은 마이크로 컨트롤러를 내장하여

(Embedded) 원래 제작자가 지정한 기능만을 수행하는 장치 만일 한 시스템에서 사용자가 프로그램을 바꿔가면서 그에 따라 여러 가지 기능들을 수행할 수 있다면, 그 시스템은 대부분의 사람들이 임베디드 시스템이라고 분류하지 않음 Example) PC is NOT an Embedded System

구성 임베디드 H/W : 프로세서/컨트롤러, 메모리, I/O, 네트워크 임베디드 S/W : 커널, 시스템 S/W, 응용 S/W

응용분야 정보가전, 정보단말, 통신장비, 항공/군용, 물류/금융, 차량/교통, 사무, 산업/제어, 의료, 게임


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임베디드 시스템이란? Computers Inside a Product (or a System)

Any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer

“컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어가 조합되어 특정한 목적을 수행하는 시스템”

H/W : 마이크로프로세서/컨트롤러, 메모리, 센서, 구동기 등 S/W : OS, 디바이스 드라이버, 응용 프로그램, 네트워크 응용 등


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임베디드 시스템의 구성 임베디드 H/W

프로세서/컨트롤러, 메모리, I/O 장치, 네트워크 장치, 센서, 구동기

임베디드 S/W 운영체제, 시스템 S/W, 응용 S/W


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임베디드 시스템의 특징 소형, 경량화 저전력소비 낮은 가격 고 신뢰성 유/무선 네트워크 실시간 시스템 PC에 버금가는 반응속도 특정한 기능에 부합하는 최적화


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임베디드 시스템 시장현황

2011년 임베디드 시스템 세계시장 약 20,000억 달러 규모 임베디드S/W 분야 : 약 2000억 달러 규모 매년 평균 20%의 성장률 2015년 약 100,000억 달러 수준으로 성장 전망(RCW Mirus, 2010)

2011년 국내 시장규모 약 3조 8천억원 규모

2015년 10조 규모로 성장 전망 (정보통신연구진흥원, 2010)


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필요성 Must provide correct results at required time deadline

For examples Security system that checks ID badges Robot that welds sheet metal Automated teller machine

Types Hard real-time systems

정해진 시간 내에 작업의 결과가 절대적으로 출력되어야 하는 시스템 (전투기 비행제어 시스템, 핵발전소 제어시스템, 인공위성 제어시스템)

Soft real-time systems 정해진 범위를 넘는 시간 지연이 발생하더라도 시스템의 에러가 되지 않는 시스템

Most of control system is real-time embedded systems


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상용 RTOS(Real-time Operating System) 대표적인 제품으로 VxWorks, pSOS, QNX, OS-9, VRTX 등이 있음

VxWorks

WindRiver사에서 판매하는 제품으로 세계 시장에서 가장 점유율이 가장 높음 많은 종류의 마이크로 프로세서를 지원하며 대부분의 상용 Chip에 대한 Device Driver 지원

OSE Enea OSE Systems에서 개발, 판매하는 RTOS 국내보다는 세계시장에서 훨씬 높은 인지도와 점유율 보유


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상용 RTOS(Real-time Operating System) LynxOS

LinuxWorks사에서 개발 UNIX와 호환이 가능하며 OS의 사이즈가 크고, 복잡 규모가 큰 Real-Time Application 개발에 적합

RTLinux Finite State Machine Labs 사에서 개발, 판매하는 Embedded Linux

Windows CE Microsoft에서 판매하는 Embedded Windows OS

VRTX 몇 년 전만 해도 국내에서 가장 높은 시장 점유율을 가졌던 Mentor Graphics 사의 RTOS


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상용 RTOS(Real-time Operating System) pSOS

Integrated Systems사에서 판매 WindRiver에서 인수 VxWorks와 함께 세계 시장 상위의 점유율

QNX

QNX Software Systems사에서 개발 UNIX와 호환이 가능 비 상업용으로는 Real-Time Platform Package를 무료로 다운 가능

OS-9 Microware사에서 개발, 판매하는 RTOS로서, 국내 보다는 세계시장에서 높은 인지도와 시장 점유


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비-상용 RTOS(Real-time Operating System) Nucleus Plus

Accelerated Technology 사에서 개발,판매 다른 RTOS들과는 달리 Full Source Code를 제공 제품 당 지불하는 Royalty가 없음 국내에서는 휴대폰 단말기와 PDA등 50여종의 제품에서 사용되고 있으며, 우리별 1호, 2호에도 탑재

SuperTask US Software 사에서 개발,판매 Nucleus와 마찬가지로 Source Code를 Open하며, No Royalty


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비-상용 RTOS(Real-time Operating System) microC/OS(uC/OS)

최근에 학교를 중심으로 많이 사용하면서 널리 알려진 RTOS Jean J. Labrosse라는 사람이 개발하여 배포 책을 구입하면 부록에 Source Code가 포함되는 형태로 판매되며, Royalty 역시 없음 꾸준한 Upgrade를 통하여 많은 종류의 프로세서를 지원 현재는 Upgrade된 uC/OS-II 를 개발하여 배포


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RTOS 비교표

RTOS MAKER 국내 Agent Royalty Policy

VxWorks WindRiver WindRiver Korea Yes

OSE Enea OSE Systems 트라이콤텍 Yes

VRTX Mentor Graphic 다산 인터네트 Yes

pSOS WindRiver WindRiver Korea Yes

Ncleus Plus Accelerated Technology ATI Korea No

Super Task US Software 아라전자 No

microC/OS(uC/OS) 개인 없음 No

QNX QNX Software Systems 다산 인터네트 Yes

OS-9 Microware Microware Korea Yes

LynxOS LinuxWorks 없음 Yes

RTLinux Finite State Machine Labs 없음 Yes

Windows CE Microsoft Microsoft Yes


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임베디드 시스템 하드웨어의 특징 프로세서 : 프로그램의 명령어 처리 메모리 : 프로그램과 데이터 저장 주변장치 : 시스템과 외부 장치(External Devices)들을 연결 네트워크 장치

PC H/W vs 임베디드 시스템 H/W

H/W 항목 PC 임베디드 시스템

프로세서 고성능 탑재 최소한의 성능 탑재

메모리 대용량 메모리 최소한의 메모리 사용

보조기억장치 다양함:HDD, ODD, DVD 거의 사용 안 함

주변장치 다양함:KBD, MOUSE, SPKR 필요한 장치만 사용


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프로세서 프로세서

임베디드 시스템의 제일 중요한 부분 반도체 회사에서 각각 많은 종류의 제품들을 시판

프로세서의 속도 수 MHz에서 수십 혹은 수백 MHz의 클럭 속도 8비트, 16비트, 32비트, 그리고 64비트

데이터 버스의 크기와 기본 연산의 단위에 따라서 선택


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프로세서 PC를 설계할 때의 프로세서 선택 : Intel or AMD 임베디드 시스템

기능의 복잡도(complexity) 및 시스템의 크기 면에서 매우 다양 마이크로 프로세서 :데이터부와 제어부로 구성된 CPU core만 포함 마이크로 컨트롤러 : CPU core에 여러 종류 및 크기의 메모리와 다양한 주변 장치들까지도 포함

많은 종류의 마이크로프로세서 및 마이크로 컨트롤러들 중에서 가격대비 성능이 최적인 제품을 찾아내는 것은 매우 어려운 일


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프로세서 ARM계열

ARM 아키텍처의 배경 ARM은 원래 영국 캠브릿지에 있는 Acorn Computer Limited에서 개발된 프로세서 Acorn은 BBCmicro 라는 6502를 이용한 PC를 만듬 애플의 영국지사와 VLSI Technology 그리고 Acorn사가 합작하여 ARM사 설립

ARM의 특징 ARM 프로세서의 가장 큰 특징인 저 전력 설계 다른 프로세서에 비해 적은 전력을 소모하면서 높은 성능 ARM7의 60Mips에서부터 ARM11계열의 500Mips를 넘어가는 프로세서까지 다양


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프로세서 PowerPc계열

PowerPC 아키텍처의 배경 IBM RS/6000을 모델로 해서 IBM, 모토로라 그리고 애플이 함께 만든 프로세서 1993년에 발표된 PowerPC Architecture Specification은 32 비트 서브셋을 갖춘 64 비트 스펙 거의 모든 PowerPC들(IBM RS/6000 후기 모델과 모든 IBM pSeries 하이엔드 서버 예외)은 일반적으로 32-bit 일반 PC나 워크스테이션용으로 사용하기 위해서 개발되었기 때문에 최신의 설계 기술을 사용하였고 높은 성능을 낼 수 있도록 설계


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프로세서 PowerPc계열

PowerPC의 특징 높은 퍼포먼스, 저전력, 낮은 열 분산이 강력한 '임베디드적' 특징 32 (32 또는 64 비트) GPRs (General Purpose Registers)와 PC (Program Counter-IAR/Instruction Address Register 또는 NIP/Next Instruction Pointer라고 일컬어짐), LR (link register), CR (condition register)를 갖춤 MPC850의 50MHz에서부터 MPC7450의 733MHz까지 다양한 성능


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메모리 임베디드 시스템 메모리의 선택 : 운영체제와 응용 소프트웨어

사용하게 될 메모리의 종류 및 크기

메모리의 주요 역할 : 프로그램과 데이터 저장


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메모리 ROM: 비-휘발성 메모리

전원이 차단된 경우에도 메모리의 프로그램 또는 데이터가 없어지면 안 되는 경우 ROM (Read Only Memory), PROM (Programmable Read Only Memory), EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) FLASH 메모리 PC : BIOS (Basic Input Output System)가 EPROM에 상주 -> 부팅(booting)

전원이 처음으로 PC에 공급될 때 시작되어 PC의 각종 입출력 장치 등의 주변 장치들을 초기화하는데 사용 그 이후에 BIOS는 운영체제를 디스켓이나 하드디스크에서 읽어서 RAM에 저장하고 그 이후에는 운영체제가 RAM에서 실행을 시작 부팅이 되고 난 이후에 PC는 운영체제가 시작되고 각종 응용 프로그램이 실행되어 사용자의 입력을 기다리는 상태


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메모리 RAM

큰 용량의 프로그램이나 데이터를 저장하는 데 주로 사용 DRAM(Dynamic Random Access Memory)

DRAM은 대용량이 필요한 경우에 많이 사용

SRAM(Static Random Access Memory) 일반적으로 SRAM은 저용량 고속으로 읽고 써야 하는 경우에 주로 사용: 캐쉬메모리

Random Access 기억장치의 주소를 CD나 하드디스크처럼 순서대로(serial) 읽지 않고 원하는 주소를 마음대로 읽을 수 있기 때문에 유래


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입출력 장치 임베디드 시스템의 동작형태

외부 입력에 반응하여 정해진 작업을 실행하며 지정된 출력을 발생

임베디드 시스템의 사용방법 폴링 (Polling) : Simple Implementations 인터럽트 (Interrupt) : Efficient Implementations

입력장치 키보드, 마우스, 마이크 등 센서(Sensor)를 많이 활용

외부에서 발생한 물리적인 현상, 즉 온도, 빛, 위치 등의 값 (또는 변화량)들을 임베디드 시스템으로 읽어 들이는 역할을 수행


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입출력 장치 예 : 온도센서와 히터(Heater)를 이용하여 용액의 온도를 70℃로 일정하게 유지하는 간단한 임베디드 시스템

용액의 온도가 65℃로 떨어진 경우에 이 온도 변화량을 센서가 감지하게 되며 이 신호를 프로세서에 입력 프로세서는 온도가 내려갔으므로 히터를 가동시킨 뒤 계속 온도를 감시하다가 온도가 70℃가 되었을 때에 히터의 가동을 중지


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직렬포트(serial port) RS232C규격, 몇 m 떨어진 곳의 주변장치대상 특징: 저속, 간단

병렬 포트(parallel port) 시리얼보다 더 근접한 위치의 주변장치 용; 프린터 인터페이스


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USB (Universal Serial Bus) 및 IEEE 1394 최근에는 주변장치에서 많은 멀티미디어 데이터를 처리해야 하기 때문에 직렬이나 병렬 인터페이스로는 부족한 성능을 개선 USB :

최대 12 Mbps까지 전송속도 최대 127개의 주변 장치들을 연결 프린터, 스캐너, 키보드, 조이스틱, MP3 Player 등의 제품에서 사용

IEEE 1394 : Apple의 Firewire 400 Mbps까지의 전송속도 최대 63개의 주변장치 하드디스크, CD/CD-RW 및 비디오카메라 등의 제품에서 사용


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네트워크 장치 멀리 떨어진 곳의 주변장치 제어 유선 네트워크: 이더넷(Ethernet)이 널리 사용

IEEE 802.3 표준 현재시점에서 가장 많이 사용되는 근거리 통신망(Local Area Network 혹은 LAN) 기술 10Base-T : 10Mbps의 전송속도

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) 프로토콜을 구현

10/100 이더넷 : 100 Mbps까지 겸용으로 속도를 낼 수 있는 고속 이더넷을 함께 사용 Gigabit 이더넷을 지원하는 제품들도 사용되기 시작 10Gigabit 이더넷 개발 완료


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네트워크 장치 무선 네트워크 방식

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 프로토콜을 지원 802.11b, 802.11g, 802.11n 규격

802.11b :

주파수 대역 : 2.4GHz (ISM Band 사용) 최대전송속도 : 11Mbps 가장 먼저 나온 기술로써 전송속도가 느리고 다른 기기와의 주파수 간섭문제가 발생할 수 있음


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네트워크 장치 무선 네트워크 방식

802.11g : 주파수 대역 : 2.4GHz (ISM Band 사용) 최대전송속도 : 24Mbps 802.11b를 사용하는 기기와 상호호환이 가능

802.11n : 주파수 대역 : 2.4GHz, 5GHz 최대전송속도 : 300Mbps 근거리 무선 통신 중 전송속도가 빠른 편에 속함

802.16 : WiMax, Wibro에 사용되며 전송속도가 가장 빠름


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임베디드 시스템 소프트웨어의 구성 OS : RTOS, Embedded Linux 시스템 S/W: OS API, Network API, … 응용 S/W: 각 분야/용도 별

PC S/W vs 임베디드 시스템 S/W

S/W 항목 PC 임베디드 시스템

OS Windows RTOS, Linux

시스템 S/W Windows API RTOS & Linux API

응용 S/W HDD에서 읽음 메모리에서 읽음

개발환경 Visual Studio .NET 교차개발환경


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운영체제 (Operating System) 범용 운영체제

다양한 프로그램을 지원하지만, 덜 매력적 Linux, Microsoft XP 혹은 2000pro 등의 데스크 탑 운영체제

다양한 장치와 다양한 작업들을 수행 기본적으로 커다란 메모리를 필요

임베디드 시스템 운영체제 가격 경쟁력을 갖추어야 함 작은 크기의 메모리에도 원활하게 동작하는 운영체제가 바람직함 Embedded Linux, Windows CE, … 국산 실시간 운영체제(Real-time Operating System 혹은 RTOS)인 Qplus


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시스템 S/W 컴퓨터 하드웨어를 관리하고 응용 소프트웨어를 실행하는데 필요한 프로그램들

운영체제, 각종 하드웨어 및 주변 장치들을 구동하는 데 필요한 드라이버 프로그램

TCP/IP를 비롯하여 시스템을 네트워크로 연결하는 데 필요한 각종 소프트웨어

프로그램을 개발하는데 사용되는 여러 프로그래밍 언어(예를 들면 C, C++, 어셈블리 언어) 컴파일러, 디버거, 프로그램 개발도구(예를 들면 마이크로소프트 Visual studio, Qplus ESTO) 등


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응용 S/W 임베디드 시스템의 응용소프트웨어

운영체제와 시스템소프트웨어를 이용하여 사용자에게 유익한 작업을 수행하는 소프트웨어들

예 : Desktop Publishing, Personal Information Management (PIM), Computer Aided Design (CAD), 과학 계산용 소프트웨어, 웹 브라우저, 멀티미디어 재생기 등

일반적으로 RAM에 올려져서 동작

많은 경우에 작은 크기의 임베디드 시스템에서는 시스템의 전원이 꺼지더라도 다시 전원을 인가하면 바로 동작이 실행될 수 있도록 만들기 위하여 응용 프로그램을 ROM 혹은 플래시메모리에 저장하기도 함


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임베디드 시스템 활용분야

정보가전 세탁기, 오디오, 인터넷, 냉장고, HDTV, …

제어분야 공장자동화, 가정자동화, 로봇제어, 공정제어, …

정보기기 핸드폰, 스마트폰, 태블릿PC, …

네트워크기기 교환기, 공유기, 홈 게이트웨이, …

게임기기 가정용 게임기, 지능형 장난감, …


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H/W 컴퓨터 하드웨어 기술 : 무어의 법칙에 따라서 계속 발전 프로세서

데이터 처리용량 증가: 32비트 코어 → 64비트 코어로 발전 고성능의 파이프라인, DSP, 자바 처리 전용 H/W 추가

메모리 대용량화 DRAM FLASH 메모리의 사용증가

네트워크 유/무선 네트워크의 대역폭의 계속적인 증가.


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H/W SoC (System on-chip)

CPU, 메모리, DSP, 주변장치 등을 한 칩으로 만드는 기술 이전에 하나의 PCB보드에 CPU 칩, 메모리 칩, 주변장치 칩들을 각각 따로 사용하여 설계 각 칩에 해당되는 회로를 각각의 IP(Intellectual Property 또는 지적재산권)로 확보해서 한 개의 칩으로 설계

Post-PC 시대의 하드웨어 기술의 핵심 고성능, 저전력, 저가격, 안정성, 내구성, 혁신적 디자인 등이 가능


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S/W OS

Plug-and-Play RTOS Linux will be there Windows 시장 진입 노력: CE, .NET 모바일 OS의 진화

Android, iOS, bada, Simbian, …

System S/W 새로운 장치와 고성능화 하는 장치에 맞는 API 계속 개발 Device Driver 자동 생성 도구 발전 : MS Platform builder Middleware의 등장


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S/W Application S/W

Component Based Design: Plug-and-Play 응용 S/W 개발이 가속화 S/W Modeling CAD Tool (UML)

Development Tool CAD Tools for Rapid S/W development

Automatic Source Code Generation Tool: Objectime, RoseRT


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S5PV210 구성도


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S5PV210 구조 S5PV210 Block Diagram


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S5PV210 특징 32-bit RISC cost-effective, low power, high performance microprocessor solution

Integrated ARM Cortex-A8 Core

To provide optimized H/W performance for the 3G services

64-bit internal bus architecture


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S5PV210 특징 Include H/W accelerators for tasks such as motion video processing, display control and scaling

Integrated Multi Format Codec(MFC) Codec : MPEG-1/2/4, H.264, H.264 support

MFC supports Real-Time video conferencing and Analog TV out, HDMI for NTSC and PAL mode

Included H/W peripherals such as TFT-LCD Controller, Camera Interface, MIPI, ATA, UART, DMA, USB, …


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S5PV210 Pin Assign


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S5PV210 Memory Address 맵


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임베디드 시스템 실습환경

HBE-EMPOS II Processor : Intel Xscale PXA255(400MHz) Memory : Flash 32Mbyte, SDRAM 128Mbyte, SRAM 1Mbyte OS : Embedded Linux, WinCE Device

10/100Mbps Ethernet TFT-LCD(640x480) 7-Segment LED Push Button GPIO MMC/SD


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HBE-EMPOS II Block Diagram


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HBE-EMPOS II SW 환경 부트로더

크로스컴파일러(ARM Tool Chain)

하드웨어 모니터링 Minicom (Linux) HyperTerminal (Windows)

JTAG Interface

GUI 개발환경


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HBE-EMPOS II SW 구성 부트로더 : EMPOS-BOOT v0.1

리눅스 커널 : linux-2.4.19-rmk4-pxa2-empx1

파일시스템 : ramdisk-16m(ext2)

GUI : QT/Embedded-2.3.2, Qtopia-1.4.0( jffs)


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HBE-EMPOS II 디바이스 모듈 구성 커널 삽입 디바이스

TFT-LCD, PCMIA/CF, Touch Screen AC97 Audio, IrDA, FFUART, MMC, …

모듈 형태 디바이스 SMC9111 Primary/Secondary Ethernet Driver Prism2 Wireless Driver IDE Disk Driver Text LCD Driver LED, Button Driver 7-Segment GPIO Input/Output Driver


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HBE-EMPOS II 기타 자료 http://www.hanback.co.kr (한백전자 홈페이지) 고객지원 → Q & A 고객지원 → 자료실

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