범용 MCU의 확장성 차원에는 여러 가지가 있다. 표준 주변장치 외에도 하나의 제품군은 개발자에게 프로세서 속도, 메모리, GPIO 핀, 패키지 등 여러 가지 디바이스 옵션을 제공하기 마련이다. 사물인터넷(IoT)으로 인해 접속 필요성이 커짐에 따라 새로운 차원의 확장성, 무선 커넥티비티 기술이 필요하다.

소비자 및 산업 시장을 위해 지능형 커넥티드 애플리케이션을 설계하는 제조사들의 난국 중 하나는 특정 애플리케이션에 어떤 무선 표준을 채택할 것인지 정하는 일이다. 대부분의 시장에서 이런 종류의 디바이스는 신흥기술이다. 예를 들어 스마트 전구 제품 카테고리에는 여러 가지 무선 커넥티비티 옵션들이 있다. 무선 선택이 어려운 그 밖의 애플리케이션에는 리모컨, 주택/빌딩 자동화, 스마트, 계량기, 보건/의료, 웨어러블, 보안 알람, 비콘 등이 있다.

무선은 지능형 센싱 애플리케이션의 핵심 요소이기 때문에, 설계자는 설계 프로세스에서 비교적 일찍 어떤 무선 표준을 사용할 것인지 결정해야 했다. 제조사는 기존에는 하나의 무선 컴포넌트를 선택한 후 이를 중심으로 제조하곤 했다. 이런 결정이 일단 내려지면 트랜시버 기술, PCB 레이아웃, 소프트웨어 스택, 무선에 접속하기 위한 API 등 설계의 여러 가지 요소들이 묶이게 된다.

어떤 제조사가 애플리케이션에 ZigBeeⓡ 기술을 선택했다고 가정해보자. 설계가 진행되면서, Bluetoothⓡ Smart가 그 애플리케이션의 타깃 시장을 크게 늘려줄 것이라는 새로운 시장 데이터가 등장할지도 모른다. 이렇게 나중 단계에서 무선을 바꾸는 것은 쉽지 않다. 예를 들어 Bluetooth Smart 무선을 다른 업체에게서 소싱하고, 원래의 무선을 중심으로 이루어진 설계작업 모두를 폐기해야 할지도 모른다.

또한 애플리케이션 자체를 새로운 스택과 API에 맞춰 개조해야 할 것이다. 제조사는 무선을 바꾸기 위해 사실상 거의 모든 것을 재설계해야 한다.
Bluetooth Smart 무선을 원래의 지그비 무선과 같은 업체에게서 소싱할 수 있더라도, 무선은 완전히 다른 기술을 기반으로 하고 있는 것이 보통이다.

이러한 차이점이 현재 설계를 새로운 무선에 가져가는데 심각한 제약을 줄 수 있다. 어떤 경우이든 설계 완성과 제품 출시가 크게 지연될 것이다. 엔지니어링 비용이 추가로 든다는 점도 염두에 두어야 한다.

설계의 근본 요소를 바꾸는 결정은 결코 쉬운 일이 아니다. 제조사는 시기에 맞춰 차선책이라도 내놓을 것인지, 아니면 주요 시장 호기를 놓치더라도 딱맞는 제품을 다시 설계할 것인지 결정해야만 한다.

SimpleLink™: 변화하는 시장의 요구에 부응

텍사스 인스트루먼트(TI)는 신규 시장에 진입하거나 신기술을 채택할 때 기술 민첩성이 매우 중요하다고 생각한다. 유연성이 부족하면 시장에서 제품이 실패할 수 있지만 적정 수준의 구성은 제품의 성공에 큰 역할을 할 수 있다.

무선 기술 선택에서 유연성을 확대해야 하는 제조사의 필요성에 맞춰, TI는 SimpleLink™ 초저전력 무선 MCU 플랫폼을 만들었다. 이 아키텍처는 ARMⓡCortexⓡ-M3에 기반하고 있고, 현재 32 KB부터 최대 128 KB 플래시까지 메모리 구성이 가능하다. 프로세싱 용량은 여러 가지 지능형 센싱 애플리케이션에서 독립적으로 MCU 역할을 할 수 있을 만큼 충분하다.

그러나 SimpleLink 플랫폼의 독특한 점은 무선 기술들을 넘나드는 확장성에 있다. 디바이스는 핀투핀(pin-topin) 호환 패키지 옵션으로 Bluetooth Smart, Sub-1GHz, ZigBee, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4, RF4CE™, 최대 5 Mbps까지 작동하는 전용 모드등 여러 가지 무선들을 지원한다.

하드웨어 관점에서 사용 중인 무선을 바꾸는 일은 어렵지 않다. 모든 2.4 GHz 기술과 모든 Sub-1GHz 기술은 바로 핀투핀 호환된다. 또한 그밖에 SimpleLink 디바이스들 간의 주변장치도 모두 동일하다. 이를 통해 제조사는 설계 프로세스에서 어떤 무선을 사용할 것인지 선택하는데 훨씬 유연해질 수 있다.

이 플랫폼은 그것이 지원하는 여러 가지 표준들 각각에서 코드 호환성을 가지고 있다. 그러나 무선 변경은 애플리케이션 소프트웨어 설계에 어느 정도 영향을 미친다. 이것은 무선 스택의 차이에서 비롯된 것으로, 애플리케이션으로 이를 반드시 참작해야 한다. 예를 들어 6LoWPAN 스택과의 인터페이싱은 IP메시지를 이용해 이루어진다. Bluetooth Smart에서 애플리케이션이 여러 가지 속성들을 읽거나 수정한다. 이러한 차이들은 TI가 SimpleLink 무선 MCU와 함께 제공하는 API에서 포착된다.

가장 좋은 방법으로, 제조사는 모듈러 형태로 무선 인터페이스를 설계할 수 있다. 애플리케이션이 직접 무선에 접속하도록 하는 것이 아니라, 애플리케이션이 무선 기능에 데이터를 전송하게 함으로써 무선 API를 추출할 수 있다.

그러면 이 기능은 해당 API를 이용해 필요한 만큼 송수신 데이터를 처리할 수 있다. 그렇게 되면, 설계 프로세스에서 뒤늦게 무선을 바꾸더라도 이 무선기능만 이식하면 된다.

확장성을 통한 유연성

TI는 SimpleLink 아키텍처를 통해 제조사가 설계 사이클 후반까지 무선 접속 프로토콜 선택을 늦출 수 있게 해준다. 사실상 개발자들은 여러 가지 무선을 동시에 설계할 수 있다. 첫 번째 무선이 구축된 후 다른 무선을 넣는데 많은 수고가 필요치 않기 때문이다. 설계를 무선 기술들 간에 손쉽게 이식할 수 있기 때문에 제조사는 같은 베이스 설계에서 여러 가지 무선을 지원하는 옵션을 둘 수 있다. 이렇게 하면 제조사는 시장이 어떤 무선 기술을 선택하게 될지 견지하면서 동시에 비용 효과적으로 복수의 옵션들을 제공할 수 있다.

SimpleLink 초저전력 플랫폼에서 이용 가능한 처음 두 개의 디바이스는 Bluetooth Smart용 CC2640과 6LoWPAN 및 ZigBee를 지원하는 CC2630이다. 또한 이 플랫폼은 CC260으로 ZigBee RF4CE를, 2015년 하반기에 출시 예정인 CC1310으로 Sub-1GHz 연산을 지원한다(그림 1 참고).

이 디바이스들 각각은 초저전력 연산에 최적화돼 있어서 코인 셀 배터리에서도 여러 해 동안 연산이 가능하고, 심지어 에너지 수확으로 배터리가 없어도 되기 때문에 제조사는 이렇게 얻은 유연성과 혁신으로 다수의 센서들과 사물들을 연결할 수 있다.
최고의 유연성을 위해 TI는 CC2650 멀티 표준 디바이스인 ‘수퍼셋’을 출시할 예정이다.

디바이스는 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 동적 구성으로 2.4 GHz 무선들 중 하나를 지원할 수 있다. CC2650으로 구축된 설계는 어떤 선택에도 얽매이지 않고 생산에 들어갈 수 있고 현장 설치 시점에 구성을 할 수 있다. 그러면 제조사는 안테나 설계를 바꾸지 않고도 어떤 무선을 구현할 것인지 마지막 순간까지 기다렸다가 정할 수 있다.

CC2650을 통해 애플리케이션은 단 하나의 칩으로 복수의 무선을 지원 할 수 있다. 디바이스가 지원하는 무선을 바꿀 수 있기 때문이다. 따라서 CC2650을 현장에서 다시 프로그래밍하면, 시스템이 지그비 기반 디바이스와 블루투스 기반 디바이스 둘 다 통신을 할 수 있다.

최저전력을 위한 멀티프로세서 효율

대부분의 지능형 센싱 애플리케이션은 하나의 코인 셀로 항상 켜진 상태에서 몇 해 동안 작동해야 한다. 그 외의 설계들에는 배터리가 없다. 따라서 에너지 하베스팅 기술의 한정된 용량 내에서 작동할 수 있어야 한다. 웨어러블 애플리케이션은 특히 전력소비에 민감하다.

SimpleLink 플랫폼 너머의 혁신에는 복수의 프로세서들을 통합해 지능형 센싱 애플리케이션이 수행하는 여러 작업에 맞춰 계산 기능을 여러 단계로 제공하는 것도 있다. SimpleLink 무선 MCU는 당면 작업에 딱 맞는 프로세서를 사용함으로써 최대한 낮은 전력으로 작동을 할 수 있다:

애플리케이션 프로세서: ARM Cortex-M3는 SimpleLink 초저전력 플랫폼의 메인 프로세서 역할을 한다. 이것은 센서기반 시스템을 지능적으로 관리할 수 있는 스탠드얼론 MCU 역할에 필요한 성능을 발휘한다. Cortex-M3는 풍부한 프로세싱 능력으로 애플리케이션과 하이레벨 스택 프로세싱을 처리하고, 48 MIPS 프로세싱 능력으로 매우 에너지 효율적이다. EEMBC의 ULPBench에 따르면, CC26xx/CC13xx 플랫폼은 동급에서 143이라는 가장 좋은 저전력 점수를 받았다.

무선 프로세서: SimpleLink 플랫폼은 시스템의 모든 로우레벨 무선 작업을 전담 관리하는 Cortex-M0을 집적하고 있다. 이것은 메인 CPU의 타이밍 크리티컬 작업을 덜어준다.

센서 컨트롤러: 이 초저전력 집적 MCU는 센서 모니터링을 빠르고 효과적으로 처리한다. 이것은 데이터를 샘플링하고 간단한 센서 결정을 내리는데 필요한 만큼만 적정하게 프로세싱을 할 수 있도록 설계돼 있다. 또한 메모리가 제한적이고 관계없는 주변장치가 없다. 그래서 정기적으로 센서 출력을 폴링하여 쓰레스홀드 이벤트가 일어났는지 알아보는 것과 같은 작업에서 매우 전력 효율적이고, 쓸데없이 필요하지 않을 때 메인 CPU를 깨우는 일을 피할 수 있다.

TI는 무선 라디오를 작동시키고 접속하는데 필요한 소프트웨어를 제공함으로써 SimpleLink 무선 MCU를 이용하는 설계를 단순화했다. 이것은 개발자들이 아무 때고 해당 SimpleLink 디바이스를 골라 별다른 구성이나 튜닝 없이도 바로 무선을 사용할 수 있을 만큼 무선 설계를 간소화하고 있다. 센서 컨트롤러는 센서를 감시하고, 결정을 내리고, 특정 애플리케이션에 맞춰 조치를 취해야 하기 때문에, 개발자가 그 작동을 구성할 수 있어야 한다.
 
TI는 소프트웨어 개발 툴, Sensor Controller Studio를 제공한다. 이를 통해 사용자는 센서 컨트롤러를 구성할 수 있다. 이것은 센서 컨트롤러로 하여금 코드를 쓰지 않고도 공통 작업을 수행할 수 있게 하고, 맞춤화 코드가 필요한 애플리케이션의 경우에는 C 같은 스크립팅 언어를 통해 이를 지원하고 있다. 센서 컨트롤러 스튜디오는 테스팅 및 디버깅기능에 센서 컨트롤러를 사용함으로써 개발 속도를 높여준다. 이렇게 하면 센서 데이터와 알고리즘 검증을 생생하게 시각화할 수 있다.

센서 컨트롤러의 또 다른 강점은 메인 CPU와 통합돼 있다는 점이다. 기존의 센서 컨트롤러는 메인 애플리케이션 프로세서의 짐을 덜어주기 위해 덜 강력한 보조 MCU를 이용해 구현된다. 주된 전력적 이점은 애플리케이션 프로세서가 수면 모드에 들어갈 수 있어 더욱 전력 효율적으로 컨트롤러 모니터가 센서들을 감시, 관리할 수 있다는 점이다.

이러한 보조 MCU는 애플리케이션 프로세서에게 외부의 것이기 때문에 개발자는 프로세서들 간의 통신을 설계, 관리해야 한다. 또한 컨트롤러가 애플리케이션 프로세서를 깨우게 될 수 있을 경우 인터럽트 기능도 구현해야 한다.
SimpleLink 플랫폼은 센서 컨트롤러의 집적 방식이 독특하다(그림 2 참고).

이것은 설계가 복잡해지는 일 없이 전력 효율의 이점을 모두 가지고 있다. 센서컨트롤러, 무선 MCU, 애플리케이션 프로세서가 같은 실리콘에 집적돼 있기 때문에, 하드웨어와 소프트웨어 설계가 크게 간소해진다. 전력 효율도 높아진다.

당연히 개발자는 애플리케이션 개발에서 Cortex-M3의 프로그래머블 기능들을 온전히 활용할 수 있다. 또한 TI는 각각의 무선 기술에 API를 제공하고 있다. 따라서 개발자는 최소한의 학습곡선으로 애플리케이션에 무선 접속을 재빨리 구현할 수 있다.
TI의 비전은 프로그래밍 하기 쉽고 PHY와 스택을 집적할 때의 난관을 피할 수 있는 무선 MCU를 만드는 것이다.

애플리케이션 코드는 대다수 설계자들이 익숙한 ARM Cortex-M3에서 실행된다. RF와 안테나 설계도 신뢰성이나 성능 하락 없이 간소해졌다. 강력한 보안 기능이 내장돼 있고 프로토콜 스택은 생산 준비가 완료돼 있다.

SimpleLink 플랫폼은 TI의 광범위한 개발 도구와 서드파티 에코시스템을 이용해 사용과 설계가 쉽다. 개발자는 Code Composer Studio™ 통합 개발 환경이나 IAR 임베디드 워크벤치 같은 전천후 설계 환경들 중에서 고를 수 있다.
또한 이 플랫폼을 위한 종합 평가 키트를 이용해 바로 설계에 착수할 수도 있다.

SimpleLink 무선 MCU는 각 애플리케이션의 I/O 수요에 맞춰 다양한 패키지 크기로 이용할 수 있다. 4×4 mm 패키지의 디바이스는 10 GPIO를 제공하고, 5×5 mm 패키지는 15 GPIO를 제공한다. 더 높은 수준의 접속이 필요한 애플리케이션의 경우, 7×7 mm 패키지가 31 GPIO를 제공한다.
TI는 업계 유일의 멀티 표준 무선 MCU 플랫폼을 만들었다. 이것은 최저 전력으로 작동하며 가장 설계가 간단하다. 무선 기술들을 넘나들며 확장 가능한 MCU 플랫폼은 제조사의 시장 민첩성에 완전히 새로운 차원을 보여준다.

이것은 저전력, 저비용으로 최적의 메모리 양, 최적의 GPIO 수, 최적의 디바이스 패키지를 선택할 수 있는 유연성에서 비롯된다.
TI의 SimpleLink 초저 전력 무선 MCU 플랫폼을 통해 개발자는 시스템이 지원하는 무선 표준을 설계 사이클의 한참 후반에도 선택할 수 있다. 그러면 제조사는 더 많은 시간과 더 많은 유연성을 벌게 되어 현재 시장수요에 가장 잘 부응하는 방법을 선택할 수 있게 된다. 그리고 SimpleLink 초저 전력 플랫폼은 애플리케이션별 디바이스의 최적화된 성능과 전력 소비로, 개발자가 대부분의 지능형 센싱 애플리케이션의 엄격한 요건을 보다 쉽게 충족할 수 있도록 해준다.