소프트웨어와 하드웨어의 상호작용은 현대 컴퓨팅 시스템의 중심이 되는 개념이다. 이 장에서는 어떻게 소프트웨어가 하드웨어를 제어하고, 하드웨어는 소프트웨어의 요청에 어떻게 반응하는지에 대해 상세히 설명한다.

소프트웨어와 하드웨어 상호작용의 기본 개념

소프트웨어와 하드웨어의 상호작용은 기본적으로 입력-처리-출력 모델을 따른다.

하드웨어 추상화 계층

하드웨어 추상화 계층(HAL, Hardware Abstraction Layer)은 하드웨어의 구체적인 동작을 추상화하여 소프트웨어가 하드웨어의 세부 사항을 알지 못해도 동작할 수 있도록 한다. HAL은 하드웨어 종속적인 코드를 별도의 모듈로 캡슐화하여 소프트웨어의 이식성을 높인다.

예를 들어, HAL_UART_Transmit 함수는 UART 하드웨어 모듈을 통해 데이터를 송신하는데, 소프트웨어에서는 이 함수만 호출하면 되므로 UART 하드웨어의 구체적인 동작을 몰라도 된다.

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

메모리 맵과 레지스터 액세스

하드웨어 장치는 메모리 맵을 통해 제어된다. 각 장치는 자신의 메모리 주소 공간을 가지며, 소프트웨어는 이 주소 공간에 데이터를 쓰거나 읽어서 장치를 제어한다.

예를 들어, 특정 레지스터의 주소가 0x40021000라고 가정하면, 소프트웨어는 아래와 같이 레지스터에 접근할 수 있다:

#define REG_ADDRESS 0x40021000
volatile uint32_t *reg = (uint32_t *)REG_ADDRESS;
*reg = 0x01;  // 레지스터에 값을 씀
uint32_t value = *reg;  // 레지스터에서 값을 읽음

인터럽트와 폴링

인터럽트와 폴링은 하드웨어와 소프트웨어가 상호작용하는 중요한 방식이다.

while(!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)) {
    // 데이터가 도착할 때까지 기다림
}

void USART1_IRQHandler(void) {
    if(USART1->SR & USART_SR_RXNE) {
        uint8_t data = USART1->DR;  // 데이터 수신
        // 데이터 처리 코드
    }
}

DMA (Direct Memory Access)

DMA는 CPU의 개입 없이 메모리와 하드웨어 장치 간에 데이터를 직접 전송하는 기술이다. 이는 CPU의 부하를 줄이고 시스템의 효율성을 높인다.

void DMA_Config(void) {
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
    DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)data_buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = BUFFER_SIZE;
    DMA_Init(DMA1_Stream5, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA1_Stream5, ENABLE);
}

버스 인터페이스

하드웨어 장치와 메모리, 그리고 CPU 간의 데이터 전송은 다양한 버스 인터페이스를 통해 이루어진다. 대표적인 버스 인터페이스로는 I2C, SPI, UART, PCI, USB 등이 있다.

I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C는 두 개의 선(SDA, SCL)만으로 여러 장치를 연결할 수 있는 직렬 통신 버스이다.

I2C_HandleTypeDef hi2c1;
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
HAL_I2C_Init(&hi2c1);

SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI는 주로 고속 데이터 전송을 필요로 하는 장치 간의 통신에 사용된다.

SPI_HandleTypeDef hspi1;
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
HAL_SPI_Init(&hspi1);

하드웨어 제어용 소프트웨어 드라이버

하드웨어 장치의 복잡성을 소프트웨어가 쉽게 다룰 수 있도록 하는 드라이버는 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 네트워크 카드 드라이버는 네트워크 장치의 상태를 관리하고 데이터 패킷을 송수신하는 데 필요한 모든 세부 사항을 캡슐화한다.

int network_card_init(void) {
    // 하드웨어 초기화 코드
    return 0;
}

ssize_t network_card_send(const uint8_t *data, size_t len) {
    // 데이터 송신 코드
    return len;
}

ssize_t network_card_receive(uint8_t *buffer, size_t len) {
    // 데이터 수신 코드
    return len;
}

소프트웨어와 하드웨어의 상호작용은 컴퓨터 시스템의 핵심이다. 올바른 상호작용을 위해서는 하드웨어의 동작을 잘 이해하고, 이를 소프트웨어로 잘 제어할 수 있는 능력이 필요하다. 하드웨어 추상화 계층, 인터럽트, DMA, 버스 인터페이스 등을 통해 소프트웨어와 하드웨어가 효과적으로 소통할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

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