아두이노 우노/메가 시리얼 포트에서 가능한 최대 통신속도는?

아두이노 우노/메가 하드웨어 시리얼 포트를 사용하는 경우 가장 빠른 속도는 얼마까지 가능할까?

ATmega 프로세서에서 사용하는 USART는 UBRRn 레지스터와 UCSRnA에 있는 U2Xn 플래그로 통신 속도가 결정된다. 프로세서 클럭이 분주되어 USART의 클럭으로 들어가는데 가장 빠르게 설정하면 (UBRRn = 0, U2Xn = 1 로 설정) 프로세서 클럭이 8분주 되어 USART에 들어가게 된다.

아두이노 우노/메가는 16MHz 클럭을 사용하므로 USART에는 2MHz의 클럭이 들어가게 되어 최대 2Mbps의 속도로 시리얼 통신이 가능하게 된다.

테스트를 위해 간단한 코드를 만들어 실행시켜 보았다.

위의 화면에서  볼 수 있듯이 깔끔하게 출력이 되고 있다.

확실하게 확인하기 위해 오실로 스코프로 신호를 잡아 보았다.

먼저 9600 bps일때의 파형이다.

2초 간격으로 'A'를 출력하고 있는 코드이다. 'A'의 아스키코드 값은 65(0x41)이므로 2진수로 하면 01000001 이 된다. 시리얼 출력의 경우 먼저 1비트 길이의 start bit (무조건 '0') + 8비트 데이터 + 1비트 길이의 stop bit(무조건 '1')가 전송되고 데이터의 경우 LSB부터 먼저 전송되게 된다. 그러므로 위의 화면과 같이 0(start bit) 1(LSB) 0 0 0 0 0 1 0(MSB) 1(stop bit) 이 전송된다. 한 비트의 길이는 약 105us, 즉 9.5238Khz의 신호가 된다.

2Mbps일때의 파형이다. 기본적으로 9600 bps일때와 동일한 모양이나 한 비트 길이가 500ns, 즉 2MHz의 신호가 된다.

Atmel Studio 7.0으로 아두이노 메가/우노 사용하기 (Programming Arduino Mega/Uno using Atmel Studio 7.0)

아두이노 IDE를 사용하면 아두이노 보드들을 쉽게 프로그래밍 할 수 있지만 레지스터를 직접 조작해 다양한 peripheral들을 세부적으로 조작하려면 Atmel studio를 사용할 수 밖에 없는 경우가 생긴다.

먼저 arduino ide를 설치해 준다. 아두이노 메가의 플래쉬에 프로그램을 집어 넣기 위해 avrdude라는 툴을 사용하는데 아두이노 IDE에 포함되어 있기 때문이다. avrdude의 위치는 c:\Program files\Arduino\hardware\tools\avr\bin 폴더에 들어 있다. 사용하기 쉽게 하기 위해 저 폴더에 있는 avrdude.exe 파일과 c:\Program files\Arduino\hardware\tools\avr\etc 폴더에 있는 avrdude.conf 파일을 사용하기 편한 위치의같은 폴더에 집어 넣어 준다.



여기서는 C:\Utils 폴더에 avrdude.exe와 avrdude.conf 파일을 넣어 주었다.

이제 Atmel studio 7.0을 실행한 후 상단의 메뉴 항목에서 Tools->External Tools 를 선택한다.

창이 열리면 우측의 'Add' 버튼을 누른 후 아래쪽 4개의 칸을 다음과 같이 입력해 준다.



Title: MEGA writing  <- 임의의 이름을 지정
Command: C:\Utils\avrdude.exe <- avrdude.exe 파일의 위치를 지정
Arguments: -v -v -patmega2560 -cwiring -PCOM9 -D -Uflash:w:$(TargetDir)\$(TargetName).hex:i <- avrdude를 호출할 때 사용할 파라미터들. 여기서 COM9는 자신의 환경(아두이노 메가의 시리얼 포트)에 맞게 변경해 줘야 함
Initial directory: $(TargetDir) <- 이대로 지정

그리고 Use Output window 항목을 체크해 주고 'OK' 버튼을 눌러주면 된다.



다시 메뉴에서 Tools를 선택하면 MEGA writing 이라는 항목이 생긴걸 볼 수 있다.

이제 프로젝트를 만들어 프로그램을 빌드한 후 'MEGA writing' 을 선택하면 빌드 된 hex 파일이 아두이노 메가의 플래쉬에 기록되어 실행되게 된다.

프로젝트를 만드는 방법은 이전 포스트(Atmel Studio에서 아두이노 듀에 사용하기)를 참고하면 된다. 다만 프로세서는 아두이노 메가에 맞는 것으로 선택해 줘야 한다.



프로그램을 완성해서 빌드한 후 방금 추가한 'MEGA writing' 을 선택하면 아두이노에서보다 훨씬 빨리 hex 파일이 플래쉬에 기록되는걸 확인할 수 있다.

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그리고 프로그램을 만들어 컴파일 하다 보면 _delay_ms() 함수등에서 F_CPU가 선언되어 있지 않다고 에러가 나는 경우가 있다. 이런 경우 상단 메뉴바에서 Project 항목을 누른 후 맨 아래쪽에 프로젝트 Properties... 항목을 선택한다. (여기서는 megatest라는 이름의 프로젝트이므로 megatest Properties...라고 나왔지만 실제 megatest 대신 각자 프로젝트 이름이 나온다)



 Properties 탭이 열리면 Toolchain -> AVR/GNU C Compiler -> Symbols를 선택한다.
 기본적으로 Defined symbols 항목에 'DEBUG' 하나만 들어 있다.



Defined Symbols 오른쪽 끝의 + 버튼을 누르면 'Add Defined Symbols'라는 창이 열린다.


여기에 위와 같이 'F_CPU=16000000UL' 이라고 넣어주고 'OK' 버튼을 눌러주면 된다. 이제 다시 빌드 해 보면 에러가 없어졌을 것이다.

또한 printf() 함수로 출력되는 내용을 시리얼 포트로 보내주려고 하는 경우 '-Wl,-u,vfprintf -lprintf_flt -lm' 같은 내용의 링커 옵션을 추가해 줘야 하는 경우도 있다.

이 때는 Toolchain -> AVR/GNU Linker -> Miscellaneous 를 선택한 후 'Other Linker Flags'에 원하는 옵션을 추가해 주면 된다.

 


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아두이노 우노를 사용하는 경우도 위와 동일하다. 다만 차이점은

Arguments: -v -v -patmega328p -carduino -PCOM9 -D -Uflash:w:$(TargetDir)\$(TargetName).hex:i

저기서 atmega2560 대신 atmega328p로, wiring을 arduino로 바꿔주는것 뿐이다. 그 이후는 프로젝트를 만들 때 프로세서만 atmega2560 대신 아두이노 우노의 프로세서인 atmega328p를 선택해 주면 된다.