모션컨트롤러는 그 이름처럼 모션컨트롤을 돕는 장치다. 그 종류에 따라 각기 다른 제어 작업을 수행한다. 모션컨트롤러를 구성하는 기술들과 모션컨트롤러의 종류에 대해 간단히 알아보고, 대표적인 장비 및 응용사례를 통해 각 장치의 특징과 기능을 살핀다. 글｜모션시스템디자인 편집부·정리｜윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)
보드 레벨 컨트롤러
보드 레벨 모션컨트롤러는 일반적으로 카드 랙 섀시에 하나 이상의 회로판(서킷 보드)를 장착하고 있다. 회로판은 보통 컴퓨터 및 메모리 하드웨어를 포함하고 있으며, 경우에 따라 하드디스크 드라이브와 같은 대용량 저장장치 인터페이스를 탑재하고 있는 것도 있다.
부하를 관리하기 위한 입력 및 출력 하드웨어를 제공하는 보드도 있다. 예를 들어 3축 컨트롤러는 세 개의 독립적인 I/O 보드를 가지고 있는데, 각각 3축의 모터를 구동 및 제어한다.
산업표준형 버스 구조 중 하나에 보드 레벨 컨트롤러를 내장하는 사례가 점차 늘어나고 있다. 간단하게 이야기하자면, 버스는 모든 연결 구성요소를 처리하기 위한 단일 회로라고 정의할 수 있다. 대부분의 컴퓨터 시스템은 세 가지 버스를 가지고 있다. 주소(Adress)와 자료(Data) 그리고 제어(Control)가 그것이다. 이를 통틀어 시스템 버스라고 일컫는다.
오늘날 주로 사용하고 있는 버스 구조는 저마다 그 성능에 차이가 있다. 각각 구조에 따른 보드 크기 또한 크게 다르다. 각 형식마다 차이가 존재하는 것. 예를 들어 커다란 보드를 필요로 하는 형식은 하나의 보드에 가능한 한 많은 기능을 탑재하는 것이 바람직하다. 반면 공간에 제약이 있거나 진동이 크거나 회로판의 성능이 뒷받침되지 않은 경우 작은 보드가 적합하다.
보드 형태가 다양한 만큼 입출력 사항도 제각각이다. 산업용 버스의 종류(STD나 멀티버스Ⅰ 등)에 따라 갖가지 모션컨트롤 보드를 사용할 수 있다. 하지만 멀티버스Ⅱ나 VME 등에 부합하는 장비를 찾기는 어렵다. 이러한 버스는 현재 군사용도로 활용을 넓혀가고 있다.
VME 버스는 여러 회사가 협력해 설계한 표준이다. VME 개발자들의 목적은 장비 사양을 바꾸지 않고도 한 장비에서 다른 장비로 전환할 수 있는 일련의 버스 구조를 정의하는 것이었다. VME는 8비트·16비트·24비트·32비트 주소지정을 제공한다. VME는 비 동기 버스로, 모드 차단 전송(Block-mode Transfers) 및 정렬되지 않은 전송(메모리 블록이 단어 경계에서 시작하지 않는 경우)도 허용한다.
이보다 더 오래된 표준은 버사 버스라고 하며, 68000 기반 설계를 다룰 수 있도록 설계되었다. 현재 이 표준은 대부분 VME로 대체되었다. 하지만 버사 버스는 VME 버스와 비교해 큰 매력을 가지고 있다. 버사 버스는 좀 더 큰 보드를 사용하며, 따라서 보드에 더 많은 회로를 추가할 수 있다.
멀티버스Ⅰ은 한때 680X0 및 80XXX 컴퓨터 설계에서 많이 쓰이던 플랫폼이다. 멀티버스Ⅰ의 매력은 단순함에 있다. 16비트 데이터 버스, 24비트 어드레싱, 비 동기 프로토콜, 버스 다종화 미지원 등 그 기능이 단순한 것. 또한 멀티버스Ⅰ은 국부 기억 장치(局部記憶裝置, Local Memory)에 하위 버스를 포함하고 있다. 또한 여타 버스와 기술적인 성능을 나란히 하기 위해 원래 사양에 몇 가지 기능을 추가했다. 멀티버스Ⅰ은 8비트 및 16비트 컴퓨터에서 여전한 경쟁력을 과시하고 있다.
멀티버스Ⅱ 표준은 다섯 단계의 하위 버스가 동시에 발생하는(Synchronous) 버스다. 주 버스는 32비트 폭을 가지고 있으며 40Mbytes/초(10㎒ 비트)로 동작한다. 로컬 메모리 버스 역시 속도가 빠르다. 12.5㎒ 클록에서 작동한다. 속도가 다른 장치를 다루기 위해, 비 동기 버스는 단순히 대기 상태를 만들어내는 반면 멀티버스Ⅱ는 여러 개의 하위 버스를 사용함으로써 문제를 해결한다.
멀티버스Ⅱ의 강점은 정교하고 수준 높은 멀티프로세서 설계에 대한 잠재력에 있다. 여타 버스는 다양한 프로세서 및 장치를 긴밀하게 결합·동기화하할 수 있는 많은 기능을 제공하지 않는다.
많은 제조업체가 Q버스 등 다양한 버스와 호환할 수 있는 보드를 제공하고 있다. Q버스는 LSI 11 마이크로컴퓨터용으로 설계된 장치로, 저렴한 비용과 단순한 기능이 특징이다. 신호 라인을 저장하기 위해 주소와 데이터를 다중 통신(Multiplex)한다. 22주소 비트를 통해 4메가바이트 메모리 용량을 제공한다.
현재까지 배포된 양이라는 측면에서 볼 때, 현존하는 기기 중 가장 인기있는 장비는 단연 PC다. 초창기 PC와 XT는 주소 공간이 1Mb로 제한되었으며 메모리는 640kb만 사용할 수 있었다. 메모리 맵 입출력(Memory-mapped I/O) 때문이다. 메모리와 I/O가 주소 공간을 공유하기 때문에 사용할 수 있는 주소 공간이 제한되는 것. PC와 XT 그리고 AT의 버스가 모두 동기화된다. PC는 8비트 데이터 버스를 사용하는 반면 XT와 AT는 모두 16비트 데이터 경로를 사용한다. PC의 원래 클록 속도는 4.7㎒이지만, 몇몇 AT 클론은 현재 최대 12㎒ 이상의 클록을 제공한다.
AT 버스는 오늘날 32비트 메모리 버스를 별도로 사용함으로써 그 성능을 강화했다. 일부 제조업체는 데스크탑 기계에 80386 32비트 프로세서와 함께 AT 버스를 사용함으로써 이러한 형식을 활용하고 있다.
PC와 호환할 수 있는 장비를 만드는 제조업체는 EISA라는 규격을 개발했다. ESIA는 서로 유사한 버스 규격을 호출한다.
PS/2 장비는 이전의 PC 혹은 고급형 시스템과 서로 양립, 즉 호환하지 않는 버스 구조를 사용한다. 마이크로 채널 구조(Micro Channel Architecture, MCA)는 주소 공간을 최대 16메가바이트까지 처리한다. 이 구조는 버스 내에서 주소와 데이터 그리고 제어 라인을 사용하는 다양한 장치가 서로 충돌하는 일을 방지하기 위해 복잡한 버스 중재(Bus Arbitation)를 사용한다.
마이크로채널을 사용해 메모리 및 입출력 장치에 접속하며 주소값을 공급하고 제어신호를 동기화하는 것이 일반적이다. 또 한 PS/2 입출력 장치는 PC에서 쓰이는 10비트 주소와 달리 16비트 주소를 가지고 있으며, 이를 통해 64k 주소를 생성한다.
매킨토시Ⅱ 워크스테이션은 NuBus라는 표준을 사용하는 장비다. 또한 매킨토시Ⅱ는 NuBus표준을 최초로 사용한 주요 장비이기도 하다. NuBus 표준은 8비트와 16비트 그리고 32비트 데이터 전송을 지원하며, 최대 데이터 전송속도는 초당 37.5메가바이트 가량이다. NuBus는 4기가바이트 주소 공간 내에서 장비들 사이의 데이터 전송을 실현한다.
S-100 버스는 취미용 컴퓨터들 사이의 상호접속을 위한 표준으로 출발했으며, 현재는 일부 산업용 응용사례에서도 사용하고 있다. 이 상호접속 형식은 현재 국제 표준위원회에 의해 IEEE-696 표준으로 개선되었다. 하지만 전문가들은 이 표준이 고성능 마이크로컴퓨터 제품을 명확히 정의하지 못한다고 지적한다.
IEEE 488 버스 표준은 일반적으로 계측기 혹은 테스트 장비의 컴퓨터 제어에 쓰인다. 또 다른 표준인 STD 버스는 보다 작은 4.5 및 6.5인치 보드에 사용한다.
STD와 PC 버스 프로세서는 컴퓨팅 성능 측면에서 자주 비교되는 장비다. 카드의 물리적 크기 역시 비슷하다. 플로피디스크 및 하드디스크 등 자주 사용하는 주변기기 서로 호환할 수 있으며, MS DOS 소프트웨어를 실행할 수도 있다.
이러한 유사성으로 인해 두 형식 모두 비슷한 활용사례에서 찾아볼 수 있다. NC 밀링 장비나 사출성형기 등의 산업용 장비에 전원을 공급하는 것이 대표적이다. 두 카드를 모두 공급하는 제조업체는 높은 신뢰성이 필요하거나 보다 까다롭고 혹독한 작업환경에서는 STD 카드 사용을 권장한다고 조언했다.
PC 버스 카드와 STD 카드 사이에는 몇 가지 차이점이 있다. PC 버스 카드는 보통 약 90일 정도의 품질을 보증하지만, 동일한 기능을 수행하는 STD 버스 카드는 품질보증 기간이 약 5년가량 된다. 또한 STD 버스 카드는 대부분이 0~65℃의 산업온도범위 내에서 작동하지만, PC 버스 카드는 몇몇 제품만이 이러한 온도에서의 작동을 보장한다.
STD 카드는 또한 거친 환경에서 사용하기 적합하다는 평을 얻고 있다. STD 카드는 오랜 시간동안 멈춰있어서는 안 되는 내장형 장비에 주로 쓰인다.
STD 카드는 제공하는 입출력 카드의 종류와 개수 측면에서도 뛰어나다. PC 카드 역시 입출력 카드가 증가하고 있다고는 하지만, 일반적으로 변환기를 활용한 실험실 감시기능에 국한되어있는 것이 단점이다. 전원제어에 쓰이는 릴레이 카드나 열전대(서모커플) 등이 대표적이다.
이와 대조적으로 STD 카드는 광범위한 산업용 입출력 보드에 사용할 수 있다. 제조업체에 따르면, 이를 실현하는 이유 중 하나는 STD의 백플레인(회로 뒤판)을 설계하는 것이 상대적으로 간단하며, 이러한 장점으로 인해 전 STD 보드 중 30% 가량이 최종사용자에 의해 개발된 내부설계(인하우스 디자인)로 이루어지기 때문이다. 편의성이야말로 입출력 보드의 가능성과 유효성을 높이는 주 요인이다. 특정 최종사용자를 위해 개발된 STD 입출력 보드가 상업 및 상용화되었을 정도다.
STD 형식을 사용하기 위해서는 그에 상응하는 대가를 지불해야 한다. 상대적으로 높은 가격 및 낮은 PC 소프트웨어와의 호환성이 그것이다. 많은 공급업체가 MS DOS와 호환할 수 있는 STD 보드를 제공하고 있다. 하지만 운영체제(OS)를 우회해 하드웨어를 직접 조작하는 소프트웨어는 종종 문제를 일으킨다(일부 PC 클론이 그렇듯).
