08~09편에서 GPIO, 타이머, ADC/DAC 같은 MCU 내부·인접 주변장치를 다뤘다면, 이 편에서 다루는 UART·SPI·I2C·CAN은 MCU가 다른 칩·다른 보드와 데이터를 주고받는 직렬 통신(serial communication) 방식이다. 넷 다 “선을 몇 개 써서 비트를 어떤 순서로 보낼 것인가”를 다루지만, 설계 목표가 서로 달라 배선 수·속도·다중 기기 지원 방식이 크게 다르다. 이 차이가 독학사 시험에서 가장 자주 묻는 지점이다.

왜 이렇게 여러 방식이 있는가

병렬 통신(parallel communication)은 데이터 비트마다 별도의 선을 쓰기 때문에 빠르지만, 비트 수만큼 선이 필요해 배선이 복잡해지고 긴 거리에서는 각 선의 신호 도달 시간 차이(스큐, skew) 때문에 오류가 커진다. 직렬 통신(serial communication)은 하나(또는 소수)의 선으로 비트를 순서대로 하나씩 보내, 배선은 단순해지는 대신 속도는 병렬보다 느리다. 임베디드 시스템은 배선 단순성과 비용이 중요하므로 대부분 직렬 통신을 쓰며, 용도에 따라 UART, SPI, I2C, CAN 중 하나(또는 여럿)를 골라 쓴다.

쉽게 말하면: 두 칩이 “몇 개의 선으로, 누가 박자를 맞추며, 몇 명까지 한 선에 물릴 수 있는지”를 다르게 정한 네 가지 규칙이 UART·SPI·I2C·CAN이다.

UART: 박자 없이 약속된 속도로 주고받기

정의와 동작 원리

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, 범용 비동기 송수신기)는 클록 신호를 별도로 주고받지 않고, 송신 측과 수신 측이 미리 약속한 같은 속도로 비트를 보내고 받는 비동기(asynchronous) 방식이다. 클록선이 없으므로 TX(송신)와 RX(수신) 두 선만으로 통신할 수 있다.

클록이 없는데 어떻게 비트가 시작하고 끝나는 시점을 아는가는 프레임(frame) 구조로 해결한다.

• 시작 비트(start bit): 항상 Low로, “지금부터 데이터가 시작된다”는 신호.
• 데이터 비트(data bits): 보통 5~9비트(대개 8비트).
• 패리티 비트(parity bit): 선택적으로 추가하는 오류 검출용 비트(짝수/홀수 패리티).
• 정지 비트(stop bit): 항상 High로, 프레임의 끝을 알림(1비트 또는 2비트).

수신 측은 시작 비트를 감지한 뒤, 미리 약속된 보율(baud rate, 초당 심볼 전송 수)에 맞춰 정해진 시간 간격마다 비트를 읽어 들인다.

쉽게 말하면: 클록선 없이, “이 속도로 보낼게”라고 약속만 해두고 시작·정지 비트로 프레임의 경계를 표시하는 방식이다.

UART 타이밍 계산 — 전 과정

보율이 9600bps(bits per second)이고, 프레임 구성이 시작 비트 1 + 데이터 비트 8 + 패리티 비트 1 + 정지 비트 1(총 11비트)인 경우를 계산해 보자.

먼저 비트 하나를 전송하는 데 걸리는 시간(bit time)을 구한다.

한 프레임(1바이트)을 전송하려면 이 비트 시간이 11번 반복되어야 한다.

결과 해석: 9600bps로는 1바이트를 보내는 데 약 1.15ms가 걸린다. 초당 보낼 수 있는 최대 바이트 수는 대략 $9600 / 11 \approx 873$바이트/초다. 보율이 클수록 비트 시간이 짧아져 더 빨리 전송되지만, 배선이 길거나 노이즈가 많으면 송수신 측의 클록 오차가 누적돼 프레임을 놓치기 쉬워진다.

/* UART 폴링 방식 1바이트 송신 예시 */
void uart_send_byte(uint8_t data) {
    while (!(USART1->SR & (1 << 7))) { }   /* 송신 레지스터 빔(TXE) 대기 */
    USART1->DR = data;                      /* 데이터 레지스터에 쓰면 전송 시작 */
}

SPI: 클록을 함께 보내는 빠른 방식

정의와 동작 원리

SPI(Serial Peripheral Interface, 직렬 주변장치 인터페이스)는 클록선을 함께 두어 송수신 측이 클록에 맞춰 정확히 동기화되는 동기(synchronous) 방식이다. 보통 아래 4개의 선을 쓴다.

• SCLK(Serial Clock): 마스터(master)가 만들어 공급하는 클록 신호.
• MOSI(Master Out Slave In): 마스터에서 슬레이브(slave)로 가는 데이터선.
• MISO(Master In Slave Out): 슬레이브에서 마스터로 가는 데이터선.
• SS/CS(Slave Select/Chip Select): 마스터가 통신할 슬레이브를 선택하는 선. 슬레이브 개수만큼 필요하다.

MOSI와 MISO가 따로 있어 전이중(full-duplex, 양쪽이 동시에 송수신 가능) 통신이 가능하고, 클록에 맞춰 비트를 주고받으므로 UART보다 훨씬 빠르다. 다만 슬레이브가 늘어날수록 CS 선이 그만큼 늘어난다.

• CPOL(Clock Polarity): 클록이 대기 상태(idle)일 때 High인지 Low인지.
• CPHA(Clock Phase): 클록의 첫 번째 에지(edge)에서 데이터를 샘플링할지, 두 번째 에지에서 할지.

이 두 값의 조합(CPOL/CPHA 각각 0 또는 1)으로 SPI 모드 0~3이 정해지며, 마스터와 슬레이브의 모드가 일치해야 정상적으로 통신된다.

쉽게 말하면: 클록선을 하나 더 깔아서 “지금이 몇 번째 비트인지”를 정확히 맞추는, UART보다 빠르지만 선이 더 필요한 방식이다.

SPI 타이밍 계산 — 전 과정

SCLK 주파수가 1MHz이고 1바이트(8비트)를 전송하는 경우를 계산해 보자.

클록 한 주기(클록 period)를 먼저 구한다.

1비트는 클록 1주기마다 전송되므로, 8비트(1바이트)를 보내는 데 걸리는 시간은 다음과 같다.

결과 해석: SPI는 같은 조건(1MHz)이라면 UART의 비동기 방식보다 프레임 오버헤드(시작·정지 비트)가 없어 순수 데이터 전송 시간이 짧다. 이 때문에 Flash 메모리, 디스플레이, 고속 센서처럼 짧은 시간에 많은 데이터를 옮겨야 하는 장치에 SPI가 자주 쓰인다.

I2C: 두 선으로 여러 장치를 물리는 방식

정의와 동작 원리

I2C(Inter-Integrated Circuit, 아이투씨)는 클록선(SCL, Serial Clock)과 데이터선(SDA, Serial Data) 단 두 개만으로 여러 장치를 하나의 버스에 물릴 수 있는 동기식 방식이다. SPI처럼 장치마다 CS선을 두는 대신, 각 슬레이브에 고유한 주소(address)를 부여해 마스터가 그 주소를 불러 통신할 상대를 지정한다.

• 시작 조건(START condition): SCL이 High인 동안 SDA가 High에서 Low로 떨어지는 신호.
• 주소 프레임: 7비트(또는 10비트) 슬레이브 주소 + 1비트 읽기/쓰기(R/W) 방향.
• ACK/NACK: 수신 측이 한 바이트를 받을 때마다 다음 클록에서 SDA를 Low(ACK, 정상 수신)로 당기거나 High(NACK, 미수신 또는 마지막)로 두어 응답한다.
• 정지 조건(STOP condition): SCL이 High인 동안 SDA가 Low에서 High로 올라가는 신호.

두 선을 여러 장치가 공유하므로 배선은 SPI보다 단순해지지만, 속도는 대개 SPI보다 느리다(표준 모드 100kHz, 고속 모드 400kHz, 그 이상의 모드도 존재).

쉽게 말하면: 선 두 개만 깔아두고, 대신 각 장치에 이름표(주소)를 붙여 마스터가 “누구야”하고 부른 뒤 대화하는 방식이다.

I2C 타이밍 계산 — 전 과정

표준 모드(Standard mode) 클록 주파수 100kHz로 1바이트 데이터를 전송(주소 프레임 뒤에 데이터 1바이트만 보내는 가장 단순한 경우)한다고 하자. 계산 대상 비트는 START/STOP을 제외하고 “주소 7비트 + R/W 1비트 + ACK 1비트 + 데이터 8비트 + ACK 1비트” 총 18비트다.

클록 한 주기를 먼저 구한다.

18비트를 전송하는 데 걸리는 시간은 다음과 같다.

결과 해석: I2C는 주소 지정과 ACK 확인 절차가 있어 SPI보다 오버헤드가 크고, 클록 주파수 자체도 보통 SPI보다 낮게 설정된다. 대신 배선이 두 개뿐이라 여러 센서를 동시에 연결해야 할 때(온습도 센서, 가속도 센서, EEPROM 등을 한 보드에 여러 개) 배선 효율이 훨씬 좋다.

CAN: 충돌해도 우선순위로 정리되는 버스

정의와 동작 원리

CAN(Controller Area Network, 캔 통신)은 여러 노드(node)가 하나의 버스에 동시에 물려 서로 데이터를 방송(broadcast)하는 방식으로, 자동차·산업 제어 분야에서 노이즈가 많은 환경에서도 안정적으로 통신하기 위해 설계됐다. CAN_H, CAN_L 두 선의 전압 차이(차동 신호, differential signaling)로 비트를 표현해 외부 노이즈의 영향을 크게 줄인다.

CAN에는 SPI의 CS나 I2C의 마스터 지정 같은 개념이 없다. 대신 모든 노드가 동등하게 버스를 사용하려 시도할 수 있는 다중 마스터(multi-master) 구조이며, 둘 이상이 동시에 전송을 시작하면 중재(arbitration)로 충돌을 해결한다.

• 각 CAN 프레임은 식별자(identifier, ID)를 가지며, ID 값이 작을수록 우선순위가 높다.
• 여러 노드가 동시에 전송을 시작하면, 각 노드는 자신이 보낸 비트와 버스 위의 실제 비트를 비교한다. 우성(dominant, 0)과 열성(recessive, 1) 비트가 부딪히면 우성 비트를 보낸 노드가 승리해 계속 전송하고, 열성 비트를 보내다 충돌을 감지한 노드는 즉시 전송을 멈추고 나중에 재시도한다.
• 이 과정에서 데이터가 파괴되지 않는다는 점이 이더넷 같은 충돌 후 재전송 방식과 다르다. 중재에서 진 노드는 애초에 프레임을 끝까지 보내지 않았을 뿐이다.

쉽게 말하면: 여러 노드가 동시에 말하려 하면, ID가 낮은(우선순위 높은) 쪽이 자동으로 먼저 말하게 되고 나머지는 조용히 기다리는 버스다.

CAN 타이밍 감각 — 비트 시간과 프레임 길이

CAN 버스 속도(bit rate)가 500kbps인 경우, 비트 하나의 시간은 다음과 같다.

표준 CAN 프레임(11비트 ID, Standard Format)은 SOF(Start of Frame), 중재 필드(ID 11비트 + RTR), 제어 필드, 데이터 필드(최대 8바이트=64비트), CRC 필드, ACK 필드, EOF까지 합쳐 대략 44비트의 오버헤드에 데이터 필드가 더해지는 구조다. 데이터 8바이트(64비트)를 꽉 채운 프레임이라면 오버헤드(약 44비트) + 데이터(64비트) = 약 108비트가 되며, 여기에 비트 스터핑(bit stuffing, 같은 값이 5개 연속되면 반대 비트를 하나 끼워 넣는 규칙)으로 인한 약간의 추가 비트가 붙을 수 있다. 대략적인 전송 시간은 다음과 같다.

결과 해석: 정확한 비트 수는 스터핑 여부에 따라 달라지지만, 500kbps CAN에서 8바이트 데이터 프레임 하나를 보내는 데 대략 200µs 안팎이 걸린다는 감각을 잡아두면 시험의 개념형 문항(정확한 프레임 길이를 요구하지 않고 “대략 어느 자릿수인가”를 묻는 유형)에 대응할 수 있다.

네 방식 비교

자주 틀리는 점

• “클록선이 없다 = 느리다”로 단순화하면 안 된다. UART가 비동기라 느린 것은 맞지만, CAN도 별도 클록선 없이 동기화되며 500kbps 이상도 가능하다 — 동기·비동기 구분과 속도는 별개의 축이다.
• I2C의 “멀티마스터”를 CAN의 중재와 똑같은 것으로 착각하기 쉽다. I2C는 마스터가 여러 개일 수 있다는 뜻이고, 실제 충돌 조정 방식은 CAN의 ID 기반 중재와 세부 동작이 다르다.
• SPI에 슬레이브 주소 개념이 있다고 착각하는 경우가 있다. SPI는 주소가 아니라 CS 선으로 물리적으로 상대를 선택하는 방식이다.
• CAN에서 ID가 클수록 우선순위가 높다고 반대로 암기하는 실수가 잦다. CAN은 ID가 작을수록 우선순위가 높다.

핵심 정리

• UART는 클록선 없이 약속된 보율과 시작/정지 비트로 프레임 경계를 표시하는 비동기 1대1 통신이며, 전송 시간은 비트 수 × (1/보율)로 계산한다.
• SPI는 클록선을 포함해 4개 이상의 선을 쓰는 동기 방식으로 속도가 빠르지만, 슬레이브마다 CS 선이 필요하다.
• I2C는 SCL·SDA 두 선만으로 여러 장치를 주소로 구분해 연결하는 동기 방식이며, ACK/NACK으로 수신 확인을 한다.
• CAN은 CAN_H/CAN_L 차동 신호와 ID 기반 중재로 다중 마스터 버스에서 충돌 없이 우선순위를 자동 결정하는 방식으로, 자동차·산업 제어에 널리 쓰인다.
• 네 방식의 선택 기준은 필요한 속도, 연결할 장치 수, 배선 여유, 노이즈 환경에 따라 달라지며 서로 배타적이지 않고 한 시스템에 함께 쓰이는 경우가 많다.

마무리 복습

참고 자료

• ARM Cortex-M resources 
• ARM MCU Resources - Documentation