Automotive Study

차량용 MCU의 핵심 구조, 하드웨어 레이어란?

AI Humanoid 2025. 4. 13. 09:23

하드웨어 레이어(Hardware Layer)란?

자동차의 전자제어장치(ECU)는 소프트웨어만으로 움직이지 않습니다.
그 소프트웨어가 실행될 수 있도록 물리적인 기반을 제공하는 하드웨어 레이어(Hardware Layer)가 반드시 필요합니다.
하드웨어 레이어는 말 그대로 MCU 내부에 내장된 회로와 물리적 기능 블록의 집합이며,
차량에서 요구되는 실시간 반응성과 기능안전성을 뒷받침하는 중요한 역할을 합니다.

하드웨어 레이어 구성 요소

차량용 MCU는 일반적인 마이컴보다 훨씬 복잡한 구조를 갖고 있으며, 다음과 같은 하드웨어 블록으로 구성됩니다.

구성 요소역할 요약
CPU 코어 차량 제어 로직을 처리하는 중심 두뇌 (예: TriCore™ 구조)
RAM/Flash 메모리 데이터 저장 및 프로그램 실행. 오류 검출 기능 내장 (ECC 등)
전원 관리 회로 내부 동작을 위한 안정적인 전압 공급
타이머/카운터 모듈 정밀한 제어 신호 생성 및 시간 기반 기능 처리
아날로그-디지털 변환기(ADC) 센서의 전압값을 디지털로 변환
통신 인터페이스 CAN, SPI, LIN, Ethernet 등을 통해 차량 내외부와 연결
오류 감지 및 감시 회로 Watchdog Timer, Safety Manager 등, 기능안전 구현에 필수

이러한 하드웨어 기능은 모두 칩 내부에 집적되어 있으며, 소프트웨어 명령에 따라 제어되거나 독립적으로 동작합니다.

기능안전을 위한 하드웨어 메커니즘

자동차 MCU는 기능안전 국제표준인 ISO 26262를 만족해야 하므로,
하드웨어 레벨에서도 다양한 오류 감지·정정 기능을 제공해야 합니다.
다음은 하드웨어 레이어에서 수행되는 주요 기능안전 메커니즘입니다:

기능안전 목적 / 하드웨어 대응 방식
메모리 오류 대응 ECC (Error Correction Code) 적용
전압 이상 감지 전원 레벨 모니터링 및 리셋 트리거
클럭 이상 감지 클럭 감시 회로로 Failover 처리
연산 결과 오류 대비 코어 이중화(Lockstep) 구조
응답 정지 감지 Watchdog Timer를 통한 리셋
통신 오류 대응 CRC, 타임아웃 감지, 오류 플래그 설정 등

이처럼 하드웨어 자체가 안전을 위한 기능을 내장하고 있다는 점이, 일반 MCU와 차량용 MCU의 큰 차이점입니다.

하드웨어 레이어는 왜 중요한가요?

  1. 소프트웨어가 실행되는 기반이 되는 계층입니다.
  2. 기능안전 대응을 위한 핵심 메커니즘이 포함돼 있습니다.
  3. 실시간성, 정확성, 오류 감지를 모두 물리적으로 보장해줍니다.
  4. MCAL과 같은 소프트웨어 계층은 하드웨어 위에서 추상화되어 작동합니다.

쉽게 말해, 하드웨어 레이어를 이해하지 않고는 자동차 ECU 전체 구조를 이해할 수 없습니다.

✅ 기능안전 기능과 하드웨어 엘리먼트의 매핑 구조

기능안전 목적 (Safety Goal) / 구현 기능(Function) / 하드웨어 엘리먼트 (Module/Block)

 

소프트웨어 응답 이상 감지 Watchdog 기능 Watchdog Timer (WDT)
연산 오류 검출 Dual Core Comparison or Lockstep CPU Core (Lockstep Mode)
메모리 오류 검출/정정 ECC(Error Correction Code) Flash, RAM, Memory Bus
전압 이상 감지 Supply Voltage Monitor Embedded Voltage Regulator (EVR), 또는 외부 PMIC
클럭 이상 감지 Clock Failover 또는 Monitoring SCU (System Control Unit) 내 Clock Monitor
시스템 장애 통합 감지 오류 통합 및 알람 출력 SMU (Safety Management Unit)
데이터 무결성 보장 CRC 검사 Fast CRC Engine (FCE), DMA CRC 모듈
외부 통신 오류 검출 CRC, Timeout, ACK 감시 CAN / LIN / FlexRay 모듈 내부 오류 감지 기능
Fail-Safe 리셋 수행 시스템 강제 초기화 SCU의 Reset Generation Logic

🧠 왜 매핑이 중요한가?

  • FMEDA나 FTA 분석 시, 기능별로 어떤 하드웨어 모듈이 Safety Mechanism을 제공하는지 구체적으로 정의해야 함
  • 안전기능의 커버리지 계산도 하드웨어 엘리먼트 단위로 계산됨
  • 실제 고장(Fault) 주입 테스트도 해당 모듈 기준으로 시나리오를 구성함

🔍 예시: Watchdog의 경우

  • 기능: 주기적으로 신호가 오지 않으면 시스템이 무응답이라 판단 → 리셋
  • 하드웨어 엘리먼트: Watchdog Timer 모듈 (예: STM 타이머 또는 전용 WDT)
  • 구현 방식:
    • 내부 시계 기반으로 카운트
    • 특정 시간 안에 "kick" 안 받으면 리셋 트리거
    • 일부 PMIC에서는 외부 WDG도 함께 사용

마무리

차량용 MCU의 하드웨어 레이어는 단순한 회로 설계가 아니라, 기능안전과 성능을 동시에 책임지는 핵심 구조입니다.
최근 전기차와 자율주행 시대를 맞아 MCU의 역할은 더욱 복잡해지고 있고, 그만큼 하드웨어 구조에 대한 이해는 필수입니다.