시리얼 통신의 기본 개념 - 3. 동기식 vs 비동기식 통신

3장: 동기식 vs 비동기식 통신

시리얼 통신 방식은 동기식(Synchronous)과 비동기식(Asynchronous) 통신으로 나뉩니다.
이 두 방식은 데이터를 전송하는 방법에서 가장 큰 차이를 가지며, 사용 목적과 환경에 따라 적절한 방식이 선택됩니다.

이번 장에서는 동기식과 비동기식 통신의 개념과 차이점을 살펴보고, 실제 적용 사례를 통해 언제 어떤 방식을 사용해야 하는지 알아보겠습니다.

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1. 동기식(Synchronous) 통신 개념

✅ 동기식 통신이란?

동기식(Synchronous) 통신은 송신기와 수신기가 같은 클럭(Clock) 신호를 공유하여 동기화된 상태에서 데이터를 전송하는 방식입니다.
즉, 모든 데이터 전송이 공통된 클럭 신호에 맞춰 정해진 타이밍에 이루어집니다.

📌 동기식 통신의 특징

• 클럭 신호(Clock Signal)가 필요함 → 데이터와 함께 동기 신호를 전송
• 데이터가 연속적으로 전송됨 (Start/Stop Bit 필요 없음)
• 속도가 빠르고 효율적이지만, 클럭이 필요하여 하드웨어가 복잡

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2. 클럭 신호를 공유하여 데이터 전송

✅ 클럭(Clock) 신호란?

• 클럭은 데이터를 주고받을 때 타이밍을 맞추는 기준 신호입니다.
• 송신기와 수신기가 동일한 클럭 속도로 동작해야만 데이터가 올바르게 해석됩니다.
• 클럭 신호가 HIGH(1) 일 때 데이터를 읽거나, LOW(0) 일 때 데이터를 전송하는 방식으로 동작할 수 있습니다.

📌 동기식 통신에서는 "언제 데이터를 보낼지"를 클럭 신호를 통해 결정합니다.

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3. 대표적인 동기식 통신 (SPI, I2C)

🔹 SPI (Serial Peripheral Interface)

• 마스터(Master)와 슬레이브(Slave) 간의 통신 방식
• MOSI (Master Out Slave In) / MISO (Master In Slave Out) / SCK (Serial Clock) 핀 사용
• 빠른 데이터 전송 속도 지원 (MHz 단위의 고속 전송 가능)
• 한 개의 마스터가 여러 개의 슬레이브를 제어할 수 있음

📌 SPI는 속도가 빠르고 효율적이지만, 연결 선이 많아 하드웨어가 복잡해질 수 있음.

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🔹 I2C (Inter-Integrated Circuit)

• 마스터(Master)와 여러 개의 슬레이브(Slave) 간 통신 가능
• SDA (Serial Data), SCL (Serial Clock) 핀 사용 (2개만 필요)
• 데이터가 하나의 버스를 통해 여러 장치에 전달 가능 (멀티 마스터 지원)
• 속도는 SPI보다 느리지만, 배선이 간단하여 센서 연결 등에 적합

📌 I2C는 하드웨어 연결이 간단하고 확장성이 뛰어나지만, 속도는 SPI보다 낮음.

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4. 비동기식(Asynchronous) 통신 개념

✅ 비동기식 통신이란?

비동기식(Asynchronous) 통신은 송신기와 수신기가 공통된 클럭 신호 없이 데이터를 전송하는 방식입니다.
즉, 데이터가 필요할 때마다 전송되며, 데이터의 시작과 끝을 구분하는 방식을 사용합니다.

📌 비동기식 통신의 특징

• 클럭이 필요 없음 → 하드웨어가 간단함
• Start Bit, Stop Bit을 활용하여 데이터 경계를 구분
• 전송 속도(Baud Rate)가 송신기와 수신기 간에 미리 설정되어 있어야 함

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5. 클럭 없이 데이터 전송 (UART)

✅ UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

• 비동기식 시리얼 통신에서 가장 많이 사용되는 프로토콜
• TX (Transmit), RX (Receive) 핀을 사용하여 데이터 송수신
• 별도의 클럭이 없고, 송신과 수신 장치가 동일한 Baud Rate을 사용해야 함
• Start Bit, Stop Bit을 사용하여 데이터의 시작과 끝을 구분

📌 UART는 하드웨어가 간단하고 구현이 쉬워서 센서, 마이크로컨트롤러, 컴퓨터 간의 통신에 널리 사용됩니다.

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6. Start/Stop Bit을 활용한 데이터 구분

🔹 비동기식 통신에서 데이터 프레임 구조 (8N1 예제)

Start Bit  |  Data Bits  |  Parity Bit (선택)  |  Stop Bit
---------------------------------------------------------
   1       |     8       |         0          |     1   

📌 Start Bit → 데이터를 시작하는 신호 (항상 0)
📌 Data Bits → 실제 전송되는 데이터 (보통 8비트 사용)
📌 Parity Bit → 오류 검출용 (선택사항, 없을 수도 있음)
📌 Stop Bit → 데이터를 끝내는 신호 (1비트 또는 2비트)

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7. 동기식 vs 비동기식 비교

구분	동기식(Synchronous) 통신	비동기식(Asynchronous) 통신
클럭 신호	필요 (마스터가 클럭 제공)	없음
데이터 전송 방식	연속적 데이터 전송	필요할 때마다 데이터 전송
데이터 프레임	Start/Stop Bit 불필요	Start/Stop Bit 필요
속도	빠름 (SPI: 최대 수십 MHz)	상대적으로 느림 (UART: 몇 Kbps~Mbps)
하드웨어 복잡도	높음 (배선이 많음)	낮음 (배선이 단순)
대표 프로토콜	SPI, I2C	UART

📌 SPI, I2C 같은 동기식 통신은 속도가 빠르지만, 추가적인 클럭 신호가 필요하여 하드웨어가 복잡할 수 있습니다.
📌 UART 같은 비동기식 통신은 클럭이 필요 없고 간단하게 사용할 수 있지만, 전송 속도가 상대적으로 낮습니다.

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8. 언제 어떤 방식을 사용해야 하는가?

사용 사례	동기식 (SPI, I2C)	비동기식 (UART)
고속 데이터 전송	✅	❌
센서 데이터 전송	✅ (I2C)	✅ (UART)
마이크로컨트롤러 간 통신	✅ (SPI, I2C)	✅ (UART)
PC-장치 간 통신 (USB, 블루투스)	❌	✅ (UART)
하드웨어가 단순해야 하는 경우	❌	✅

📌 고속 데이터 전송이 필요한 경우 → 동기식 (SPI, I2C) 사용
📌 하드웨어가 간단해야 하는 경우 → 비동기식 (UART) 사용

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📌 요약

✅ 동기식(Synchronous) 통신 → 클럭 신호를 공유하여 데이터를 연속적으로 전송 (SPI, I2C)
✅ 비동기식(Asynchronous) 통신 → 클럭 없이 Start/Stop Bit을 사용하여 데이터 전송 (UART)
✅ 속도가 빠르고 효율적인 통신이 필요하면 동기식, 하드웨어가 단순해야 하면 비동기식 사용

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