1976년생 8비트 CPU를, 2024년 마이크로컨트롤러로 몰래 엿보기 — RP2350의 PIO 활용기

옛날 CPU의 머릿속을 실시간으로 들여다본다면

혹시 Z80이라는 CPU를 들어보셨어요? 1976년에 나온 8비트 프로세서인데요. 그 옛날 게임기, 초창기 PC, 신디사이저, 심지어 계산기까지 안 들어간 데가 없을 정도로 한 시대를 풍미했던 칩이에요. 지금도 레트로 컴퓨팅이나 임베디드 교육용으로 사랑받고 있고요.

이번 글의 주인공은 이 늙은 Z80을, 요즘 나온 따끈한 마이크로컨트롤러인 RP2350으로 '감시'한 이야기예요. RP2350은 라즈베리파이 재단이 만든 칩으로, 그 유명한 RP2040(라즈베리파이 피코에 들어간 칩)의 후속작이거든요. 옛날 CPU가 지금 무슨 생각을 하면서 어떤 신호를 내보내는지, 한 클럭 한 클럭 들여다보는 작업이에요. 말하자면 CPU의 뇌파를 실시간으로 찍는 거죠.

핵심은 'PIO'라는 마법 같은 기능

이게 어떻게 가능했냐면, RP2350(과 RP2040)에는 PIO(Programmable I/O)라는 독특한 장치가 있어요. 이게 뭐냐면, 아주 작고 전용으로 만들어진 미니 프로세서 같은 거예요. 보통 마이크로컨트롤러로 핀의 신호를 빠르게 읽으려면 메인 CPU가 계속 핀을 들여다봐야 해서 다른 일을 못 하거든요. 그런데 PIO는 메인 CPU와 별도로, 정해진 타이밍에 맞춰 여러 핀의 상태를 아주 정밀하게 동시에 샘플링할 수 있어요.

Z80을 엿보려면 뭘 잡아야 할까요? Z80은 주소를 나타내는 선 16개(어떤 메모리 위치를 읽고 쓸지), 데이터를 주고받는 선 8개, 그리고 '지금 읽는 중이야' '쓰는 중이야' 같은 상태를 알려주는 제어 신호들이 있어요. PIO를 잘 프로그래밍하면 이 수십 개의 핀을 Z80의 클럭에 딱 맞춰서 한꺼번에 낚아챌 수 있는 거예요. 그렇게 잡은 raw 신호를 RP2350의 메인 코어가 받아서 '아, 지금 0x1234 주소에서 값을 읽었구나' 하고 사람이 알아볼 수 있게 해석해주는 흐름이죠. 일종의 '맞춤형 로직 애널라이저(논리 분석기)'를 직접 만든 셈이에요.

RP2350은 듀얼코어인 데다 ARM과 RISC-V 코어를 선택해서 쓸 수 있고, 동작 속도와 메모리도 넉넉해졌어요. 그래서 잡아들인 방대한 신호를 버퍼에 쌓아두고 처리할 여유가 생기는 거예요.

그냥 로직 애널라이저 사면 되지 않나요?

맞아요, 시중엔 멋진 논리 분석기가 많죠. 그런데 직접 만드는 데는 다른 매력이 있어요. 첫째, 싸요. RP2350 보드는 몇천 원이면 구해요. 둘째, 내가 원하는 대로 해석 로직을 짤 수 있어요. Z80 전용으로 '이 명령어를 실행 중이다'까지 디코딩하게 만들 수도 있고요. 비슷한 시도로는 FPGA로 옛날 컴퓨터를 통째로 재현하거나, 아두이노로 CPU를 한 클럭씩 수동으로 굴려보는 프로젝트들이 있는데, RP2350의 PIO는 그 중간쯤에서 '저렴하면서도 빠른 타이밍 정밀도'라는 달콤한 지점을 잡아냈어요.

한국 개발자에게 주는 것

당장 실무에 Z80을 쓸 일은 거의 없겠죠. 하지만 이 프로젝트의 진짜 가치는 저수준(low-level)을 몸으로 배우는 것에 있어요. CPU가 메모리를 어떻게 읽고, 버스(여러 부품이 신호를 주고받는 공용 통로)가 어떻게 동작하는지를 눈으로 보면, 평소에 추상적으로만 알던 컴퓨터 구조가 확 와닿거든요. 그리고 PIO는 RP2040/RP2350을 쓰는 실무 임베디드 프로젝트에서도 엄청 유용한 기능이에요. 정밀한 신호 생성, 커스텀 통신 프로토콜 구현, 빠른 데이터 캡처 같은 데 다 쓸 수 있으니, 이 사례로 PIO 감각을 익혀두면 실전에서 두고두고 써먹어요.

마무리

40년 넘은 CPU와 최신 마이크로컨트롤러가 만나, PIO라는 도구로 '신호를 정밀하게 엿보는' 한 편의 실험이 완성됐다 — 이게 핵심이에요. 오래된 기술을 깊이 이해하는 일이 결국 새 기술을 잘 다루는 힘이 된다는 걸 보여주는 좋은 예죠. 여러분은 컴퓨터의 가장 밑바닥(어셈블리, 버스, 클럭 같은)을 직접 만져본 경험이 있으세요? 저수준을 공부하는 게 요즘 같은 고수준 시대에도 의미가 있다고 생각하시는지 궁금하네요.