engineer4ever 님의 블로그

비용이 걱정된다면 아래 표를 참조하여 오픈 소스 GUI 라이브러리를 고려할 수 있다.

(오픈 소스 ≠ 무료)

1. General-purpose registers

R0-R12은 32-bit general-purpose registers for data operations.

2. SP(Stack pointer)

The SP is register R13. In Thread mode, bit[1] of the CONTROL register

indicates the stack pointer to use:

• 0 = Main Stack Pointer (MSP). This is the reset value.

• 1 = Process Stack Pointer (PSP).

On reset, the processor loads the MSP with the value from address 0x00000000.

3. LR(Link register)

The LR is register R14. It stores the return information for subroutines,

function calls, and exceptions. On reset, the processor loads the LR value 0xFFFFFFFF.

4. PC(Program counter)

The PC is register R15. It contains the current program address. Bit[0] is

always 0 because instruction fetches must be halfword aligned. On reset, the processor

loads the PC with the value of the reset vector, which is at address 0x00000004.

5. PSR(Program status register)

The PSR combines:

• Application Program Status Register (APSR)

• Interrupt Program Status Register (IPSR)

• Execution Program Status Register (EPSR)

6. APSR(Application program status register)

The APSR contains the current state of the condition flags from previous instruction

executions. See the register summary in Table 2 on page 15 for its attributes. The bit

assignments are:

7. IPSR(Interrupt program status register)

The IPSR contains the exception type number of the current Interrupt Service Routine

(ISR).

8. EPSR(Execution program status register)

The EPSR contains the Thumb state bit, and the execution state bits for either the:

• If-Then (IT) instruction

• Interruptible-Continuable Instruction (ICI) field for an interrupted load multiple or store

multiple instruction.

9. Interruptible-continuable instructions

When an interrupt occurs during the execution of an LDM or STM instruction, the processor:

• Stops the load multiple or store multiple instruction operation temporarily

• Stores the next register operand in the multiple operation to EPSR bits[15:12].

After servicing the interrupt, the processor:

• Returns to the register pointed to by bits[15:12]

• Resumes execution of the multiple load or store instruction.

When the EPSR holds ICI execution state, bits[26:25,11:10] are zero.

10. If-Then block

The If-Then block contains up to four instructions following a 16-bit IT instruction. Each

instruction in the block is conditional. The conditions for the instructions are either all the

same, or some can be the inverse of others. See IT on page 94 for more information.

11. Exception mask registers

The exception mask registers disable the handling of exceptions by the processor. Disable

exceptions where they might impact on timing critical tasks.

12. Priority mask register

The PRIMASK register prevents activation of all exceptions with configurable priority.

13. Fault mask register

The FAULTMASK register prevents activation of all exceptions except for Non-Maskable Interrupt (NMI).

14. BASEPRI(Base priority mask register)

The BASEPRI register defines the minimum priority for exception processing. When BASEPRI is set to a nonzero value, it prevents the activation of all exceptions with same or lower priority level as the BASEPRI value.

15. CONTROL register

The CONTROL register controls the stack used and the privilege level for software execution when the processor is in Thread mode.

그러면 도대체 이걸 왜 알아야 할까?

1. 시스템 초기화 및 설정

- RESET 및 초기화 과정

시스템이 리셋되었을 때 코어 레지스터를 통해 프로세서 상태를 파악하거나 기본 설정을 진행

- 시작 코드 작성

코어 레지스터를 활용해 초기 스택 포인터, 인터럽트 벡터 위치 등을 설정

2. 인터럽트 및 예외 처리

- 인터럽트 우선순위 관리

Nested Vectored Interrupt Controller(NVIC) 관련 코어 레지스터를 사용해 우선순위를 설정하거나 특정 인터럽트를 활성화/비활성화

- 예외 처리 분석

Fault 상태 레지스터(CFSR, HFSR 등)를 통해 오류의 원인을 분석하고 적절히 대처

3. 디버깅 및 시스템 동작 확인

- 실행 상태 확인

Program Counter(PC), Link Register(LR), Stack Pointer(SP)를 통해 현재 실행 중인 명령어 위치, 함수 복귀 주소, 스택 상태를 확인

- 오류 원인 추적

Hard Fault나 Usage Fault 발생 시 Fault 관련 레지스터를 읽어 문제 발생 위치와 원인을 파악

4. 시스템 동작 최적화

- 전력 관리

Sleep 모드 설정(SCR) 또는 저전력 대기 상태 진입 시 사용

예: SLEEPONEXIT 비트를 설정하여 특정 조건에서 자동으로 Sleep 상태로 전환

- RTOS와의 연동

Process Stack Pointer(PSP)와 Main Stack Pointer(MSP)를 스위칭하여 태스크 간 전환을 효율적으로 관리

5. 주기적 동작 관리

- SysTick Timer 활용

SysTick 레지스터를 통해 주기적인 인터럽트를 생성하여 OS Tick 또는 타이머 이벤트를 구현

6. 사용자 코드 보호

- FAULTMASK, PRIMASK

중요 코드 실행 중 인터럽트를 제한하거나, 특정 크리티컬 섹션 보호를 위해 인터럽트를 마스킹

- STM32F103의 메모리 맵은 Cortex-M3 코어를 기반으로 설계된 마이크로컨트롤러의 주소 공간 구조

- 메모리 맵은 다양한 메모리와 주변 장치의 주소를 정의하며, 다음의 사진과 같음

1. 코드 메모리 영역 (0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF)

- 부트 메모리: 0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF

- 초기 부트 로더 코드가 위치. 부팅 모드에 따라 플래시 메모리, SRAM, 또는 시스템 메모리로 매핑

2. SRAM (0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF)

- 내부 SRAM: 0x2000 0000 ~ 0x2000 4FFF (20KB)

- 일반 데이터 저장용. Cortex-M3 코어에서 빠르게 액세스 가능

- 추가로 사용 가능한 SRAM 주소는 비워진 공간에 의해 확장될 수 있음

3. 주변 장치 (0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF)

- APB1/APB2 버스와 AHB 버스 주변 장치에 매핑된 주소

- APB1: 0x4000 0000 ~ 0x4000 FFFF

- APB2: 0x4001 0000 ~ 0x4001 FFFF

- AHB: 0x5000 0000 ~ 0x5006 FFFF

- 타이머, ADC, USART, SPI와 같은 장치의 레지스터가 포함

4. 플래시 메모리 (0x0800 0000 ~ 0x080F FFFF)

- 64KB ~ 128KB 플래시 메모리 (모델에 따라 다름)

- 사용자 프로그램과 데이터 저장용

5. 시스템 메모리 (0x1FFF F000 ~ 0x1FFF FFFF)

- 제조사 제공 부트로더가 위치

- UART, USB DFU 등으로 펌웨어 업로드 가능

6. 외부 메모리 (0x6000 0000 ~ 0x9FFF FFFF)

- FSMC(Flexible Static Memory Controller)를 통해 외부 SRAM, NOR, NAND 플래시 메모리 등을 연결

7. 코어 영역 (0xE000 0000 ~ 0xE00F FFFF)

- System Control Space (SCS): 0xE000 E000 ~ 0xE000 EFFF

- NVIC, SysTick, 디버그 관련 레지스터

- Cortex-M3 프로세서 특화 레지스터 포함

그러면 도대체 이걸 왜 알아야 할까?

1. 펌웨어 개발

특정 메모리 영역 접근: 예를 들어, 플래시 메모리, SRAM, 또는 주변 장치 레지스터에 접근할 때

Interrupt Vector Table 설정: 인터럽트 핸들러를 설정하려면 메모리 맵을 알아야 함

2. 디버깅 및 문제 해결

디버깅 중에 메모리 주소를 참조하여 오류를 찾거나 메모리 상태를 분석할 때

예를 들어, 스택 오버플로우나 메모리 충돌 문제를 추적할 때 도움이 됨

3. 부트로더 개발

부트로더는 플래시 메모리의 특정 영역에서 실행되므로 정확한 메모리 맵 정보를 기반으로 코드를 작성

4. 주변 장치 제어

UART, SPI, GPIO 등과 같은 주변 장치를 설정하려면 해당 레지스터 주소를 정확히 알아야 하며, 이는 메모리 맵에 정의

5. Direct Memory Access (DMA) 설정

DMA를 사용할 때 소스와 목적지 주소를 설정해야 하므로 메모리 맵을 참고

6. 커스텀 메모리 섹션 설정

특정 코드나 데이터를 특정 메모리 섹션에 배치해야 할 때, 메모리 맵 정보를 활용하여 링크 스크립트를 작성

- ST의 MCU(마이크로컨트롤러 유닛)에는 다양한 보안 기능이 탑재되어 디바이스와 애플리케이션을 보호

- ST의 보안 기능은 주로 소프트웨어 보호, 메모리 보호, 암호화, 부팅 보호 등을 포함

아래는 이러한 보안 기능을 요약한 표

1. RDP (Readout Protection)

세부 내용:

• RDP는 STM32의 플래시 메모리의 읽기 접근을 제어합니다.
• 레벨 1로 설정하면, 플래시 메모리와 디버깅 인터페이스에 대한 접근이 차단되며, 이 설정은 MCU의 펌웨어를 보호하는 데 유용합니다.
• 레벨 2로 설정하면, 디버깅과 모든 플래시 메모리에 대한 접근이 차단되며, 이 상태는 영구적입니다. 펌웨어를 읽는 것이 불가능하게 됩니다.

사용법:

• RDP를 설정하려면 STM32의 ST-Link Utility 또는 STM32CubeProgrammer와 같은 소프트웨어를 사용합니다.
• 소프트웨어에서 RDP 설정을 선택하고 원하는 레벨을 적용합니다.
• 레벨 1은 개발 중에 필요할 때 다시 변경할 수 있지만, 레벨 2는 변경할 수 없으므로 신중하게 결정해야 합니다.

2. PCROP (Proprietary Code Read-Out Protection)

세부 내용:

• PCROP는 플래시 메모리의 특정 영역에 대해 읽기 보호를 설정할 수 있습니다.
• 이 기능은 일반적으로 중요한 코드나 데이터를 보호하기 위해 사용되며, 설정된 영역의 데이터는 외부에서 읽을 수 없습니다.

사용법:

• STM32의 STM32CubeMX 또는 STM32CubeProgrammer를 사용하여 PCROP 영역을 설정합니다.
• 설정할 영역을 선택하고, 해당 영역에 대해 읽기 보호를 활성화합니다.
• PCROP 설정 후, 영역의 내용은 외부에서 접근할 수 없으며, 소프트웨어에서 이를 확인할 수 있습니다.

3. TrustZone

세부 내용:

• Arm TrustZone은 시스템을 두 개의 영역, 즉 신뢰 구역과 비신뢰 구역으로 나누어 보안을 강화합니다.
• 신뢰 구역에서는 중요한 데이터와 코드가 실행되며, 비신뢰 구역에서는 일반 애플리케이션이 실행됩니다.
• TrustZone 기술은 하드웨어적으로 두 영역을 분리하여, 하나의 영역에서의 코드가 다른 영역에 영향을 미치지 않도록 합니다.

사용법:

• TrustZone을 활용하려면 Arm Cortex-M 시리즈 프로세서를 사용하고, 관련 소프트웨어 개발 도구에서 TrustZone 지원을 활성화합니다.
• ARM Development Tools 또는 **MDK (Microcontroller Development Kit)**를 사용하여 TrustZone 기반의 애플리케이션을 개발합니다.
• TrustZone 설정을 통해, 신뢰 구역에서 실행할 코드와 비신뢰 구역에서 실행할 코드를 나눕니다.

4. Secure Boot

세부 내용:

• Secure Boot은 부팅 과정에서 펌웨어의 디지털 서명을 검증하여, 무결성이 확인된 펌웨어만 부팅됩니다.
• 디지털 서명은 공개 키와 비밀 키를 사용하여 생성됩니다. 부팅 중에는 서명을 검증하여 펌웨어가 변조되지 않았는지 확인합니다.

사용법:

• Secure Boot을 설정하려면 펌웨어를 서명하고, 이를 시스템의 부팅 프로세스에 통합합니다.
• STM32CubeProgrammer에서 Secure Boot 설정을 활성화하고, 서명된 펌웨어를 업로드합니다.
• 시스템이 부팅될 때, 서명 검증을 통해 무결성을 확인합니다.

5. AES (Advanced Encryption Standard)

세부 내용:

• AES는 대칭 키 암호화 알고리즘으로, 데이터를 암호화하고 복호화하는 데 사용됩니다. 키 길이에 따라 AES-128, AES-192, AES-256이 있습니다.
• 데이터 블록을 128비트 단위로 처리하며, 고속의 암호화 및 복호화를 제공합니다.

사용법:

• STM32의 하드웨어 AES 모듈을 사용하여 암호화 및 복호화 작업을 수행합니다.
• STM32CubeMX에서 AES 모듈을 활성화하고, 해당 기능을 코드에서 호출하여 데이터를 암호화하거나 복호화합니다.
• HAL 라이브러리를 사용하여 AES 암호화 및 복호화 함수를 호출합니다.

6. PKA (Public Key Accelerator)

세부 내용:

• PKA는 공개 키 암호화 알고리즘을 하드웨어적으로 가속화하여 빠른 연산을 지원합니다. RSA, ECC 등의 알고리즘을 지원합니다.
• 공개 키 암호화는 데이터를 암호화하고 서명 검증을 수행하는 데 사용됩니다.

사용법:

• PKA 모듈을 STM32CubeMX에서 활성화하고, 관련 API를 사용하여 공개 키 암호화 작업을 수행합니다.
• HAL 라이브러리에서 PKA 함수들을 호출하여 RSA 또는 ECC 연산을 수행합니다.
• 공개 키 암호화 연산을 하드웨어 가속을 통해 성능을 향상시킵니다.

7. OTFDEC (On-The-Fly Decryption)

세부 내용:

• OTFDEC는 암호화된 데이터를 메모리에서 읽을 때 실시간으로 복호화하는 기능을 제공합니다.
• 데이터가 메모리에 로드되기 전에 자동으로 복호화되며, 이로 인해 암호화된 데이터를 직접 사용할 수 있습니다.

사용법:

• STM32의 OTFDEC 모듈을 활성화하고, 암호화된 데이터를 메모리에 저장한 후, OTFDEC를 사용하여 복호화합니다.
• STM32CubeMX에서 OTFDEC 설정을 구성하고, 복호화 작업을 위한 API를 호출합니다.

8. Tamper Detection

세부 내용:

• Tamper Detection은 물리적 공격이나 하드웨어 변조를 감지합니다. 침입이 감지되면 시스템을 보호하기 위해 특정 동작을 수행할 수 있습니다.
• 보통 시스템의 물리적 보안 경계가 변경되거나 파괴된 경우에 경고를 발생시킵니다.

사용법:

• STM32의 Tamper Detection 기능을 활성화하고, 감지된 변조에 대해 적절한 반응을 설정합니다.
• Tamper 이벤트 발생 시, 시스템의 상태를 기록하거나 특정 동작(예: 시스템 재부팅, 데이터 삭제 등)을 수행합니다.

9. Firewall

세부 내용:

• Firewall은 네트워크 트래픽을 필터링하고 모니터링하여 불법 접근을 차단합니다.
• 외부에서의 무단 접근을 방지하고, 네트워크 보안을 강화합니다.

사용법:

• STM32의 하드웨어 방화벽을 설정하여, 특정 주소나 포트를 통한 접근을 차단합니다.
• STM32CubeMX에서 방화벽 설정을 구성하고, 필터링 규칙을 정의하여 시스템의 보안을 강화합니다.

10. HDPL (Hardware Development Protection Level)

세부 내용:

• HDPL은 하드웨어 개발 과정에서의 보안을 강화하는 기능입니다. 개발 중에 코드나 데이터의 무단 접근을 방지합니다.
• 개발 과정에서의 정보 유출을 방지하며, 개발 단계의 보안을 강화합니다.

사용법:

• 개발 환경에서 HDPL 설정을 활성화하고, 코드와 데이터를 보호하기 위한 보안 정책을 적용합니다.
• 개발 중에 보안성을 유지하기 위해 적절한 접근 제어와 보호 메커니즘을 설정합니다.

11. JTAG/SWD Lock

세부 내용:

• JTAG/SWD Lock은 JTAG 및 Serial Wire Debug (SWD) 인터페이스를 잠궈 외부 디버거의 접근을 제한합니다.
• 디버깅 기능을 비활성화하여, 펌웨어의 무단 접근이나 수정 방지.

사용법:

• STM32의 JTAG/SWD Lock 설정을 활성화하여 디버깅 인터페이스를 잠급니다.
• STM32CubeProgrammer 또는 ST-Link Utility에서 JTAG/SWD Lock 설정을 적용하여 보안을 강화합니다.

CMSIS(Common Microcontroller Software Interface Standard)는 Arm Cortex 프로세서를 기반으로 하는 마이크로 컨트롤러용 벤더 독립 추상화 레이어.CMSIS는 범용 툴인터페이스를 정의하고 일관된 디바이스 지원 가능. CMSIS 소프트웨어 인터페이스는 소프트웨어 재사용을 단순화하고 마이크로컨트롤러 개발자의 학습 곡선을 줄이며 새로운 기기의 시장 출시 기간을 단축.

CMSIS는 프로세서 및 주변기기, 실시간 운영체제 및 미들웨어 컴포넌트에 대한 인터페이스를 제공. CMSIS에는 디바이스, 보드 및 소프트웨어의 전송 메커니즘이 포함되어 있어 여러 벤더의 소프트웨어 컴포넌트를 조합 가능.

CubeMX에서 pheriperal인 GPIO, USART, TIMER, PWM를 설정할때 기본이 HAL divrer로 설정된다.

하지만 HAL driver는 이식성을 좋게 하기 위해 용량이 커지고 코드 실행 시간이 길어진다. 그래서 코드 최적화 하여 코드 실행 시간을 줄일 수 있는 LL driver 설정 방법은 다음과 같다.

1. CubeMX 실행

2. CubeMX - Project Manager

3. CubeMX - Project Manager - Advanced Settings

: HAL 또는 LL driver 선택

1. MEMORY

아래는 STM32F103VCT의 Linker Script의 일부분이다.

RAM과 FLASH로 구분되어 있다.

RAM(xrw)은 48Kbyte

FLASH(rx)은 256Kbyte

2. SECTION

아래는 STM32F103VCT의 Linker Script의 일부분이다.

복잡해 보이지만 모두 다 이해할 필요는 없다.

예를 들어 메모리가 부족해 SDRAM을 추가 후, bss나 heap을 SDRAM에 할당 하는 정도만 알면 충분하다.

(1) .isr_vector, .text, .rodata

.isr_vector는 FLASH에 쓰여지며, 0x8000000 부터 할당 된다.

.isr_vector, .text, .rodata(read only) 모두 FLASH에 할당 된다.

(2) .data, .bss, .heap, .stack

위 영역은 RAM에 할당 된다. data 영역은 다시 0이 아닌값으로 초기화 되는 .data영역과, 0으로 초기화 되는 .bss 영역으로 나눌 수 있다.

컴파일 후에 map 파일을 열어보면 위와 같이 잘 되었는지 확인 할 수 있다. 아래는 map 파일의 일부분이다.

실제로 0이외의 값으로 초기화한 변수는 .data 영역으로 할당 되었고

0으로 초기화한 변수는 .bss로 할당 되었다.

- Compile

C 코드를 기계어로 만드는 작업을 Compile이라고 하고, 이 작업에 Compiler라는 프로그램이 필요

- Linker

main.c와 control.c 소스를 컴파일을 하면 오브젝트 파일이 생성되고, 이 오브젝트 파일을 하나의 바이너리로 만듦

아래는 Compile 과정을 그림으로 그려 보았다.

- 그러면 이걸 꼭 알아야 하나?

MCU에 RAM을 추가로 붙이려면?

제조사 제공 Bootloader를 사용하지 않고 내가 작성하려면?

Linker Script를 건드려야 한다.

여기서는 Segment를 먼저 설명하고 Linker Script에 대해서 설명 하도록 하겠다.

- 세그먼트

메모리 관리 방식의 하나로, 프로그램이나 데이터를 세그멘트 또는 섹션이라는 가변 크기로 관리하는 방법

1. text

- 작성한 코드가 들어감

- Read Only

2. data

- 초기화 된 데이터(런타임 전에 초기화)

- 전역변수(global), 정적변수(static), 배열(array), 구조체(structure) 등이 저장

- Read Write

3. bss(Block Stated Symbol)

- 초기화 되지 않은 데이터(런타임 이후 초기화)

4. heap

- 프로그래머가 동적으로 사용하는 영역

- malloc, free 또는 new, delete 에 의하여 할당, 또는 반환되는 영역

5. stack

- 지역변수, 매개변수, 복귀 번지 등이 저장되어 있는 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리

- 함수 호출 시 생성되고, 함수 종료시 반환

- Last In First Out

- Stack 세그먼트는 상위 영역부터 할당(다른 세그먼트는 하위부터 할당)

• STM32F746NGH6 Arm® Cortex® core-based microcontroller with 1 Mbyte of Flash memory and 340 Kbytes of RAM, in BGA216 package

• 4.3” RGB 480×272 color LCD-TFT with capacitive touch screen

• Ethernet compliant with IEEE-802.3-2002

• USB OTG HS

• USB OTG FS

• SAI audio codec

• Two ST-MEMS digital microphones

• 128-Mbit Quad-SPI Flash memory

• 128-Mbit SDRAM (64 Mbits accessible)

• Two user and reset push-buttons

• Board connectors:

– Camera

– microSD™ card

– RF-EEPROM daughterboard connector

– 2×USB with Micro-AB

– Ethernet RJ45

– SPDIF RCA input connector

– Audio line in and line out jack

– Stereo speaker outputs

– ARDUINO® Uno V3 expansion connectors