임베디드 스터디 - 부트로더 전원관리

부트로더 전원관리 개요

• 전원관리는 OS 레벨뿐만 아니라 OS가 뜨기 전 부트로더 레벨에서도 이루어짐
• 부트로더 전원관리의 핵심 3요소
  • Power-On Reset (POR)
  • Wake-up 소스
  • Watchdog Timer (WDT)

Power-On Reset (POR)

• 전원 인가 시 전압은 0V에서 목표 전압까지 서서히 상승함
  • 전압이 불안정한 구간에서 CPU가 동작하면 레지스터·메모리 셀이 오동작할 수 있음
• POR은 전압이 안정적인 임계값에 도달할 때까지 CPU를 강제로 리셋 상태에 묶어두는 하드웨어 회로

전원 인가
    ↓
전압 상승 중 (불안정)
    ↓
POR 회로가 RESET 핀을 LOW로 유지 → CPU 동작 차단
    ↓
전압이 임계값 초과 (안정)
    ↓
RESET 핀 HIGH → CPU 부트 시작

Wake-up 소스

• Sleep 상태에서 시스템을 깨우는 외부 트리거
• 부트로더는 Wake-up 소스를 확인해 부팅 경로를 결정함

분류	예시
GPIO	전원 버튼, 외부 인터럽트 신호
타이머	RTC — 일정 시간 후 자동 Wake-up
통신	UART/CAN 수신, 이더넷 Wake-on-LAN
아날로그	ADC 임계값 초과 (온도, 배터리 전압 등)

• 부트로더에서 리셋 원인 레지스터를 읽어 빠른 복구 경로를 결정함

// U-Boot 스타일 Wake-up 소스 확인 예시
reset_cause = read_reset_cause_register();
 
if (reset_cause == WAKEUP_RTC)
    fast_resume();       // 저장된 상태 복구
else if (reset_cause == WAKEUP_GPIO)
    normal_boot();       // 일반 부팅
else if (reset_cause == POWER_ON_RESET)
    full_init();         // POR → 전체 초기화

Sleep 상태 설계

• Wake-up 소스를 활용하기 위해선 사용할 주변 장치의 인터페이스는 살려둬야 한다.

Deep Sleep 상태에서도 유지되는 것들
├── RTC (타이머 Wake-up용)
├── Wake-up 핀 감지 회로 (GPIO Wake-up용)
├── RAM 전원 (Suspend-to-RAM인 경우)
└── PMU(Power Management Unit) 자체

끄는 것들
├── CPU 코어
├── 메인 클럭 (PLL 등)
├── 사용하지 않는 peripheral (UART, SPI, I2C 등)
└── 메인 전압 레일 일부

• STM32 기준으로 각 모드에 따라 Wake-up 트리거가 다르기에, 장치의 상황에 따라 적합한 모드로 Sleep을 운용해야 한다.

모드	CPU	클럭	RAM	Wake-up 소스	소비전류
Sleep	정지	유지	유지	인터럽트 전부	~mA
Stop	정지	정지	유지	일부 GPIO, RTC	~μA
Standby	정지	정지	❌	WKUP 핀, RTC만	~μA 이하

Watchdog Timer (WDT)

• 소프트웨어가 hang/deadlock/무한루프에 빠졌을 때 시스템을 강제 리셋하는 하드웨어 안전장치
• 정상 동작 중에는 소프트웨어가 주기적으로 feeding(kick/refresh)을 해줘야 함
  • feeding이 일정 시간 내에 오지 않으면 카운터가 0에 도달 → 강제 리셋

    WDT 활성화
      ↓
    카운터 감소 시작
      ↓
    ┌─────────────────────────────────┐
    │ 정상 동작                        │
    │ 소프트웨어가 주기적으로 feeding   │ → 카운터 리셋 → 반복
    └─────────────────────────────────┘
      ↓ (feeding 못 받으면)
    카운터 0 도달 → 시스템 강제 리셋
    

스타트업 코드에서의 WDT 처리

• 스타트업 구간(스택·클럭·DRAM 초기화)은 시간이 걸리고 feeding이 불가능함
  • WDT가 활성화된 상태면 정상 부팅 중에도 리셋이 걸릴 수 있음
• 따라서 스타트업 코드에서 WDT를 비활성화하고, main() 진입 후 재활성화하는 패턴을 사용함

  [스타트업 코드]
  WDT 비활성화
  스택 초기화
  클럭 설정
  DRAM 초기화       ← 시간 걸림, feeding 불가
  BSS/데이터 초기화
  main() 진입
       ↓
  [main()]
  WDT 재활성화 + feeding 루프 시작
  

• trade-off : WDT가 꺼진 스타트업 구간에서 코드가 멈추면 자동 복구 불가
  • POR과 WDT를 함께 사용해 완전한 안전망을 구성함

부트로더 전원관리 전체 흐름

전원 인가
   ↓
[POR] 전압 안정화까지 CPU 대기
   ↓
[스타트업] WDT 비활성화 → 하드웨어 초기화
   ↓
[main()] WDT 재활성화
   ↓
[Wake-up 소스 확인] 리셋 원인에 따라 부팅 경로 결정
   ↓
OS 부팅