임베디드 스터디 - 데이터 타입과 메모리 레이아웃

이번 글 참고자료:
EmbeddedInterviewlab

메모리 맵

• C의 변수는 메모리에서 5개의 구역 중 하나에 배치된다.
  • stack : 함수 내 지역 변수
  • heap : 동적할당 변수
  • .rodata : const 전역 변수, const static 지역 변수, flash 메모리에 저장
  • .data : 초기화된 전역 변수, 프로그램 실행 시 flash 메모리에서 RAM으로 초기화값을 복사한다.
  • .bss : 초기화되지 않은 전역 변수, static 지역 변수, RAM에서 0 값으로 초기화된다.

// .rodata (flash) -- const + global scope = read-only data in flash
const uint32_t FIRMWARE_VERSION = 0x0102;

// .data (RAM, copied from flash at boot) -- initialized global
uint32_t sensor_count = 5;

// .bss (RAM, zeroed at boot) -- uninitialized global (zero by default)
uint32_t error_count;

// .data -- static global, same as non-static for memory purposes
static uint32_t module_id = 42;

// .bss -- uninitialized static global
static uint32_t call_count;

void read_sensor(uint16_t channel) {
    // Stack -- automatic storage, NOT initialized, destroyed on return
    uint8_t buffer[64];

    // .bss -- static LOCAL, persists between calls, zero-initialized once
    static uint32_t invocation_count;
    invocation_count++;

    // .rodata -- static const local, stored in flash (no RAM cost)
    static const uint16_t lookup[] = {0, 100, 200, 400, 800};
}

• C로 개발한 프로그램은 링커 스크립트의 내용에 따라 변수의 저장 위치가 달라진다.

  FLASH                                      RAM
          ┌─────────────────────┐               ┌─────────────────────┐ ← _estack
          │                     │               │  Stack  ↓           │   (initial SP)
          │  .text              │               │  local vars, args,  │
          │  (machine code:     │               │  return addresses   │
          │   main, ISRs)       │               │         ...         │
          │                     │               │                     │
          ├─────────────────────┤               │  (free space)       │
          │  .rodata            │               │                     │
          │  (const globals,    │               │         ...         │
          │   string literals,  │               │                     │
          │   lookup tables)    │               │  Heap   ↑           │
          ├─────────────────────┤               │  malloc'd memory    │
          │  .data init values  │ ──copy at──▶  ├─────────────────────┤
          │  (source for RAM    │    boot       │  .bss               │
          │   .data section)    │               │  (zeroed at boot)   │
          └─────────────────────┘               ├─────────────────────┤
        0x0800_0000 (STM32)                     │  .data              │
                                                │  (copied from flash)│
                                                └─────────────────────┘
                                              0x2000_0000 (STM32)
  

Int 변수 선언

• 각 CPU의 스펙에 따라 int, long의 크기 달라지므로, 명확하게 데이터의 크기를 지정해야한다.
  • stdint.h 라이브러리를 통해 각 데이터의 명확한 크기를 정의하여 변수를 사용한다.

Type	Bits	Range (unsigned)	Range (signed)	Use Case
uint8_t	8	0 - 255	-128 to 127	Register bytes, flags, small counters
uint16_t	16	0 - 65,535	-32,768 to 32,767	ADC values, sensor data, PWM
uint32_t	32	0 - 4.29B	-2.14B to 2.14B	Timestamps, addresses, large counters
uint64_t	64	0 - 18.4E	-9.2E to 9.2E	Cryptography, precise time (avoid on 8/16-bit MCUs)

• Implicit signed/unsigned conversion (usual arithmetic conversions)으로 인해 Int와 Uint 사이에 비교 연산자를 사용하는 경우 결과가 의도하지 않은 형태로 발생한다.(Int의 -1은 Uint의 UINT_MAX 값이 나온다.)
  • 비교 연산자 사용 시, Unsigned 끼리, Signed 끼리만 비교한다.
  • 변수 타입 변환 시 해당 변수에 명시한다. if ((int)y > x)
  • 컴파일러의 경고를 활용한다. -Wsign-compare, -Wconversion
  • MISRA C에서는 변수 타입 변환 시 모두 명시할 것을 요구하고 있다.

Stack vs Static vs Heap

• Stack, Static, Heap 메모리는 각각의 용도에 맞춰 사용하는 것이 효율적이다.
  • Static은 보통 100Byte 이상의 데이터를 저장하는게 좋다.
  • Stack에는 작은 지역 변수나 함수 호출 오버헤드를 위해 남겨두는 것이 좋다.
  • Heap은 메모리 파편화, Stack-Heap 충돌 문제를 일으킬 수 있으므로, 특수 상황이 아니면 안 쓰는 것이 오류를 피하는 지름길이다.

Criteria	Stack (auto)	Static / Global	Heap (malloc)
Lifetime	Function scope only	Entire program	Until free()
Initialization	NOT initialized	.bss zeroed, .data from flash	NOT initialized
Size limit	Small (1-8 KB total)	Limited by RAM	Limited by RAM
Allocation speed	Instant (just move SP)	Zero (placed at link time)	Slow (search free list)
Deterministic	Yes	Yes	No (fragmentation)
Reentrant	Yes	No (shared state)	Yes (if per-thread)
Best for	Small temps, loop vars	Config, LUTs, buffers, state	Rarely used in embedded

프로그램 스타트업 절차

• 디바이스는 아래 절차를 통해 프로그램을 실행한다.
  1. Power on : CPU가 실행되면 reset vector에서부터 메모리를 읽는다.
  2. Reset_Handler : 스택 포인터를 초기화하고, C runtime initialization을 수행한다.
  3. .data 복사 : 초기화된 전역, static 변수의 데이터를 flash에서 RAM으로 복사한다.
  4. .bss 초기화 : .bss 섹션을 모두 0으로 초기화한다.
  5. main() 함수 실행
• 함수의 지역 변수는 함수가 호출된 후에 생성되므로 변수 초기화가 자동으로 이루어지지 않는다.
• .data 섹션의 데이터량과 부팅시간은 비례한다.
  • 따라서 적절하게 변수를 선언하여 .data 섹션을 사용하는 것이 중요하다.