임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
#한 줄 요약
“임베디드 로깅의 핵심은 시간이 안 드는 로그를 어떻게 만드는가입니다.” Circular buffer에 binary record를 적고 host에서 후처리하면 µs 단위로 끝납니다.
#어떤 상황에서 쓰나
ISR에서 printf를 부르면 µs가 ms가 되어 다른 timing이 깨집니다. UART output이 buffer overflow되면 가장 최근의 log가 사라집니다. Production firmware에 로그를 두고 싶지만 flash 용량이 부족합니다. 모든 경우에 deferred + binary + ring buffer가 답입니다.
#핵심 개념 — 비용 분리
| 단계 | 위치 | 비용 |
|---|---|---|
| 로그 호출 | ISR / main에서 호출됨 | 빨라야 함 (µs) |
| 저장 | RAM ring buffer | 빠른 write |
| 전송 | UART/SWO/USB | background에서 천천히 |
| 해석 | host에서 binary → text | 느려도 됨 |
각 단계를 분리하면 hot path의 부담은 RAM write 몇 byte로 끝납니다.
#Layer 1 — 매크로로 zero-cost 또는 컴파일 제거
typedef enum { LOG_ERR, LOG_WARN, LOG_INFO, LOG_DBG } log_lvl_t;
extern log_lvl_t g_log_level;
#define LOG(lvl, fmt, ...) \ do { \ if ((lvl) <= g_log_level) \ log_emit(lvl, __FILE__, __LINE__, fmt, ##__VA_ARGS__); \ } while (0)
#define LOG_ERR(fmt, ...) LOG(0, fmt, ##__VA_ARGS__)#define LOG_WARN(fmt, ...) LOG(1, fmt, ##__VA_ARGS__)#define LOG_INFO(fmt, ...) LOG(2, fmt, ##__VA_ARGS__)#define LOG_DBG(fmt, ...) LOG(3, fmt, ##__VA_ARGS__)Release build에서 g_log_level = LOG_ERR로 두면 LOG_DBG는 조건 분기 한 줄만 남습니다. 더 줄이고 싶으면 컴파일 time으로 제거:
#if !defined(LOG_LEVEL) || LOG_LEVEL < 3# define LOG_DBG(fmt, ...) ((void)0)#endif#Layer 2 — Circular ring buffer
#define LOG_RING 4096static uint8_t g_log[LOG_RING];static volatile uint16_t g_head, g_tail;
static inline void log_push_bytes(const void *p, size_t n) { const uint8_t *b = p; for (size_t i = 0; i < n; i++) { uint16_t next = (g_head + 1) & (LOG_RING - 1); if (next == g_tail) g_tail = (g_tail + 1) & (LOG_RING - 1); /* drop oldest */ g_log[g_head] = b[i]; g_head = next; }}Overflow 시 가장 오래된 데이터를 버립니다. 가장 최근 직전의 로그를 잃지 않습니다.
#Layer 3 — Binary record
Printf는 %d formatting에 100 cycle 이상 듭니다. Binary record는 10 cycle.
struct log_rec { uint32_t ts; /* DWT CYCCNT */ uint16_t fmt_id; /* host가 string으로 lookup */ uint8_t argc; uint8_t pad; uint32_t args[4]; /* up to 4 args */} __attribute__((packed));
void log_binary(uint16_t fmt_id, int argc, ...) { struct log_rec r = { DWT->CYCCNT, fmt_id, argc, 0, {0} }; va_list ap; va_start(ap, argc); for (int i = 0; i < argc && i < 4; i++) r.args[i] = va_arg(ap, uint32_t); va_end(ap); log_push_bytes(&r, sizeof(r));}
#define LOG_B(fmt, ...) log_binary(__COUNTER__, ARG_COUNT(__VA_ARGS__), __VA_ARGS__)Format string은 elf의 별도 section에 모아두고 host가 fmt_id로 조회합니다. 흔한 구현이 defmt (Rust embedded) 와 dlt (AUTOSAR).
#Layer 4 — SWO / RTT 출력
/* ITM 직접 — UART보다 100배 빠름 */static inline void swo_put(char c) { if ((ITM->TER & 1) && (ITM->TCR & 1)) { while (ITM->PORT[0].u32 == 0) ; ITM->PORT[0].u8 = c; }}
void log_flush_swo(void) { while (g_tail != g_head) { swo_put(g_log[g_tail]); g_tail = (g_tail + 1) & (LOG_RING - 1); }}SEGGER RTT는 더 빠릅니다 (수 MB/s).
#include "SEGGER_RTT.h"SEGGER_RTT_Write(0, &rec, sizeof(rec));RTT는 공유 메모리 기반이라 CPU 부담이 거의 0. J-Link로 host에서 read.
#Layer 5 — Deferred 출력
ISR에서 호출된 로그는 RAM에만 적고, 출력은 idle task가 처리:
void idle_task(void) { while (1) { if (g_tail != g_head) log_flush_uart(); __WFI(); }}Hot path는 ring buffer write로 끝나고, 출력 비용은 idle에서 흡수.
#Layer 6 — Crash dump
Hardfault 시 ring buffer 전체를 NVRAM에 복사.
void hardfault_log_save(void) { struct crash_log *cl = (void*)BACKUP_SRAM; cl->magic = 0xFA17; cl->head = g_head; cl->tail = g_tail; memcpy(cl->buf, g_log, LOG_RING); NVIC_SystemReset();}
void boot_check_crash(void) { struct crash_log *cl = (void*)BACKUP_SRAM; if (cl->magic == 0xFA17) { printf("Previous crash log:\n"); log_dump_buf(cl->buf, cl->head, cl->tail); cl->magic = 0; }}Field 환경에서 재시작 후에도 이전 로그를 볼 수 있습니다.
#Filter / Subsystem tag
#define LOG_TAG_NET 1#define LOG_TAG_FS 2#define LOG_TAG_UI 3
#define LOG_NET(lvl, fmt, ...) \ do { if (lvl <= g_log_level && (g_log_tag_mask & (1 << LOG_TAG_NET))) \ log_emit(lvl, LOG_TAG_NET, fmt, ##__VA_ARGS__); } while (0)Runtime에서 g_log_tag_mask를 바꿔 어느 subsystem의 로그만 볼지 결정.
#Cost 측정
| 방식 | cycles (Cortex-M4 @ 168 MHz) |
|---|---|
printf("hello %d\n", x) | ~1500 |
log_emit (text, ring) | ~600 |
log_binary (4 args) | ~50 |
| SEGGER RTT (4 byte) | ~30 |
| ITM SWO (1 byte) | ~20 |
ISR에서 매번 부르려면 binary + RTT 조합이 답.
#사례 — ISR 로그가 timing 깨뜨림
처음 코드:
void TIM2_IRQHandler(void) { HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); printf("tick %lu\n", HAL_GetTick()); /* ~1ms — 다음 IRQ가 떨어짐 */}1ms 주기 IRQ인데 printf가 1ms 걸려 영원히 ISR 안에 있게 됩니다.
수정:
void TIM2_IRQHandler(void) { TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); LOG_B("tick %u", HAL_GetTick()); /* ~50 cycle */}LOG_B는 ring buffer에 binary record만 적습니다. Idle task가 batch로 UART에 출력.
#사례 — Production에서 사용한 로그 분량
자율주행 ECU 한 대 기준.
| Subsystem | log/s | bytes/event | bandwidth |
|---|---|---|---|
| camera | 30 | 48 | 1.4 KB/s |
| control | 1000 | 32 | 32 KB/s |
| diagnostic | 10 | 128 | 1.3 KB/s |
| total | ~35 KB/s |
UART 115200 baud (11 KB/s)로는 불가. 1 Mbps UART나 USB 사용. Binary record로 text 대비 5배 압축하면 230400 baud로도 됩니다.
#자주 보는 함정
Critical section 안에서 로그
__disable_irq();LOG_INFO("entering critical"); /* IRQ disable 동안 UART 못 보냄 */do_critical();__enable_irq();Critical section에서는 ring buffer write만 사용. 출력은 외부에서.
Floating point 로그
printf("%f", x)는 newlib-nano에서 빈 칸 출력. -u _printf_float 또는 사용자가 직접 변환.
차라리 LOG_B(F_TIMESTAMP, *(uint32_t*)&x) 로 float bit를 binary로 넘기고 host에서 reinterpret_cast.
Format string flash bloat
LOG_INFO("Entered process_packet with channel=%d, size=%d", ch, sz);긴 format string이 flash에 100개 쌓이면 KB 단위 낭비. defmt-style은 host의 별도 file로 옮겨 flash를 비웁니다.
Ring buffer overflow를 silently drop
가장 오래된 로그를 drop하는 게 보통 맞지만, crash 직전이라면 그 직전이 가장 중요. Crash 시점에는 drop 안 하고 overflow 횟수를 카운트.
Production에서 SWO output
SWO는 디버거가 connect되어야 의미가 있습니다. Field firmware는 UART/USB/CAN으로 외부에 보냅니다.
#정리
- 로그는 호출 → 저장 → 전송 → 해석 4단계로 비용을 분리합니다.
- Hot path에서는 ring buffer + binary record만. ~50 cycle.
- Format string은 elf section에 두고 host가 lookup.
- SWO / SEGGER RTT는 UART보다 100배 빠릅니다.
- Idle task가 출력을 batch로 처리합니다.
- Crash dump를 NVRAM에 두면 reset 후에도 이전 로그를 볼 수 있습니다.
- Tag/subsystem 마스크로 runtime에서 필터링.
- Critical section 안에서는 ring buffer write만.
다음 편은 포스트모템 분석입니다.
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