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Modern Embedded Recipes · 121/152

임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred

· Hawk · 5분 읽기

#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

단계위치비용
로그 호출ISR / main에서 호출됨빨라야 함 (µs)
저장RAM ring buffer빠른 write
전송UART/SWO/USBbackground에서 천천히
해석host에서 binary → text느려도 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 4096
static 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

방식cycles (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.

Subsystemlog/sbytes/eventbandwidth
camera30481.4 KB/s
control10003232 KB/s
diagnostic101281.3 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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Modern Embedded Recipes · 122 of 152

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  74. 74Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
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  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
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  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX