Modern Embedded Recipes · 35/152

첫 bare-metal 프로그램 작성 — Linker·Startup·main의 최소 구성

2026년 4월 13일 · Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“디버거 없이 LED 한 개가 깜빡이면 toolchain·linker·boot가 모두 정상이라는 증거입니다.” Bare-metal의 hello-world입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

새 보드를 받았거나, 새 toolchain을 구성했거나, 새 startup·linker script를 작성했을 때 처음 던지는 질문은 “이게 동작하는가”입니다. printf 한 줄이라도 보려면 UART·clock·DMA가 모두 살아 있어야 합니다. 그보다 훨씬 단순한 답이 LED toggle입니다.

GPIO 출력 핀 하나만 살아 있으면 됩니다. 1초 주기로 깜빡이면 main이 돌고 있다는 뜻이고, 빠르게 깜빡이면 clock이 올라갔다는 신호이며, 안 깜빡이면 어느 단계에서 죽었다는 진단이 됩니다. 오실로스코프 한 대만 있으면 보드의 생사를 5초 안에 판정할 수 있습니다.

#핵심 개념

#최소 boot 흐름

ARM Cortex-M의 reset 시퀀스는 다음과 같습니다.

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Power-on / Reset
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  ↓
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0x00000000 (vector table)
4
  [0]  Initial MSP value     ← stack pointer 로드
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  [1]  Reset_Handler address ← PC 로드, 점프
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  ↓
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Reset_Handler:
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  - .data copy (Flash → RAM)
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  - .bss zero
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  - SystemInit() — 옵션
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  - main() 호출
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  ↓
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main():
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  - clock·GPIO 설정
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  - while(1) { toggle; delay; }

vector table은 Flash의 시작 주소에 위치해야 합니다. Cortex-M3/M4/M7은 SCB->VTOR로 재배치 가능하지만, 첫 boot은 0x00000000(또는 0x08000000이 alias)에서 시작합니다.

#LED와 GPIO

STM32 Nucleo·Discovery 보드의 user LED는 보드마다 다릅니다. 대표 예시는 다음과 같습니다.

보드	LED	GPIO
Nucleo-F411RE	LD2 (green)	PA5
Nucleo-F767ZI	LD1/2/3	PB0/PB7/PB14
STM32F4 Discovery	LD3-6	PD12-15
Black Pill F411	LED	PC13 (active-low)

이 글의 예제는 Nucleo-F411RE, PA5를 기준으로 합니다.

#코드 예제

#1. Vector table과 startup

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#include <stdint.h>
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extern uint32_t _estack;       // linker가 정의 (RAM 끝)
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extern uint32_t _sdata, _edata, _sidata;
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extern uint32_t _sbss, _ebss;
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void Reset_Handler(void);
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void Default_Handler(void);
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int main(void);
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// Vector table을 .isr_vector section에 배치 (linker script가 0x08000000에 둠)
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__attribute__((section(".isr_vector")))
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const uint32_t vector_table[] = {
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    (uint32_t)&_estack,             // [0] MSP 초기값
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    (uint32_t)Reset_Handler,        // [1] Reset
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    (uint32_t)Default_Handler,      // [2] NMI
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    (uint32_t)Default_Handler,      // [3] HardFault
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    // ... 나머지는 일단 Default로 채움
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};
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void Reset_Handler(void) {
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    // .data 초기화: Flash(_sidata)에서 RAM(_sdata~_edata)으로 복사
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    uint32_t *src = &_sidata;
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    uint32_t *dst = &_sdata;
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    while (dst < &_edata) *dst++ = *src++;
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    // .bss zero
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    dst = &_sbss;
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    while (dst < &_ebss) *dst++ = 0;
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    main();
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    while (1);  // main이 return하면 무한 루프
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}
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void Default_Handler(void) { while (1); }

#2. main — LED toggle

CMSIS 헤더 없이 register address를 직접 정의합니다. 이렇게 하면 한 파일에서 전체 흐름이 보입니다.

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#include <stdint.h>
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#define RCC_BASE       0x40023800UL
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#define RCC_AHB1ENR    (*(volatile uint32_t *)(RCC_BASE + 0x30))
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#define GPIOA_BASE     0x40020000UL
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#define GPIOA_MODER    (*(volatile uint32_t *)(GPIOA_BASE + 0x00))
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#define GPIOA_ODR      (*(volatile uint32_t *)(GPIOA_BASE + 0x14))
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#define LED_PIN  5  // PA5
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static void delay(volatile uint32_t n) {
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    while (n--) __asm__("nop");
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}
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int main(void) {
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    // 1. GPIOA clock enable
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    RCC_AHB1ENR |= (1u << 0);
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    // 2. PA5를 output mode (MODER bits[11:10] = 01)
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    GPIOA_MODER &= ~(3u << (LED_PIN * 2));
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    GPIOA_MODER |=  (1u << (LED_PIN * 2));
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    // 3. Toggle loop
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    while (1) {
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        GPIOA_ODR ^= (1u << LED_PIN);
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        delay(500000);
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    }
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}

#3. Linker script 최소 골격

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MEMORY {
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    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
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    RAM  (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
4
}
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_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);
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SECTIONS {
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    .isr_vector : { KEEP(*(.isr_vector)) } > FLASH
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    .text : { *(.text*) *(.rodata*) } > FLASH
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    _sidata = LOADADDR(.data);
14
    .data : {
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        _sdata = .;
16
        *(.data*)
17
        _edata = .;
18
    } > RAM AT > FLASH
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    .bss : {
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        _sbss = .;
22
        *(.bss*) *(COMMON)
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        _ebss = .;
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    } > RAM
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}

#4. 빌드와 flash

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arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m4 -mthumb -nostartfiles \
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    -T stm32f411.ld -o blink.elf startup.c main.c
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arm-none-eabi-objcopy -O binary blink.elf blink.bin
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# ST-Link로 flash
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st-flash write blink.bin 0x08000000
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# 또는 OpenOCD + GDB
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openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f4x.cfg
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arm-none-eabi-gdb blink.elf
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(gdb) target remote :3333
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(gdb) load
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(gdb) monitor reset run

#측정 / 동작 확인

LED가 깜빡이면 다음이 모두 검증된 것입니다.

확인 항목	의미
LED ON/OFF	GPIO 출력 동작
일정 주기	main loop 정상
깜빡임 속도	CPU clock (HSI 16MHz 기준 적당)
깜빡임 안 함	reset·linker·startup 중 어디서 정지

오실로스코프로 PA5를 보면 사각파가 명확히 보입니다. delay(500000)에 nop 1-cycle 기준이면 약 0.06초 주기 (16MHz / 500000 × 2 ≈ 16 Hz)가 나옵니다.

PA5 Output — Square Wave

빠르게 깜빡이면 사람 눈에는 연속 점등으로 보입니다. 그래서 delay를 늘려 1Hz 정도로 맞춥니다.

#자주 보는 함정

⚠️ RCC_AHB1ENR enable을 빼먹음

GPIOA clock이 꺼진 상태에서는 register write 자체가 무시됩니다. 회로 상으로는 핀이 floating이 됩니다.

⚠️ MODER 비트를 OR만 하고 clear를 안 함

reset value가 0이라 처음에는 동작하지만, 재구성할 때 이전 모드 비트가 남아 의도와 다르게 됩니다. 항상 &= ~mask 후 |= value 패턴을 씁니다.

⚠️ Vector table을 잘못된 section에 배치

linker script의 .isr_vector와 startup의 __attribute__((section(".isr_vector")))가 정확히 일치해야 합니다. 안 그러면 0x08000000에 garbage가 들어가고 boot 즉시 HardFault가 납니다.

⚠️ nostartfiles 없이 빌드

-nostartfiles를 빼면 GCC가 libc의 _start를 자동으로 링크하려다 실패합니다. Bare-metal은 항상 -nostartfiles (또는 -nostdlib)를 줍니다.

⚠️ Active-low LED를 active-high로 다룸

Black Pill PC13처럼 active-low인 LED는 ODR = 0이 ON입니다. 보드 schematic을 항상 확인합니다.

#정리

Bare-metal hello-world는 LED toggle입니다. printf보다 훨씬 빠르고 안전한 진단 도구입니다.
최소 구성은 vector table + Reset_Handler + main입니다. CMSIS·HAL 없이도 100줄 안에 끝납니다.
동작하면 toolchain·linker·startup·clock·GPIO가 모두 정상이라는 뜻입니다. 동작 안 하면 역순으로 의심합니다.
보드의 LED 핀과 active-high/low는 schematic 먼저 확인합니다.

다음 편은 레지스터 직접 접근입니다. volatile·MMIO·CMSIS 구조체의 의미를 깊이 들여다봅니다.

#관련 항목

이 글을 참조하는 글 (1)

MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석— Modern Embedded Recipes