임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection

#한 줄 요약

“Flash가 모자라면 -Os + LTO + section gc 세 옵션이 1차 답입니다.” 그 다음은 libc 교체와 printf 변경입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

64 KB MCU에 기능을 자꾸 추가하다 보면 link error로 “region FLASH overflowed by 1.2K”가 나옵니다. 새 MCU로 옮기기 전에 컴파일 옵션과 link option, libc 선택만으로 30~50%를 줄일 수 있습니다.

또 한 가지 흔한 상황은 secure boot의 image 크기 제한입니다. signed image의 max size가 정해진 환경에서는 코드 줄이기가 필수입니다.

#핵심 개념

각 단계가 누적적으로 효과를 냅니다.

효과 (참고):

#코드 / 실제 사용 예

#-Os (크기 최적화)

1
arm-none-eabi-gcc -Os main.c -o main.o
2
# -O0 디버깅용
3
# -O1 가벼운 최적화
4
# -O2 일반 성능
5
# -Os 크기 우선
6
# -O3 공격적 inline (크기 크게 증가)

-Os는 -O2에서 코드 크기를 늘리는 최적화를 제외한 변종입니다. embedded에서 기본 선택입니다.

#Function/data sections + GC

1
arm-none-eabi-gcc -Os -ffunction-sections -fdata-sections \
2
    -Wl,--gc-sections main.c -o main.elf

-ffunction-sections는 각 함수를 별도 section에 두고, --gc-sections는 참조 없는 section을 link 시 제거합니다. 사용 안 한 함수의 코드가 0 byte가 됩니다.

#LTO (Link-Time Optimization)

1
arm-none-eabi-gcc -Os -flto -c file1.c
2
arm-none-eabi-gcc -Os -flto -o main.elf file1.o file2.o

LTO는 link 시 모든 object file을 함께 보고 inline, dead code elimination, constant propagation을 합니다. 빌드 시간이 늘지만 크기가 5~15% 더 줄어듭니다.

#strip

1
arm-none-eabi-strip --strip-unneeded firmware.elf
2
arm-none-eabi-strip --strip-debug firmware.elf

ELF에서 debug symbol과 사용 안 된 symbol을 제거합니다. flash에 올릴 binary 크기에는 영향이 없지만(.text만 flash로) elf 파일 자체가 작아져 transfer가 빠릅니다.

#Newlib-nano

1
arm-none-eabi-gcc --specs=nano.specs main.c

nano.specs는 standard newlib 대신 newlib-nano를 link합니다. floating-point printf, wide char 같은 무거운 기능이 제거되어 libc 크기가 절반 이하가 됩니다.

1
대표 절약 (ARM Cortex-M4)
2
newlib              ~80 KB
3
newlib-nano         ~20 KB

#printf 대안

1
# integer 전용 (float 제외)
2
arm-none-eabi-gcc -Os -u _printf_float main.c
3
# (float을 *제외*하면 약 5 KB 절약)
4

5
# tinyprintf 같은 minimal 구현
6
#include "tinyprintf.h"
7
init_printf(NULL, my_putchar);
8
tfp_printf("hello %d\n", 42);

printf family는 embedded에서 가장 큰 단일 함수군입니다. %f를 안 쓴다면 float 지원을 빼는 것만으로 4~5 KB가 줄어듭니다.

#Compiler 옵션 추가 정리

1
# 공통 권장
2
arm-none-eabi-gcc \
3
    -Os \
4
    -ffunction-sections -fdata-sections \
5
    -fno-common \
6
    -fno-unwind-tables \
7
    -fno-asynchronous-unwind-tables \
8
    -fno-builtin \
9
    -flto \
10
    --specs=nano.specs \
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    -Wl,--gc-sections \
12
    -Wl,--print-memory-usage \
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    -o firmware.elf

-fno-unwind-tables는 exception unwinding 정보(.eh_frame)를 제거합니다. C 코드라면 안전합니다.

#Size 분석 도구

1
arm-none-eabi-size firmware.elf
2
#    text    data     bss     dec
3
#   32104     208    8192   40504
4

5
arm-none-eabi-nm --size-sort firmware.elf | tail -20
6
# 가장 큰 symbol 20개
7

8
# bloaty (Google) — 가장 직관적
9
bloaty firmware.elf
10
# FILE SIZE        VM SIZE
11
# 100%  32K   100%  32K  TOTAL
12
#  35% 11.2K   35% 11.2K  .text
13
#  25%  8.0K   25%  8.0K  printf family
14
#  ...

bloaty는 어느 함수, 어느 file이 얼마나 차지하는지 즉시 보여줍니다.

#Section을 직접 정리

1
/* 자주 호출되는 함수 → .ramfunc로 옮겨 RAM에서 실행 (flash wait state 제거) */
2
__attribute__((section(".ramfunc")))
3
void hot_function(void) { ... }
4

5
/* 한 번만 부르는 init 코드 → .init_text로 옮겨 부팅 후 제거 가능 */
6
__attribute__((section(".init_text"), used))
7
void board_init(void) { ... }

linker script와 section attribute를 조합해 code/data 배치를 직접 제어할 수 있습니다.

#Inline 정책

1
/* 작은 함수는 inline */
2
static inline int max(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
3

4
/* 큰 함수는 inline 금지 (`-Os`는 보통 자동 처리) */
5
__attribute__((noinline)) void big_func(void) { ... }

-Os는 inline에 보수적이지만, hot path는 static inline으로 명시하고 cold path는 noinline으로 강제합니다.

#측정 / 성능 비교

1
단계별 적용 (Cortex-M4 사례, 시작 binary 48 KB)
2
원본 -O2                                    48.0 KB
3
-Os                                         42.1 KB
4
-Os -ffunction-sections -Wl,--gc-sections   36.4 KB
5
+ -flto                                     33.2 KB
6
+ newlib-nano                               24.8 KB
7
+ printf-tiny                               19.5 KB

다섯 옵션의 합성 효과로 60%까지 줄어들 수 있습니다.

1
빌드 시간 비교
2
-Os                  baseline
3
+ -flto              + 30~80% (link 단계가 김)

LTO의 비용은 link 시간뿐, runtime에는 오히려 더 빠른 경우도 많습니다.

#자주 보는 함정

-O0 디버깅 빌드로 양산

1
gcc -O0 main.c       # 2~3배 큰 binary, 2~5배 느림

디버깅 빌드를 양산에 올리는 사고는 가끔 발생합니다. 빌드 system에서 -O0을 차단합니다.

--gc-sections 없이 -ffunction-sections

1
gcc -ffunction-sections main.c -o main.elf    # 효과 없음

두 옵션은 쌍입니다. linker에 -Wl,--gc-sections가 함께 있어야 dead section이 제거됩니다.

LTO와 호환 안 되는 코드

1
__asm__ __volatile__ ("..." : : "r"(x));   /* LTO가 변수 제거 시 */

inline asm이나 weak symbol을 쓰는 코드는 LTO와 충돌할 수 있습니다. __attribute__((used))로 keep을 강제합니다.

Newlib-nano의 float 제거 무시

1
printf("%.2f\n", 3.14);    /* %f 안 보임 → 빈 출력 또는 link error */

float 지원을 별도 link option(-u _printf_float)으로 켜야 합니다. integer 출력만 한다면 기본 nano로 충분합니다.

Inline 남용

1
inline void log_line(const char *s) { /* 50 줄 */ }

큰 함수를 inline하면 호출 site마다 코드가 복제되어 크기가 증가합니다. cold 함수는 inline 금지가 답입니다.

#정리

• -Os, -ffunction-sections + --gc-sections, -flto 세 옵션이 1차 답입니다.
• newlib-nano는 libc 크기를 절반 이하로 줄입니다.
• printf의 float 지원 제거만으로 4~5 KB가 줄어듭니다.
• bloaty로 어느 symbol이 큰지 즉시 확인합니다.
• inline 정책은 small hot은 inline, big cold는 noinline이 표준입니다.
• LTO는 빌드 시간이 늘지만 runtime이 더 빠른 경우도 많습니다.
• 디버깅 빌드(-O0)는 양산 차단합니다.

다음 편은 전력 최적화입니다. Sleep, peripheral clock gating, DVFS를 다룹니다.

#관련 항목

• 8-09: 스택 분석
• 8-11: 전력 최적화
• ECPP 1-04: Code Size Analysis
• ECPP 2-07: Templates Cost