ESP32-C3 메모리 맵과 플래시 — SPIFFS·LittleFS 파일시스템 선택

#한 줄 요약

“C3는 400 KB SRAM을 IRAM/DRAM/RTC로 나누어 쓰고, 4 MB 플래시를 파티션 테이블로 영역화합니다.” 파일시스템은 SPIFFS는 레거시, LittleFS가 ESP-IDF 5.x 권장입니다. OTA는 A/B 파티션 + otadata로 구현됩니다.

ESP32-C3에서 메모리 관련 실수는 거의 모든 신규 프로젝트가 겪는 통과의례입니다. “Heap 부족”, “IRAM overflow”, “OTA가 절반에서 멈춤”, “전원 끊으니 NVS가 깨졌다” 같은 증상은 모두 메모리 모델을 모르고 짠 코드에서 나옵니다.

이 장은 어디에 무엇이 살고, 왜 영역이 나뉘어 있고, 언제 어떤 파일시스템을 고르는지를 정리합니다. 마지막에 OTA의 A/B 메커니즘과 NVS의 wear-leveling을 다룹니다.

#메모리 영역 — 한눈에

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주소 공간                    영역              크기      특징
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0x3FC8_0000~0x3FCE_0000     SRAM (DRAM)       384 KB   데이터 (read/write)
3
0x4037_0000~0x4038_0000     SRAM (IRAM)       (overlay) 코드 + ISR
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0x5000_0000~0x5000_2000     RTC SRAM           8 KB     deep-sleep 유지
5
0x4200_0000~0x4280_0000     External flash    4 MB     MMU mapped (XIP)
6
0x3C00_0000~0x3C80_0000     External flash    4 MB     MMU mapped (data)
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0x4000_0000~0x4006_0000     ROM (boot)         384 KB   immutable

SRAM은 물리적으로 한 덩어리지만 bus mapping에 따라 IRAM과 DRAM 두 가지 view로 보입니다. 같은 워드를 IRAM 주소로 읽으면 명령어가 되고 DRAM 주소로 읽으면 데이터가 됩니다.

#IRAM vs DRAM — 왜 나누는가

코어의 명령어 fetch bus와 데이터 access bus가 서로 다른 주소 영역에서 출발하기 때문입니다. 명령어를 IRAM 주소에 두면 fetch가 빠르고, 데이터를 DRAM 주소에 두면 load/store가 빠릅니다. 같은 SRAM이라도 어떤 view로 접근하느냐에 따라 성능과 정렬 제약이 달라집니다.

ISR을 IRAM_ATTR로 표시하는 이유가 여기에 있습니다. flash cache miss 중에도 IRAM에 있는 ISR은 항상 실행 가능합니다.

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#include "esp_attr.h"
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void IRAM_ATTR my_critical_isr(void *arg) {
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    // 이 함수는 IRAM에 배치됨 → flash cache miss 영향 없음
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    *(volatile uint32_t *)0x3FF44004 = 0x1;
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}

#RTC SRAM — sleep 너머의 8 KB

deep-sleep 진입 시 일반 SRAM은 전원이 끊깁니다. RTC SRAM 8 KB만 유지됩니다.

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#include "esp_attr.h"
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RTC_DATA_ATTR static int boot_count = 0;
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void app_main(void) {
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    boot_count++;
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    printf("Boot count: %d\n", boot_count);
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    // deep-sleep 후에도 boot_count 유지
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}

RTC_DATA_ATTR로 표시한 변수는 RTC SRAM에 배치되어 deep-sleep 사이클을 넘어 유지됩니다. 8 KB 한도 안에서 신중히 사용합니다.

#Heap — capabilities-based allocator

ESP-IDF의 heap은 capabilities로 분류됩니다. 그냥 malloc()은 기본 capability로 할당하지만, 특수 영역이 필요할 때는 heap_caps_malloc()을 씁니다.

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#include "esp_heap_caps.h"
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// 일반 DRAM heap (대부분의 경우)
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uint8_t *buf = malloc(1024);
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// DMA 가능한 영역 (페리퍼럴이 직접 접근)
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uint8_t *dma_buf = heap_caps_malloc(1024, MALLOC_CAP_DMA);
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// 32-bit aligned access만 가능한 IRAM heap
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uint32_t *iram_buf = heap_caps_malloc(1024, MALLOC_CAP_32BIT | MALLOC_CAP_EXEC);
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// 8 KB RTC SRAM heap (deep-sleep 유지)
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uint8_t *rtc_buf = heap_caps_malloc(64, MALLOC_CAP_RTCRAM);

힙 상태를 런타임에 확인하는 명령도 유용합니다.

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printf("Free DRAM: %zu\n", heap_caps_get_free_size(MALLOC_CAP_8BIT));
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printf("Free IRAM: %zu\n", heap_caps_get_free_size(MALLOC_CAP_32BIT));
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printf("Largest block: %zu\n", heap_caps_get_largest_free_block(MALLOC_CAP_8BIT));

heap_caps_get_largest_free_block은 fragmentation 진단에 필수입니다. free 총량은 충분한데 큰 연속 블록이 없을 때 malloc(8192)가 실패합니다.

#파티션 테이블

플래시 4 MB는 파티션 테이블로 영역이 정해집니다. CSV 파일로 작성하고 idf.py menuconfig에서 Custom partition table을 선택해 사용합니다.

#기본 OTA 파티션 테이블

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# Name,   Type, SubType, Offset,   Size,    Flags
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nvs,      data, nvs,     0x9000,   0x6000,
3
otadata,  data, ota,     0xf000,   0x2000,
4
phy_init, data, phy,     0x11000,  0x1000,
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factory,  app,  factory, 0x20000,  0x100000,
6
ota_0,    app,  ota_0,   0x120000, 0x180000,
7
ota_1,    app,  ota_1,   0x2A0000, 0x180000,
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spiffs,   data, spiffs,  0x420000, 0x1E0000,

각 행의 의미입니다.

총합이 flash 크기를 넘으면 안 됩니다. 위 예는 약 4 MB에 맞춰져 있습니다.

#menuconfig로 적용

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$ idf.py menuconfig
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# Partition Table → Custom partition table CSV
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# Custom partition CSV file → partitions.csv
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$ idf.py build

빌드 후 플래시는 다음과 같이 진행됩니다.

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$ idf.py partition-table       # 현재 파티션 테이블 보기
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$ idf.py flash                 # 부트로더 + 파티션 + 앱 전체 플래시
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$ idf.py app-flash             # 앱만 다시 플래시 (개발 중 빠른 cycle)

#NVS — 키/값 저장소

NVS(Non-Volatile Storage)는 작은 설정 값을 저장하는 용도입니다. WiFi SSID/비밀번호, RF 캘리브레이션, 시리얼 번호 등이 대표적입니다. 내부적으로 wear-leveling + CRC를 합니다.

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#include "nvs_flash.h"
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#include "nvs.h"
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void save_config(void) {
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    nvs_handle_t handle;
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    ESP_ERROR_CHECK(nvs_open("storage", NVS_READWRITE, &handle));
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    ESP_ERROR_CHECK(nvs_set_str(handle, "ssid", "MyRouter"));
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    ESP_ERROR_CHECK(nvs_set_i32(handle, "boot_count", 42));
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    ESP_ERROR_CHECK(nvs_commit(handle));
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    nvs_close(handle);
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}
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void load_config(void) {
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    nvs_handle_t handle;
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    if (nvs_open("storage", NVS_READONLY, &handle) != ESP_OK) {
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        return;
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    }
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    char ssid[33] = {0};
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    size_t len = sizeof(ssid);
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    nvs_get_str(handle, "ssid", ssid, &len);
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    int32_t boot_count = 0;
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    nvs_get_i32(handle, "boot_count", &boot_count);
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    nvs_close(handle);
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}

NVS의 한계입니다.

• key 최대 15 chars
• value 최대 4000 bytes
• 전체 파티션 크기 안에서 한정
• binary blob도 지원 (nvs_set_blob)

대용량 데이터는 NVS가 아니라 파일시스템으로 가야 합니다.

#SPIFFS vs LittleFS

ESP-IDF는 두 가지 임베디드 파일시스템을 지원합니다.

새 프로젝트는 LittleFS를 권장합니다. SPIFFS는 기존 코드 유지가 필요할 때만 씁니다.

#LittleFS 사용 예

menuconfig에서 LittleFS component를 활성화하고 파티션 테이블에 littlefs subtype을 더합니다.

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storage,  data, littlefs, 0x420000, 0x1E0000,

코드는 다음과 같습니다.

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#include "esp_littlefs.h"
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esp_vfs_littlefs_conf_t conf = {
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    .base_path = "/littlefs",
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    .partition_label = "storage",
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    .format_if_mount_failed = true,
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    .dont_mount = false,
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};
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void mount_lfs(void) {
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    ESP_ERROR_CHECK(esp_vfs_littlefs_register(&conf));
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    size_t total = 0, used = 0;
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    esp_littlefs_info(conf.partition_label, &total, &used);
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    printf("LittleFS: %u / %u bytes used\n", used, total);
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}
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void write_log(const char *line) {
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    FILE *f = fopen("/littlefs/log.txt", "a");
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    if (f) {
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        fprintf(f, "%s\n", line);
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        fclose(f);
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    }
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}

POSIX fopen/fread/fwrite/fclose로 그대로 동작합니다. ESP-IDF의 VFS layer가 path를 분기합니다.

#OTA — A/B 파티션 메커니즘

OTA(Over-The-Air) 업데이트는 현재 안 쓰는 ota 파티션에 새 이미지를 받고, otadata에 부트 인디케이터를 갱신하는 방식입니다.

#부트 흐름

부팅 후 firmware가 정상 동작 확인되면 valid mark를 합니다. valid가 안 찍힌 채 재부팅되면 otadata가 자동으로 이전 파티션으로 롤백합니다.

#OTA 코드 예 (HTTPS download)

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#include "esp_https_ota.h"
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#include "esp_ota_ops.h"
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void do_ota(const char *url) {
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    esp_http_client_config_t http_cfg = {
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        .url = url,
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        .cert_pem = (char *)server_cert_pem_start,
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    };
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    esp_https_ota_config_t ota_cfg = {
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        .http_config = &http_cfg,
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    };
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    esp_err_t err = esp_https_ota(&ota_cfg);
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    if (err == ESP_OK) {
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        printf("OTA OK, rebooting\n");
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        esp_restart();
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    } else {
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        printf("OTA failed: %s\n", esp_err_to_name(err));
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    }
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}

esp_https_ota는 내부적으로 다음을 수행합니다.

1. esp_ota_get_next_update_partition()로 빈 슬롯 선택
2. HTTPS GET으로 이미지 다운로드
3. flash에 쓰기 (page 단위)
4. SHA-256 검증
5. esp_ota_set_boot_partition()으로 otadata 갱신

#Rollback

새 firmware가 처음 부트 후 N초 안에 valid mark를 하지 않으면 자동 롤백입니다.

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#include "esp_ota_ops.h"
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void app_main(void) {
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    // ... 정상 동작 확인 후
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    esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback();
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}

이 호출이 없으면 다음 부팅 시 이전 파티션으로 돌아갑니다. 깨진 OTA가 brick이 되지 않게 막는 safeguard입니다.

#자주 하는 실수

#”IRAM overflow”

IRAM_ATTR을 너무 많이 붙이면 IRAM이 터집니다. 정말 cache miss 중에도 실행되어야 하는 코드만 IRAM에 둡니다. 일반 hot path는 flash cache로 충분합니다.

#”Heap 단편화로 큰 할당이 실패”

총 free는 100 KB인데 malloc(8192)가 실패하면 fragmentation입니다. heap_caps_get_largest_free_block로 확인하고, *큰 버퍼는 부팅 직후 한 번만 할당해 두는 패턴이 안전합니다.

#”NVS가 가득 차서 새 키가 안 들어간다”

NVS 파티션이 작으면 binary blob 몇 개만 넣어도 차버립니다. 키 삭제 후 commit해도 공간이 즉시 회수되지 않습니다. wear-leveling 사이클 후에 재사용됩니다. 큰 데이터는 LittleFS로.

#”OTA 다운로드는 됐는데 부팅이 안 된다”

이미지 검증은 flash 쓰기 후에 SHA-256을 다시 읽어 확인합니다. flash chip이 다르면 페이지 크기 가정이 깨질 수 있고, 전원이 약하면 쓰기 중에 비트가 흔들립니다. idf.py monitor에서 부트로더 로그가 invalid checksum이라고 외칩니다.

#”deep-sleep에서 깨면 변수가 0이다”

RTC_DATA_ATTR을 안 붙인 변수는 모두 사라집니다. 부팅 카운터, 마지막 센서 값, 정전 시점 등은 RTC 영역에 두어야 합니다.

#”SPIFFS가 마운트 자체가 안 된다”

전원 끊김 후 자주 발생합니다. SPIFFS의 알려진 약점입니다. format_if_mount_failed = true로 최후의 수단을 두지만, 데이터를 잃습니다. LittleFS로 옮기는 것이 근본 해결입니다.

#정리

• C3의 SRAM은 400 KB이며 *IRAM(코드)·DRAM(데이터)·RTC SRAM(8 KB, deep-sleep 유지)*으로 view가 나뉩니다.
• Heap은 capabilities 기반으로 MALLOC_CAP_DMA·MALLOC_CAP_32BIT·MALLOC_CAP_RTCRAM 같은 플래그로 영역을 지정합니다.
• 4 MB 플래시는 파티션 테이블 CSV로 나뉘며, OTA 사용 시 nvs/otadata/phy_init/factory/ota_0/ota_1/spiffs 7개가 표준입니다.
• NVS는 작은 키/값 저장용(WiFi 자격 증명, 캘리브레이션), 대용량은 LittleFS를 씁니다.
• ESP-IDF 5.x는 LittleFS를 권장하며 SPIFFS는 power-fail 취약성 때문에 신규 프로젝트에서 회피합니다.
• OTA는 A/B 파티션 + otadata로 동작하고, valid mark 호출이 없으면 자동 롤백되어 brick을 막습니다.
• IRAM은 희소 자원이므로 IRAM_ATTR은 진짜 cache-miss-critical에만 붙이고 일반 코드는 flash cache에 둡니다.

#다음 장 예고

다음 편은 Ch 4: GPIO·LEDC·MCPWM — 디지털 출력의 세 모드입니다. 22개 GPIO가 GPIO Matrix를 통해 어떻게 페리퍼럴과 연결되는지, LEDC와 MCPWM이 무엇이 다른지 풀어봅니다.

#관련 항목

• Ch 2: RISC-V 코어 — RV32IMC + PMP + 인터럽트 컨트롤러
• Ch 4: GPIO·LEDC·MCPWM — 디지털 출력의 세 모드
• Ch 9: RTC·저전력 — RTC SRAM 활용 패턴
• Ch 11: 보안·Secure Boot — flash encryption
• Modern Embedded Recipes Part 6.3: OTA 전략
• Practical RTOS Internals Part 3.2: Heap fragmentation
• 원문 — ESP-IDF Partition Tables
• 원문 — LittleFS Design