1. 펌웨어 설계, 구현 및 테스팅 하기

1.1 파일 포맷과 빌드 도구

1. ELF 포맷

1) ELF

- Executable and Linkable Format의 약어로 실행파일, Object 파일 Shared 라이브러리 파일과 Core Dump 파일 구조를 정의하고 있는 표준 형식

 

2) ELF 포맷 구조

- ELF Header, Program Header Table, Section Header Table로 구분 할 수 있다.

① ELF Header : 전체 파일 구조 정보를 포함하는 Road Map 같은 역할

② Program Header Table : 실행을 위해 메모리에 재배치되기 위한 정보. 세그먼트 단위로 정의됨

③ Section Header Table : 섹션에 대한 정보를 포함. 섹션 정보를 Linking시 활용

 

※ 세그먼트 : Section들의 집합. 데이터의 용도에 따른 논리적인 구분 단위

 

- .text, .rodata, .data 등을 Section 이라고 한다.

ㄴ .text : 코드 영역

ㄴ .data : 초기화된 전역변수

ㄴ .rodata : 읽기 전용 전역변수

ㄴ .bss : 초기화되지 않은 전역변수

 

2. Binutils

1) Binutils : 바이너리 관련 도구를 모아놓은 GNU 유틸리티 패키지

2) Binutils 대표 도구

- ld : GNU Linker

- as : GNU assembler

- nm : 오브젝트 파일의 심볼 출력

- objdump : 오브젝트 파일의 정보 출력

- readelf : elf 파일에 대한 내용 출력

- strip : 오브젝트 파일의 심볼 제거

 

1.2 스타트업 코드

1. 스타트업 코드

1) 스타트업 코드

- 하드웨어에 전원이 인가되고 처음 실행되는 코드

- 하드웨어 검사 및 초기화, 메모리 초기화 및 부트로더 로딩, 실행 점프 기능 수행하는 코드

- Boot code, bootstrap, BIOS라고 부르기도 한다.

 

2) 스타트업 코드의 동작 순서

① PowerOn Self Test 수행

② 인터럽트 벡터 테이블 셋업

③ 모든 인터럽트 실행 차단

④ 장치 초기화 (GPIO, SDRAM, Clock, Watch-dog 등)

⑤ 메모리 영역 초기화 (Stack, BSS 등)

⑥ 부트로더 SDRAM으로 복사

⑦ 부트로더 실행으로 점프

 

1.3 칩 셀렉트와 메모리 초기화

1. 메모리 시스템 설계

1) 메모리 시스템 설계

- 임베디드 시스템은 특수 목적으로 설계되는 관계로 다양한 구조로 설계 된다

- RAM, ROM 크기가 설계 단계에서는 유동적인 변수이다.

ㄴ ROM은 부팅시 RAM으로 로딩되는 프로그램 코드가 저장되는 공간으로 최근에는 Flash Memory가 사용되고 있다

ㄴ 대부분의 시스템은 ROM 영역의 0번 주소부터 코드를 읽어 동작하도록 구성되는데 리셋 벡터의 주소가 이에 해당한다.

 

2) 메모리 시스템 설계 과정

① RAM, ROM, I/O Device의 필요 조건 및 크기, 칩의 수 결정

② 메모리 맵 작성

③ 어드레스 디코딩 로직 작성

④ 칩 셀렉트 로직 설계

⑤ 메모리 테이블 작성 및 버스 접속 설계

 

2. 메모리 초기화 과정

① 메모리 제어기 초기화

② ROM의 Data(RO, RW)를 RAM에 복사

③ ZI 영역을 생성하고, 0으로 초기화

④ Stack 영역 생성

⑤ Heap영역 생성

⑥ main 함수 호출

 

1.4 OS 부팅

1. OS 부팅

1) OS 부팅 과정

① 시스템 전원이 인가되면 가장 먼저 Reset Vector 값이 PC에 옮겨지는 것으로 부팅 시작된다. 이 위치는 ROM이나 Flash Memory 칩 첫 번쨰 주소부터 저장된다. 해당 주소에는 Startup 코드가 저장되어 있다.

② Start-Up code는 POST (Power On Self Test) 과정을 수행하고, 초기화 작업을 수행한다.

③ Start-Up code는 부트 디스크의 MBR을 찾아서 RAM으로 부트로더를 로딩한다. 부트 디스크는 첫 번째 섹터의 마지막 2Byte 값이 0xAA, 0x55 값으로 저장되어 있어야 한다. (X86 시스템은 0x55, 0xAA이다)

④ 부트로더를 실행한다.

⑤ 커널을 로딩하고 커널 압축을 해제한다.

⑥ 커널을 실행하고 OS 파일 시스템을 구성한다.

⑦ OS 프로세스 구동한다.

 

 

2. 리눅스 커널 초기화 과정

① SVC 모드 전환 및 인터럽트 중지

- 커널 시작되면 프로세스 초기 동작 모드는 SVC 모드이다.

- 인터럽트가 동작하지 않도록 레지스터를 설정한다.

② 메모리 관련 초기화 

- 페이지 테이블 설정, MMU, Cache에 대한 설정 과정이 진행됨

- 스택과 BSS 영역 초기화 실행

③ 커널 서비스 초기화

- init/main.c 존재하는 start_kernel 함수가 호출되면서 커널 서비스 초기화
- 배너 출력, 트랩 초기화, 인터럽트 초기화 등 수행

- 모든 단계 완료되면 인터럽트 Enable

④ 시그널 및 IPC 초기화

- 시그널 동작을 위한 슬랩 캐시 생성

- IPC (세마포어, 메시지 큐, 공유 메모리) 초기화 수행

⑤ 입출력 장치 초기화
- 입출력 버스, 소켓, 장치 드라이버 초기화

⑥ RAMDISK 로딩 및 파일 시스템 마운팅

- RAMDISK 로딩, 루트 파일 시스템 마운트, 디바이스 파일 시스템 마운트

⑦ Init 프로세스 실행

- 데몬 및 각종 서비스 제공을 위한 init 프로세스 구동

 

1.5 초기 RAM Disk

1. 초기 RAM Disk

1) 초기 RAM Disk

- OS 부팅에 필요한 최소 구성요소를 속도가 빠른 RAM에 적재하여 사용하기 위해서 만들어진 방식

- BIOS는 IDE 장치만 인식이 가능하여 SCSI 장치는 인식이 되지 않아 부트 디스크로 사용할 수 없음의 이유로 사용됨

 

2) 초기 RAM Disk (Initrd) 수행 과정

① 부트로더가 커널과 초기 RAM Disk 이미지를 로드

② 커널이 메모리에 RAM Disk를 만들고 initrd 이미지의 압축을 풀어놓음

③ RAM Disk를 루트 파일 시스템으로 마운트

④ 추가 드라이버 로드 또는 구동 스크립트 등 실행

⑤ 실제 디스크를 루트 파일 시스템으로 마운트 및 Initrd 파일 시스템 제거

 

3) 초기 RAM Disk (Initrd) 파일 제작 과정

① dd if=/dev/zero of=ramdisk_image.img count=4096 bs 1024

ㄴ ramdisk_image.img 파일을 /dev/zero로 가득 채워 4Mbyte(4096 * 1024) 크기로 생성

② mkfs -t ext2 ramdisk_image.img

ㄴ 생성된 ramdisk_image.img 파일을 Ext2 파일 시스템으로 포맷

③ mount -t ext2 -o loop /RAM_DISK ramdisk_image.img

ㄴ ramdisk_image.img 파일을 /RAM_DISK 디렉토리에 마운트

※ loop device : 가상의 블록 디바이스

④ 필요한 파일 복사

⑤ umount /RAM_DISK

⑥ bootloader에 해당 파일 전송

 

1.6 플래시 메모리

1. MTD (Memory Technology Device)

- Flash Memory와 같은 메모리 장치를 동일한 방식으로 사용하기 위해서 추상적인 계층을 제공

- 하드웨어 장치와 VFS (Virtual File System) 사이에 표준 인터페이스를 제공

 

1.7 전원 관리

1. 전력 사용 모드의 종류

- 최대 절전 모드 : RAM 데이터를 비활성 저장소에 복사하고 모든 전력 사용 중단

- 일시 중단 모드 : RAM을 제외한 모든 하드웨어 전원 차단. 메모리의 refresh 전력만을 공급

 

2. 운영체제의 전원 관리

1) 운영체제의 전원 관리

- 시스템이 유휴 상태일 때 운영체제는 전원관리 프레임워크를 통해 시스템을 저전력 작동 모드로 전환하여 전력 소모를 줄임

- 주변 기기의 전력 상태, 시스템 전원 상태 등을 운영체제가 제어하여 전력을 끄거나 stanby 또는 sleep 상태로 전환

 

2) 전원 관리 응용 프로그램

① APM

- Advanced Power Management의 약어로 인텔과 마이크로 소프트가 컴퓨터의 전력 소모를 줄이기 위해 만든 BIOS와 응용 프로그램 간 인터페이스를 제공하는 장치이다.

- BIOS를 기반으로 동작하도록 설계되어, BIOS 의존적인 동작을 한다.

- 하드웨어적인 I/O만을 부하로 판단하기 때문에 계산 위주의 프로그램 혹은 동영상 재생과 같은 작업이 지속되는 경우 절전모드가 동작하는 문제가 있다.

 

② ACPI

- Advanced Configuration and Power Interface의 약어로 HP, Intel, Microsoft, 피닉스, 도시바가 개발하고 1996년 12월에 처음 공개된 open 표준으로 하드웨어 감지, 메인보드 및 장치 구성, 전원 관리를 담당하는 일반적인 인터페이스를 정의 하는 규격

- 운영체제를 통한 전원 관리 인터페이스를 제공함

- 별도의 전원 관리 디바이스 드라이버를 지원하지 않는 응용 프로그램도 전원 관리가 가능하게 되었다.

 

3. 디바이스 드라이버의 전원 관리

1) 디바이스 드라이버의 전원 관리

- 장치를 ON/OFF 하거나 Standby/Sleep 상태로 전환

- 디바이스 상태를 모니터링하여 클럭 주파수를 조정

 

2) 전원 관리 기술

- DVFS

ㄴ Dynamic Voltage and Frequency Scailing의 약어로 하드웨어 동작 클럭 주파수와 전압을 부하 정도에 따라 조절하여 절전 기능을 제공하는 기술

ㄴ 하드웨어에 부하가 없으면 Idle 모드나 Sleep 모드로 진입하여 전력 소비량을 최소화 할 수 있다.

 

 

# References

- https://ko.wikipedia.org/wiki/ELF_%ED%8C%8C%EC%9D%BC_%ED%98%95%EC%8B%9D

- https://www.golinuxcloud.com/linux-boot-process-explained-step-detail/

- https://www.linuxjournal.com/magazine/flash-filesystems-embedded-linux-systems