[MCU] 펌웨어 인터페이스 및 디버거 정리

1. 인터페이스 (USB, JTAG, SWD, ISP)

펌웨어 인터페이스는 프로그램을 빌드후 펌웨어를 업로드하거나 업로드 후 실시간 코드 실행을 통해서 디버깅을 하는데 사용되는 인터페이스 프로토콜을 말한다.

펌웨어 업로드만 되거나 디버깅이 함께 가능한 인터페이스로 나뉘는데 이를 비교한다.

 

주요 비교는 JTAG 와 SWD가 있는데, 소프트웨어 디버깅만을 위해서는 SWD가 가격적으로다 핀수로나 가장 합리적인 선택이 된다. 다만, Boundary Scan 등의 하드웨어 디버깅이 필요한 경우에만 JTAG를 사용하도록 한다.

 

좀 더 자세한 내용은 접은글을 확인.

DFU (Device Firmware Upgrade)

정의:

• DFU는 USB 인터페이스를 통해 장치의 펌웨어를 업그레이드할 수 있는 표준화된 프로토콜입니다.

주요 기능:

• USB를 통한 펌웨어 업로드 및 업데이트.
• 소프트웨어만으로 펌웨어 업데이트 가능.
• 장치를 부트로더 모드로 전환하여 새로운 펌웨어 설치.

주요 용도:

• 소비자 제품 및 IoT 장치의 펌웨어 업데이트.

장점:

• 추가 하드웨어가 필요 없음.
• 사용하기 간편함.

단점:

• 디버깅 기능이 없음.

JTAG (Joint Test Action Group)

정의:

• JTAG는 IEEE 1149.1 표준에 정의된 디버깅 및 테스트 인터페이스로, 다양한 마이크로컨트롤러와 프로세서에서 사용됩니다.

주요 기능:

• 여러 핀(TDI, TDO, TCK, TMS, TRST)을 사용하여 디버깅 및 프로그래밍.
• 고급 디버깅 및 테스트 기능 제공.
• Boundary Scan을 통해 하드웨어 테스트 및 검증.

주요 용도:

• 복잡한 시스템의 디버깅 및 프로그래밍.
• 하드웨어 테스트 및 검증.

장점:

• 강력한 디버깅 및 하드웨어 테스트 기능.
• 보드 및 칩의 연결 상태를 검사할 수 있는 Boundary Scan 기능 제공.

단점:

• 많은 핀이 필요하여 배선이 복잡함.
• 설치 및 설정이 복잡할 수 있음.

SWD (Single Wire Debug)

정의:

• SWD는 ARM Cortex-M 시리즈 마이크로컨트롤러에서 사용되는 디버깅 및 프로그래밍 인터페이스입니다.

주요 기능:

• SWDIO와 SWCLK 두 개의 핀을 사용하여 디버깅 및 프로그래밍.
• 실시간 디버깅 기능 (브레이크포인트, 스텝 실행 등).

주요 용도:

• ARM Cortex-M 시리즈 마이크로컨트롤러의 디버깅 및 프로그래밍.

장점:

• 적은 핀 수로 간단한 배선.
• 고속 데이터 전송 및 효율적인 디버깅.

단점:

• Boundary Scan과 같은 고급 하드웨어 테스트 기능이 없음.

AVR ISP (In-System Programming)

정의:

• AVR ISP는 Atmel(현재 Microchip) AVR 마이크로컨트롤러의 펌웨어를 프로그래밍하는 표준 인터페이스입니다.

주요 기능:

• 펌웨어 업로드.
• 플래시 메모리 프로그래밍.
• 퓨즈 비트 설정.

주요 용도:

• AVR 마이크로컨트롤러의 펌웨어 업로드 및 업데이트.

장점:

• 간단하고 저렴한 솔루션.
• 시스템 내 프로그래밍 가능 (시스템을 분리하지 않고 프로그래밍 가능).

단점:

• 디버깅 기능이 없음.
• 주로 AVR 마이크로컨트롤러에만 사용됨.

Boundary Scan ??

Boundary Scan을 통한 회로 디버깅 기능

1. 핀 수준 테스트:
   • 각 핀의 상태를 개별적으로 제어하고 모니터링할 수 있습니다. 이를 통해 특정 핀의 연결 상태(예: 단락, 개방)를 확인할 수 있습니다.
2. 회로 경로 검사:
   • 특정 입력 핀에 신호를 주입하고 출력 핀에서 해당 신호를 읽어 회로 경로를 확인할 수 있습니다. 이를 통해 배선 오류를 탐지할 수 있습니다.
3. 디지털 신호 상태 검사:
   • 보드상의 모든 디지털 신호의 상태를 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 논리 레벨(High 또는 Low)을 모니터링할 수 있습니다.
4. 연결 무결성 검사:
   • IC와 다른 회로 요소 간의 연결 상태를 검사하여, 불량 납땜이나 배선 문제를 진단할 수 있습니다.
5. 실시간 모니터링 및 디버깅:
   • 실시간으로 신호를 모니터링하고, 브레이크포인트를 설정하여 특정 조건에서 회로의 동작을 멈추고 상태를 확인할 수 있습니다.
6. 회로 내부 테스트:
   • 내부 레지스터 및 메모리에 접근하여 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다. 이를 통해 칩 내부의 상태를 디버깅할 수 있습니다.
7. 자동화된 테스트 시퀀스:
   • 테스트 스크립트를 작성하여 자동으로 다양한 테스트 시퀀스를 실행할 수 있습니다. 이를 통해 반복적이고 일관된 테스트를 수행할 수 있습니다.

디버깅 과정 예시

1. 설정:
   • Boundary Scan 도구를 사용하여 JTAG 인터페이스를 통해 회로 보드에 연결합니다.
2. 테스트 벡터 생성:
   • 검사할 회로의 특정 테스트 벡터를 생성합니다. 예를 들어, 특정 핀에 논리 High 신호를 입력하고 다른 핀에서 그 신호를 모니터링합니다.
3. 실행:
   • 테스트 벡터를 실행하여 회로의 상태를 검사합니다. 테스트 결과는 Boundary Scan 도구에서 실시간으로 확인할 수 있습니다.
4. 결과 분석:
   • 테스트 결과를 분석하여 회로의 문제점을 식별합니다. 예를 들어, 특정 핀이 예상된 상태와 다른 경우, 해당 핀의 연결 상태를 확인합니다.
5. 수정 및 재검사:
   • 문제를 수정한 후, 동일한 테스트 벡터를 사용하여 다시 검사를 수행합니다.

주요 Boundary Scan 디버깅 도구

1. XJTAG:
   • 강력한 디버깅 및 테스트 스크립트 기능을 제공하여, 복잡한 회로의 디버깅을 지원합니다.
2. JTAG Technologies:
   • 다양한 디버깅 기능과 테스트 자동화 도구를 제공하여, 신속한 회로 검증 및 문제 해결을 돕습니다.
3. Goepel Electronic:
   • 실시간 모니터링 및 디버깅 도구를 통해 회로 상태를 정밀하게 분석할 수 있습니다.
4. ASSET InterTech ScanWorks:
   • 확장 가능한 테스트 플랫폼으로, 복잡한 시스템의 다양한 디버깅 요구를 충족합니다.
5. Teradyne Boundary Scan Solutions:
   • 고속 디버깅 및 테스트 기능을 제공하여, 대규모 생산 환경에서도 효율적인 회로 검증을 지원합니다.

요약

Boundary Scan을 통해 회로 디버깅이 가능합니다. 이 기술은 JTAG 인터페이스를 통해 회로의 핀, 신호 경로, 디지털 상태 등을 실시간으로 검사하고 제어할 수 있으며, 다양한 하드웨어 문제를 신속하게 진단하고 해결할 수 있습니다. Boundary Scan 디버깅 도구는 복잡한 회로의 검증과 문제 해결에 있어 매우 유용한 도구입니다.

 

2. 부트로더 DFU

부트로더는 마이크로컨트롤러가 부팅될 때 가장 먼저 실행되는 프로그램이다. 부트로더는 펌웨어를 업그레이드할 수 있는 모드를 제공하며, DFU 모드로 전환할 수 있다.

 

부트로더 DFU의 의미

"부트로더 DFU"라는 용어는 부트로더가 DFU 프로토콜을 사용하여 펌웨어를 업그레이드할 수 있음을 의미하고, 부트로더가 DFU 모드를 지원하면, 다음과 같은 작업을 수행할 수 있다:

1. DFU 모드로 부팅: 마이크로컨트롤러가 DFU 모드로 부팅되어 USB를 통해 펌웨어 업그레이드를 기다린다.
2. 펌웨어 업로드: DFU 프로토콜을 사용하여 USB를 통해 새로운 펌웨어를 업로드한다.
3. 펌웨어 플래싱: 업로드된 펌웨어를 마이크로컨트롤러의 플래시 메모리에 기록한다.

부트로더의 주요 기능 

 

• DFU (Device Firmware Upgrade) 지원:
  • 부트로더는 DFU 모드를 통해 USB를 통해 펌웨어를 업로드할 수 있도록 합니다. 이를 통해 사용자는 별도의 프로그래머 없이도 펌웨어를 쉽게 업그레이드할 수 있습니다.
• USB 인터페이스:
  • 부트로더는 USB 인터페이스를 통해 컴퓨터와 연결됩니다. 이를 통해 펌웨어를 업로드하거나 시스템 설정을 변경할 수 있습니다.
• 시스템 초기화 및 셋업:
  • 부트로더는 시스템을 초기화하고 기본 설정을 로드하여 마이크로컨트롤러가 올바르게 작동할 수 있도록 합니다.
• 펌웨어 무결성 검증:
  • 부트로더는 업로드된 펌웨어의 무결성을 검증하여 손상된 펌웨어가 플래시 메모리에 기록되지 않도록 합니다.
• 안전 모드 진입:
  • 특정 조건에서 안전 모드로 진입하여 부트로더가 펌웨어를 재업로드하거나 복구할 수 있도록 합니다.
• 크로스 플랫폼 지원:
  • Windows, macOS, Linux 등 다양한 운영체제에서 펌웨어 업그레이드가 가능하도록 지원합니다.
• LED 인디케이터:
  • 부트로더는 LED를 통해 현재 상태를 표시합니다. 예를 들어, 펌웨어 업로드 중에는 LED가 깜빡일 수 있습니다.

 

3. 디버거 (JLink, STLink)

디버거는 JTAG, SWD 인터페이스를 사용하여 프로그램의 디버깅을 수행 할 수 있도록 하는 장치인데, 대표적으로 J-Link, ST-Link 가 있다.

ST-Link 의 경우에는 STM 디스커버리 개발보드에 함께 내장되어 있는 경우가 있어서 그냥 디버깅이 되는 반면에 별도의 디버거가 없는 보드의 경우에는 외장 디버거가 필요한 것이다. 이때 보드가 어떤 디버깅 인터페이스를 제공하는지를 확인해서 맞는 디버거를 사용한다.

 

1. DFU (Device Firmware Upgrade)

정의:

• DFU는 USB 인터페이스를 통해 장치의 펌웨어를 업그레이드할 수 있는 표준화된 프로토콜입니다.

주요 기능:

• 펌웨어 업그레이드: USB를 통해 펌웨어를 업로드하고 업데이트할 수 있습니다.
• 소프트웨어만으로 업데이트: 일반적으로 추가 하드웨어 없이 소프트웨어만으로 펌웨어 업데이트가 가능합니다.
• 부트로더 모드: 장치를 부트로더 모드로 전환하여 새로운 펌웨어를 설치합니다.

주요 용도:

• 소비자 제품 및 IoT 장치의 펌웨어 업데이트.

장점:

• 사용하기 쉬우며, 추가 하드웨어가 필요 없습니다.
• USB 인터페이스를 통해 간편하게 펌웨어를 업데이트할 수 있습니다.

단점:

• 디버깅 기능이 없습니다. 펌웨어 업데이트에만 사용됩니다.

2. J-Link

정의:

• J-Link는 SEGGER사가 개발한 고성능 디버그 프로브로, JTAG 및 SWD 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러를 프로그래밍하고 디버깅하는 도구입니다.

주요 기능:

• 고속 펌웨어 업로드: 펌웨어를 빠르게 업로드할 수 있습니다.
• 실시간 디버깅: 코드 실행 중단, 스텝 실행, 브레이크포인트 설정, 변수 검사 등을 지원합니다.
• 다양한 마이크로컨트롤러 지원: ARM Cortex-M 시리즈 등 다양한 마이크로컨트롤러와 호환됩니다.

주요 용도:

• ARM Cortex-M 시리즈 등 다양한 마이크로컨트롤러의 디버깅 및 프로그래밍.

장점:

• 고성능 디버깅 기능을 제공합니다.
• 다양한 IDE와 호환되며, 강력한 디버깅 도구를 제공합니다.

단점:

• 다른 디버거보다 비쌀 수 있습니다.
• 초보자에게는 다소 복잡할 수 있습니다.

3. ST-Link

정의:

• ST-Link는 STMicroelectronics가 제공하는 디버그 프로브로, 주로 STM32 및 STM8 마이크로컨트롤러의 프로그래밍 및 디버깅에 사용됩니다.

주요 기능:

• 펌웨어 업로드: SWD 및 JTAG 인터페이스를 통해 펌웨어를 업로드할 수 있습니다.
• 실시간 디버깅: 코드 실행 중단, 스텝 실행, 브레이크포인트 설정, 변수 검사 등을 지원합니다.
• STMicroelectronics 툴과 통합: STM32CubeIDE와 같은 STMicroelectronics의 소프트웨어 툴과 통합되어 사용됩니다.

주요 용도:

• STM32 및 STM8 마이크로컨트롤러의 디버깅 및 프로그래밍.

장점:

• STM32 및 STM8 마이크로컨트롤러와의 강력한 통합을 제공합니다.
• 비교적 저렴하며, 사용하기 쉽습니다.

단점:

• STM32 및 STM8 마이크로컨트롤러에 최적화되어 있어, 다른 마이크로컨트롤러에서는 사용이 제한될 수 있습니다.