일회용 전자담배로 웹사이트 호스팅하기

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일회용 전자담배에 내장된 저성능 ARM Cortex-M0+ 마이크로컨트롤러를 활용해 웹서버를 구동한 경험 공유임
24KiB 플래시와 3KiB RAM을 가진 PUYA 사의 PY32F002B 칩을 분석, SLIP 방식으로 네트워크 연결성 구현임
Semihosting과 SLIP 프로토콜, uIP TCP/IP 스택을 활용하여 가상 tty를 통해 TCP/IP 통신 및 HTTP 서버 기능을 포팅함
본래 매우 느렸으나 버퍼 최적화와 데이터 처리 개선을 통해 반응속도 및 페이지 로딩 속도 대폭 향상함
저용량 메모리 환경에서도 동적 서버 코드 구동 및 API 엔드포인트 제공까지 실현한 것이 특징임

서문

본 글은 일회용 전자담배에서 직접 구동하는 웹서버로 서비스되는 것이 아니라 동일한 내용을 별도의 서버에서 제공함을 먼저 밝힘
실물 예시는 별도 링크에서 확인 가능함

배경

몇 년간 지인들에게서 일회용 전자담배를 수집하여 배터리를 재활용하려던 목적이 있었음
최근 일회용 전자담배 기기가 점점 고도화되어 USB-C와 재충전식 배터리가 탑재되기 시작한 점을 언급함
해체 중 PUYA라는 이름의 플래시 칩 내장 ARM Cortex-M0+ 마이크로컨트롤러를 발견, 저가 마이크로컨트롤러로 잘 알려진 칩임을 소개함
여러 모델의 기기를 수집하며 디버깅 핀이 명확하게 표시되어 있음에 감사함을 표현함

사용한 하드웨어

칩 표시는 PUYA C642F15였으며 실제로는 PY32F002B임을 확인함
주요 제원:
- 24MHz Cortex-M0+
- 24KiB 플래시
- 3KiB RAM
- 여러 주변장치 존재하나 본 프로젝트에서는 미활용
매우 낮은 사양이나, 이러한 칩에서도 웹서버 운영이 가능함을 목표로 설정함

네트워크 연결

최초 발상은 아니었으나, semihosting 개념을 실험하면서 웹서버 구동 아이디어를 착안함
Semihosting은 임베디드 ARM에서 syscall을 흉내내는 방법임
- 레지스터에 값/포인터를 넣고 breakpoint 호출 시, 디버거가 이를 해석해 동작을 처리함
- 일반적으로 로그 전송 용도지만, 양방향 데이터 통신이 가능함
USB 시리얼 디바이스들이 SLIP(Serial Line Internet Protocol) 프로토콜을 지원, 이를 활용해 네트워크 인터페이스로 사용함
Linux(및 일부 macOS)에서 slattach와 socat 등으로 가상 tty를 통한 SLIP 네트워크 환경을 구축함

pyocd gdb -S -O semihost_console_type=telnet -T $(PORT) $(PYOCDFLAGS) & socat PTY,link=$(TTY),raw,echo=0 TCP:localhost:$(PORT),nodelay & sudo slattach -L -p slip -s 115200 $(TTY) & sudo ip addr add 192.168.190.1 peer 192.168.190.2/24 dev sl0 sudo ip link set mtu 1500 up dev sl0

TCP/IP 스택으로 uIP를 선택, 매우 작고 RTOS 불필요하며 포팅이 용이함
uIP 예제 중 HTTP 서버 활용, SLIP 코드를 semihosting 방식에 맞춰 포팅하여 웹서버 기동에 성공함
ARM 구조에서 16비트 정렬 문제가 있어 filesystem 생성 스크립트 수정 및 Perl로 변환 처리 진행함

속도 최적화

초기 상태에서는 ping 1.5초, 50% 패킷 손실, 페이지 로딩 20초 이상으로 매우 느린 응답 속도임
원인은 바이트 단위 입출력의 큰 오버헤드 때문이었음
3KiB RAM을 적극 활용해 링버퍼 추가, SLIP 함수에 일괄 데이터 공급 구조로 개선함
쓰기 또한 배치로 분할해 전송 처리, 빠른 클린업을 구현함
최적화 결과 ping 20ms, 무손실, 페이지 로딩 160ms 달성
전체 RAM과 플래시 사용량:
- 플래시: 24KB 중 5,116B(20.82%)
- RAM: 3KB 중 1,380B(44.92%)
전체 블로그 콘텐츠도 무리없이 서비스 가능한 용량이며, 서버사이드 C 코드 구동도 가능함