ESP32-S3의 두 번째 코어에서 베어메탈 Rust를 — ESP-IDF와 공존시키는 법

듀얼 코어 MCU의 숨겨진 절반을 깨우다

IoT나 임베디드 개발을 해보신 분이라면 ESP32라는 칩 이름을 한 번쯤 들어보셨을 거예요. Espressif라는 중국 회사에서 만든 와이파이/블루투스 내장 마이크로컨트롤러인데, 가격은 몇천 원 수준에 성능은 꽤 쓸 만해서 전 세계 메이커와 스타트업이 사랑하는 칩이에요. 그중에서도 ESP32-S3는 듀얼 코어(Xtensa LX7) 칩으로, 두 개의 코어가 들어 있어요.

그런데 보통 ESP32 개발할 때 우리는 ESP-IDF라는 공식 프레임워크나 아두이노 환경을 써요. 이게 FreeRTOS 기반이라 두 코어를 알아서 스케줄링해줘요. 편하긴 한데 두 번째 코어를 진짜 자유롭게 쓰는 건 어렵다는 단점이 있어요. 실시간 신호 처리나 정밀 타이밍이 필요한 작업을 할 때, RTOS가 끼어들어서 미세한 지터(jitter)가 생기거든요. 이번 글의 저자는 이 문제를 두 번째 코어를 RTOS에서 분리해서 베어메탈 Rust 코드를 돌리는 방식으로 해결한 경험을 공유해요.

베어메탈이 뭐고, 왜 Rust인가

베어메탈(bare-metal)이라는 말은 운영체제 없이 하드웨어를 직접 제어하는 코드를 뜻해요. RTOS의 태스크 스위칭, 타이머 인터럽트, 동기화 객체 같은 게 전부 없어지고, 그냥 무한 루프 하나 돌면서 레지스터를 직접 만지는 거죠. 장점은 완전한 결정성(determinism)이에요. 누가 끼어들지 않으니까 "이 명령은 정확히 12나노초 후에 끝난다"는 보장이 가능해요. 정밀 PWM이나 고속 ADC 샘플링 같은 작업에 필수적이죠.

Rust를 쓰는 이유는 명확해요. C로 베어메탈을 짜다 보면 메모리 안전성 문제가 끊임없이 발목을 잡아요. 포인터 잘못 만지면 그냥 칩이 죽어버리는데, 디버깅이 정말 고역이에요. Rust는 컴파일러가 이런 실수를 거의 다 잡아주면서도, 제로코스트 추상화 덕분에 C와 동급의 성능을 내요. 임베디드 Rust 생태계는 embedded-hal, esp-hal 같은 라이브러리들이 빠르게 성숙하고 있어서 이제 진지하게 고려할 만한 옵션이 됐어요.

두 코어를 갈라 쓰는 아키텍처

저자가 시도한 구조는 이래요. Core 0(PRO_CPU)에서는 기존대로 ESP-IDF + FreeRTOS가 돌아가요. 와이파이 스택, MQTT, OTA 업데이트, JSON 파싱 같은 "고수준" 작업은 다 여기서 처리해요. 그리고 Core 1(APP_CPU)은 RTOS 스케줄러에서 빼버리고 베어메탈 Rust 코드 전용으로 만들어요. 여기서는 인터럽트 응답이 필요한 실시간 작업, 예컨대 모터 제어나 센서 폴링 같은 걸 돌리는 거죠.

구현의 핵심은 부팅 시점에 Core 1을 어떻게 가로채느냐예요. ESP-IDF는 기본적으로 두 코어 모두에서 RTOS를 시작하는데, 저자는 부팅 직후 Core 1의 RTOS 시작 루틴을 우회하고, 대신 Rust로 컴파일된 진입점으로 점프하게 만들었어요. app_main 함수에서 esp_cpu_unstall()이나 직접 PC(Program Counter) 조작으로 Core 1을 새로운 함수로 이끄는 식이죠. 이때 Rust 쪽 바이너리를 ESP-IDF 빌드 시스템에 어떻게 통합하느냐가 또 한 단계 까다로운데, 정적 라이브러리(.a) 형태로 만들어서 CMake 빌드에 끼워넣는 방법을 사용했다고 해요.

그다음 큰 과제는 두 코어 간 통신이에요. 베어메탈 Rust 쪽이 측정한 데이터를 RTOS 쪽이 와이파이로 전송해야 하잖아요. 공유 메모리에 락-프리(lock-free) 링버퍼를 두는 게 일반적인 해법이에요. 한쪽은 producer, 다른 쪽은 consumer가 되어서 원자적 인덱스 업데이트만으로 안전하게 데이터를 주고받죠. 캐시 일관성 문제 때문에 메모리 베리어(memory barrier)나 캐시 플러시를 잘 챙겨야 해요.

비슷한 시도들

사실 "한 코어는 RTOS, 다른 코어는 베어메탈" 패턴은 ESP32만의 얘기가 아니에요. STM32H7이나 NXP i.MX RT 같은 듀얼 코어 MCU에선 이미 흔한 디자인이에요. STM32H7은 Cortex-M7과 Cortex-M4 두 코어를 갖는데, 보통 M7은 메인 로직, M4는 실시간 작업에 할당해요. 라즈베리 파이 RP2040은 두 ARM Cortex-M0+ 코어를 매우 자유롭게 쓸 수 있어서 베어메탈 듀얼 코어 패턴이 인기 있고요.

Rust 쪽에서는 Embassy라는 비동기 임베디드 프레임워크가 빠르게 성장하고 있어요. async/await로 임베디드 코드를 짤 수 있게 해주는데, ESP32도 지원해요. 다만 ESP-IDF 기능(특히 와이파이 스택)을 쓰려면 결국 IDF와의 공존이 필요한데, 이번 글의 접근은 그 빈틈을 메우는 실용적 패턴이에요.

한국 개발자에게 주는 시사점

한국에서도 ESP32는 IoT 제품이나 스마트홈 기기에서 폭넓게 쓰이고 있어요. 특히 모터 제어, 정밀 측정, 오디오 처리처럼 타이밍이 중요한 제품을 만드는 팀이라면 이 패턴이 직접적으로 도움될 수 있어요. 와이파이 통신을 포기하지 않으면서도 실시간 성능을 확보할 수 있는 방법이거든요.

또 임베디드를 처음 배우는 주니어에게도 흥미로운 학습 주제예요. 부트로더, 메모리 맵, 캐시, 인터럽트 벡터처럼 평소엔 신경 안 쓰던 저수준 개념을 한번에 다 만져볼 수 있거든요. Rust 임베디드 생태계는 한국에선 아직 마이너하지만, 자동차나 의료기기처럼 안전성이 중요한 분야로 점차 확장되는 중이에요. 일찍 익혀두면 5년 뒤엔 차별화된 무기가 될 수 있어요.