STM32 USB Device CDC 고속 전송 중 끊김 원인 분석: PMA 버퍼 언더런 해결 및 이중 버퍼링 최적화 가이드

🌐 English Abstract

This technical article provides an in-depth troubleshooting guide for connection drops during high-speed data transmission using the STM32 USB Device CDC protocol. It explains the root cause of Packet Memory Area (PMA) buffer underrun and demonstrates how to resolve host-side timeouts and packet loss. Furthermore, it details the step-by-step implementation of double buffering and ring buffer management to achieve maximum USB Full-Speed throughput and system stability.

1. 서론: STM32 USB CDC 고속 데이터 전송 시 발생하는 연결 끊김 현상

STM32 임베디드 시스템에서 USB CDC(Communication Device Class) 프로토콜은 가상 컴포트(Virtual COM Port, VCP)를 구현하여 PC와 마이크로컨트롤러 간 고속 데이터 통신을 수행할 때 가장 널리 사용되는 방식입니다. 그러나 센서 데이터 스트리밍, 고해상도 로깅, 데이터 수집 장치(DAQ) 등 연속적인 고속 데이터(High-Throughput)를 전송하는 실무 현장에서 원인을 알 수 없는 **USB 연결 끊김(Disconnection)**, **패킷 누락(Packet Loss)**, 또는 **호스트 드라이버 먹통 현상**을 자주 겪게 됩니다.

이러한 문제는 대개 단순한 C언어 코드 오류가 아닌, STM32 내부 **USB 주변장치(Peripheral)의 하드웨어 메모리 구조**와 **HAL 라이브러리의 소프트웨어 타이밍 간 불일치**에서 발생합니다. 특히 USB 컨트롤러가 직접 전용 SRAM에 접근하는 영역인 **PMA(Packet Memory Area) 버퍼의 언더런(Underrun) 및 오버런(Overrun)** 현상이 주요 원인입니다.

본 포스팅에서는 STM32 USB CDC 통신 중 대용량 전송 시 발생하는 버퍼 언더런 현상의 메커니즘을 하드웨어 레벨에서 분석하고, 이를 근본적으로 해결할 수 있는 **이중 버퍼링(Double Buffering)** 및 **원형 버퍼(Ring Buffer) 최적화 트러블슈팅** 기법을 다룹니다.

2. 원인 분석: PMA(Packet Memory Area) 구조와 언더런 메커니즘

2.1. PMA(Packet Memory Area) 메모리 매핑 구조의 이해

STM32 MCU(예: STM32F1, F3, L4 시리즈 등)의 USB 하드웨어는 일반 SRAM과 분리된 **PMA(Packet Memory Area)**라는 전용 패킷 메모리 공간을 갖습니다. USB 주변장치 컨트롤러는 호스트(PC)와 패킷을 주고받을 때 이 PMA를 직접 읽거나 씁니다.

• 버퍼 디스크립터 테이블 (Buffer Descriptor Table): PMA의 최상단에 위치하며, 각 엔드포인트(Endpoint)의 TX/RX 버퍼 시작 주소 및 데이터 길이를 관리합니다.
• SRAM 접근 제약 사항: 일부 STM32 패밀리에서는 PMA 메모리가 16비트 단위 또는 32비트 단위로 억세스 제한이 있으며, 시스템 CPU 메모리(SRAM)에서 PMA로 데이터를 복사할 때 하드웨어 레벨의 오버헤드가 발생합니다.

2.2. Single Buffer 환경에서 PMA Buffer Underrun이 발생하는 이유

STM32CubeMX로 자동 생성된 기본 CDC 코드(Class Driver)는 대부분 **단일 버퍼링(Single Buffering)** 구조로 동작합니다. 데이터 전송 흐름은 다음과 같습니다.

1. 애플리케이션 영역에서 USBD_CDC_TransmitPacket() 함수를 호출합니다.
2. 내부 CDC_Itf_Transmit()가 USBD_CDC_SetTxBuffer()를 통해 전송 버퍼 주소를 지정합니다.
3. USB 주변장치가 IN 엔드포인트 요청(IN Token)을 호스트로부터 수신하면 PMA의 데이터를 PHY 라인으로 내보냅니다.
4. 전송이 완료되면 USBD_CDC_DataIn() 콜백 인터럽트가 발생하여 TxState가 IDLE(0) 상태로 복귀합니다.

문제 발생 지점: 호스트 PC가 1ms 마다(Full-Speed 기준 Frame 단위) IN 토큰을 송신할 때, MCU 측에서 USBD_CDC_TransmitPacket()을 통해 다음 패킷을 PMA에 다 채우기도 전에 IN 토큰이 들어오면, USB 하드웨어는 보내줄 데이터가 없어 **NAK(Negative Acknowledgment)** 패킷을 반환합니다.

만약 연속적인 고속 전송 상황에서 CPU가 다른 우선순위 높은 인터럽트(예: DMA, TIM, UART ISR)를 처리하느라 USBD_CDC_TransmitPacket() 호출 타이밍을 놓치거나, TxState가 BUSY 상태일 때 계속 데이터를 밀어 넣으면, 데이터가 덮어씌워지거나 PMA 전송 타이밍이 뒤틀리면서 **PMA Buffer Underrun / Overrun**이 발생합니다. 결국 호스트 응답 대기 시간이 초과되어 USB 제어 신호가 리셋(Bus Reset)되면서 물리적으로 연결이 끊어지는 결과로 이어집니다.

3. 해결책 1: 이중 버퍼링(Double Buffering) 메커니즘 구축

3.1. 이중 버퍼링(Ping-Pong Buffer)의 동작 원리

단일 버퍼 구조의 한계를 극복하기 위해 **이중 버퍼링(Double Buffering / Ping-Pong Buffering)** 기술을 사용합니다. 이 구조에서는 하드웨어가 Buffer 0에서 패킷을 USB 라인으로 전송하는 동안, CPU는 Buffer 1에 다음 전송할 데이터를 미리 준비(Write)할 수 있습니다.

단계 (Time Slot)	USB Hardware (PMA Send)	CPU / Application (Buffer Write)
Slot N	Buffer 0 읽어서 PC로 전송	Buffer 1에 다음 데이터 채우기
Slot N+1	Buffer 1 읽어서 PC로 전송	Buffer 0에 다음 데이터 채우기

이 방식을 사용하면 USB 라인이 Idle 상태에 빠져 NAK을 남발하는 현상을 대폭 줄일 수 있으며, CPU 인터럽트 지연시간(Interrupt Latency)에 대한 마진을 확보할 수 있습니다.

4. 실무 코드 최적화: 링 버퍼(Ring Buffer) 및 Non-Blocking 설계

이중 버퍼링 기법을 안정적으로 운용하기 위해서는 애플리케이션 영역과 USB 드라이버 계층 사이에 **선입선출(FIFO) 방식의 원형 링 버퍼(Ring Buffer)**를 추가해야 합니다. 이를 통해 CPU가 메인 루프에서 빠르게 데이터를 버퍼링하고, USB ISR(Interrupt Service Routine)은 비동기적으로 PMA로 데이터를 퍼나르도록 구현합니다.

4.1. 스레드 세이프(Thread-Safe) 링 버퍼 구현

아래 C언어 코드는 CDC 통신의 데이터 유실 및 언더런을 방지하기 위한 대용량 Ring Buffer 구조체 및 전송 함수 예시입니다.

#define CDC_RING_BUFFER_SIZE 4096  // 충분한 크기의 링버퍼 할당 (2의 거듭제곱 권장)
#define USB_MAX_PACKET_SIZE  64    // USB FS CDC Max Packet Size

typedef struct {
    uint8_t buffer[CDC_RING_BUFFER_SIZE];
    volatile uint32_t head;
    volatile uint32_t tail;
} USB_RingBuffer_t;

static USB_RingBuffer_t cdc_tx_ring;

// 링 버퍼 데이터 푸시 함수
bool CDC_RingBuffer_Write(const uint8_t *pData, uint32_t length) {
    for (uint32_t i = 0; i < length; i++) {
        uint32_t next_head = (cdc_tx_ring.head + 1) % CDC_RING_BUFFER_SIZE;
        if (next_head == cdc_tx_ring.tail) {
            return false; // Buffer Full (오버플로우 방지)
        }
        cdc_tx_ring.buffer[cdc_tx_ring.head] = pData[i];
        cdc_tx_ring.head = next_head;
    }
    return true;
}

// USB TX 인터럽트 처리 및 연속 전송 트리거 함수
void CDC_Continue_Transmit(void) {
    USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef*) hUsbDeviceFS.pClassData;
    
    // USB 가 현재 전송 불가능 상태(BUSY)이면 리턴
    if (hcdc->TxState != 0) {
        return;
    }

    uint32_t fill_size = 0;
    static uint8_t temp_packet[USB_MAX_PACKET_SIZE];

    // 링 버퍼에서 데이터 꺼내기
    while (cdc_tx_ring.tail != cdc_tx_ring.head && fill_size < USB_MAX_PACKET_SIZE) {
        temp_packet[fill_size++] = cdc_tx_ring.buffer[cdc_tx_ring.tail];
        cdc_tx_ring.tail = (cdc_tx_ring.tail + 1) % CDC_RING_BUFFER_SIZE;
    }

    if (fill_size > 0) {
        USBD_CDC_SetTxBuffer(&hUsbDeviceFS, temp_packet, fill_size);
        USBD_CDC_TransmitPacket(&hUsbDeviceFS);
    }
}

4.2. usbd_cdc_if.c 콜백 함수 수정

USB 전송이 완료되었을 때 호출되는 콜백 함수인 CDC_TransmitCplt_FS() 내부에서 링버퍼에 남아있는 데이터를 즉시 복사하여 패킷을 재전송하도록 연결해야 합니다.

static int8_t CDC_TransmitCplt_FS(uint8_t *Buf, uint32_t *Len, uint8_t epnum) {
    uint8_t result = USBD_OK;
    
    // 이전에 송신 중이던 인터럽트 완료 후 연속 데이터 송신
    CDC_Continue_Transmit();
    
    return (int8_t)result;
}

5. 디버깅 및 트러블슈팅 엣지 케이스 (Edge Cases)

5.1. Zero-Length Packet (ZLP) 처리 이슈

USB 통신 규약상, 전송하려는 데이터 패킷의 크기가 정확히 Endpoint의 최대 크기인 64바이트의 배수일 경우, 호스트 PC는 데이터 전송이 아직 끝나지 않은 것으로 간주하고 수신 대기 상태에 빠집니다.

• 증상: PC 측 수신 프로그램이 64, 128, 256 바이트 데이터를 받을 때 응답을 멈추거나 타임아웃 발생.
• 해결책: 전송 데이터 길이가 64바이트의 배수일 경우 길이가 0인 **ZLP(Zero-Length Packet)**를 명시적으로 추가 송신하여 트랜잭션 종결을 호스트에 알려야 합니다.

5.2. Priority Inversion (우선순위 역전) 및 ISR 지연

STM32의 USB Interrupt 우선순위가 다른 주변장치(예: Systick, FreeRTOS Kernel Tick, USART ISR)보다 낮게 설정되어 있으면, USB 전송 완료 인터럽트가 지연되어 PMA 버퍼가 비어있는 채로 채워지지 않는 현상이 생깁니다.

• NVIC 설정 시 **USB Interrupt Priority**를 시스템 내에서 상대적으로 높게 설정(숫자를 낮게 조정)하여 인터럽트 응답 속도를 최적화해야 합니다.

6. 결론 및 고성능 USB CDC 설계를 위한 체크리스트

STM32 MCU 기반의 USB CDC 프로토콜을 구현할 때 고속 전송 중 끊김 현상을 방지하기 위한 핵심 요약 체크리스트는 다음과 같습니다.

1. PMA 버퍼의 직접적 연속 쓰기 금지: USBD_CDC_TransmitPacket()이 완료(IDLE)되지 않은 상태에서 연속 호출을 지양하고, Intermediate **Ring Buffer**를 경구하여 제어할 것.
2. 이중 버퍼링(Double Buffering) 활성화: 하드웨어 레벨 지원 MCU의 경우 Double Buffer EP 모드를 설정하여 PMA 할당 마진을 두 배로 늘릴 것.
3. NVIC 우선순위 조정: USB 핸들러 인터럽트가 타 지연 요소(Timers, External Interrupts)에 밀려 PMA 채우기가 늦어지지 않도록 조정할 것.
4. ZLP 처리 체크: 64바이트 단편화 패킷 전송 시 마지막 제어 제로 패킷 처리를 명확히 포함할 것.

위와 같이 대용량 링 버퍼링과 비동기 ISR 처리 구조를 확립하면, STM32 USB CDC 사용 시 풀스피드(Full-Speed) 대역폭인 **12Mbps(실효 속도 약 800~900KB/s)** 수준을 연결 끊김 없이 안정적으로 유지할 수 있습니다.