10. Const Fn — 컴파일 타임 올바름 증명 🟠

학습 목표: const fn과 assert!가 어떻게 컴파일러를 강력한 증명 엔진으로 변모시키는지 배웁니다. SRAM 메모리 맵, 레지스터 레이아웃, 프로토콜 프레임, 비트 필드 마스크, 클록 트리 등을 런타임 비용 없이 컴파일 타임에 검증하는 법을 익힙니다.

관련 장: 04장 (역량 토큰), 06장 (차원 분석), 09장 (팬텀 타입)

문제 요망: 거짓말하는 메모리 맵

임베디드 및 시스템 프로그래밍에서 메모리 맵은 부트로더, 펌웨어, 데이터 섹션, 스택의 위치를 정의하는 가장 기초적인 설계도입니다. C 언어에서는 보통 #define 상수로 이를 관리하는데, 영역 간의 관계(중첩 여부 등)를 구조적으로 파악하기 어렵습니다.

/* C — 영역이 겹치거나 SRAM 크기를 초과해도 잡아낼 수 없음 */
#define SRAM_BASE   0x20000000
#define SRAM_SIZE   (256 * 1024)
#define FW_SIZE     (200 * 1024)
#define DATA_SIZE   (80 * 1024) // 200 + 80 = 280KB? SRAM(256KB)을 초과함!

이런 실수는 배포 후에야 신비로운 크래시로 나타납니다.

Const Fn: 컴파일러를 증명 엔진으로

Rust의 const fn은 컴파일 타임에 실행될 수 있습니다. const fn 내부의 assert!가 실패하면 컴파일 에러가 발생합니다. 즉, 컴파일러 자체가 여러분의 설계 의도를 검증하는 감사관이 됩니다.

검증된 SRAM 메모리 맵 예시

pub struct Region { pub base: u32, pub size: u32 }

impl Region {
    pub const fn new(base: u32, size: u32) -> Self {
        assert!(size > 0, "지역 크기는 0보다 커야 합니다");
        Self { base, size }
    }
    pub const fn end(&self) -> u32 { self.base + self.size }
    pub const fn overlaps(&self, other: &Region) -> bool {
        self.base < other.end() && other.base < self.end()
    }
}

pub struct SramMap {
    pub total: Region,
    pub firmware: Region,
    pub data: Region,
}

impl SramMap {
    pub const fn verified(total: Region, fw: Region, data: Region) -> Self {
        // 중첩 여부 및 전체 크기 초과 여부를 컴파일 타임에 증명
        assert!(total.contains(&fw), "펌웨어가 SRAM을 초과함");
        assert!(total.contains(&data), "데이터 섹션이 SRAM을 초과함");
        assert!(!fw.overlaps(&data), "펌웨어와 데이터 영역이 겹침");
        Self { total, firmware: fw, data }
    }
}

이제 상수를 정의하기만 하면 컴파일러가 모든 제약 조건을 체크합니다.

// ✅ 모든 조건 만족 — 컴파일 성공
const SRAM: SramMap = SramMap::verified(
    Region::new(0x2000_0000, 256 * 1024),
    Region::new(0x2000_0000, 128 * 1024),
    Region::new(0x2002_0000, 64 * 1024),
);

// ❌ 조건 위반시 컴파일 에러 발생!

레지스터 및 프로토콜 프레임 레이아웃

동일한 기법을 하드웨어 레지스터 맵이나 네트워크 프로토콜 프레임에도 적용할 수 있습니다. 레지스터 오프셋이 정렬(Alignment)되어 있는지, 필드들이 서로 겹치지는 않는지 등을 무조건적으로 보장할 수 있습니다.

// 비트 필드 마스크 중첩 방지 예시
const SPI_EN:     BitField = BitField::new(0, 1);   // 0번 비트
const SPI_MODE:   BitField = BitField::new(1, 2);   // 1-2번 비트
const SPI_CLKDIV: BitField = BitField::new(4, 4);   // 4-7번 비트

// 컴파일 타임 증명: 어떤 필드도 비트를 공유하지 않음
const _: () = {
    assert!(fields_disjoint(&SPI_EN, &SPI_MODE));
    assert!(fields_disjoint(&SPI_EN, &SPI_CLKDIV));
    // ... 모든 조합 확인 ...
};

핵심 요약

상수화된 올바름 — const fn과 assert!를 사용하면 런타임에 발생할 '신비로운 버그'를 컴파일 타임의 '명확한 에러 메시지'로 바꿀 수 있습니다.
제로 비용 보장 — 모든 검증은 컴파일 시 완료되며, 실제 바이너리에는 검사 로직이 포함되지 않습니다. 결과물은 검사 없이 작성된 C 코드만큼이나 가볍습니다.
증거 기반 설계 — VerifiedAddr와 같은 타입을 통해, 어떤 주소값이 특정 영역 내에 있음이 정적으로 증명된 상태로 안전하게 데이터를 다룰 수 있습니다.
점진적 정밀도 향상 — 메모리 맵 수준의 거친 검증부터 레지스터 비트 단위의 정밀한 검증까지 동일한 패턴으로 확장 가능합니다.