임베디드 소프트웨어 프로그래밍 실시간 운영체제와 임베디드 시스템

임베디드 소프트웨어 프로그래밍 실시간 운영체제와 임베디드 시스템

목 차 • 실시간 운영체제 • 실시간 시스템 개요 • 실시간 시스템과 임베디드 시스템 • 실시간 운영체제 적용기술과 사례 • 실시간 운영체제 현황 • 상용 실시간 시스템 현황 • 임베디드 Linux • RT-Linux • 실시간 운영체제 기술 동향

실시간 운영체제와 임베디드 시스템 Real-Time OS and Embedded System

Network package vi, emacs,… Compiler ls, who, … Kernel Device Driver X window system RDBMS Hardware 운영체제 • 운영체제란? • 자원 관리자 (Resource Manager) • 응용에게 자원에 대한 서비스 제공 (Computing Environment) • 자원의 종류 • 물리적인 자원 : 처리기, 메모리, 디스크, 터미널, 네트웍, ... • 추상적인 자원 : 태스크, 세그먼트/페이지, 파일, 드라이버, 통신 프로토콜, 패킷, 보안, ...

운영체제 종류 • RTOS(Real-Time OS) • VxWorks, pSOS, LEX, uITRON, EPOCH, Nucleus • UNIX • SVR4, Solaris • BSD, HP-UX • Linux • Embedded Linux • RT-Linux • Windows System • Windows XP • Windows CE.NET

실시간 시스템 (Real-Time System) • 실시간 시스템이란? • 사전적 의미 : “실 시간적 요소가 포함되어 있는 기능을 하기위해 어떠한 법칙에 따라 조합된 집합체” • “ 특정 입력에 대해 주어진 시간 내에 반드시 정해진 결과를 보장해야 해야 하는 시스템”- www.foldoc.org , www.jargon.org • 특정 반응에 대해 정해진 시간 내에 행동할 수 없을 때 문제가 발생하는 시스템. 그 결과가 산출되어야 하는 시간에도 적시성(timeliness)을 가지며 외부 자극에도 예측 가능한(predictable) 방식으로 반응. • timeliness? 열악한 환경 하에서도 데드라인(deadline) 이내에 논리적으로도 정확한 출력 값을 산출해 내는 것 . • deadline이란 반응에 요구되는 시간의 한계 값 • 분류 • Hard 실시간 시스템- 제어작업이 deadline을 어기는 경우 시스템에 심각한 영향을 주는 time-critical 속성을 지닌 시스템 예) 항공기, 우주 왕복선, 자동차 등 • Soft 실시간 시스템- Deadline을 어긴 단위 제어 작업의 무효화로 시스템의 평균적 성능에 미세한 영향을 주는 시스템예) 컴퓨터, 정보기기, 네트워크 관련기기 등

실시간 시스템 개요 • 용어 설명(car and driver) • driver : real-time controller • car : controlled process • other cars : operating environment • main actuators : wheels, engine, brakes • controls : accelerator, steering wheel, brake-pedal, etc. • sensors : eyes, ears, body itself • 성능(performance) • 마감시간을 어기는 태스크가 없도록 • 태스크 데드라인

실시간 시스템 개요 (2) • 실시간 시스템의 설계 • 적대적인 운영환경을 가정 • 전자기장의 영향, 소립자의 방사 • 계산부하가 급격히 변화 • 비교) 항온항습 되는 전산실 • 항공기 제어 컴퓨터 • 자세제어 태스크가 최고 우선순위 • 웍스테이션 설계 대 엔진 제어 컴퓨터 설계 • 엔진제어 태스크의 경우 마감시간 넘길 때 폭발할 수도 • 웍스테이션의 경우 단순한 성능 감소만

실시간 시스템 개요 (3)

실시간 시스템 개요 (4) • 태스크의 분류 • the predictability of their arrival. • the consequences of their not being executed on time. • Periodic and aperiodic tasks • periodic tasks can be prescheduled. • Aperiodic tasks with a bounded interarrival time are called sporadic tasks. • Critical and noncritical tasks • critical tasks are those whose timely execution is critical. • Noncritical tasks are not critical to the application

실시간 스케쥴링 • 태스크 스케쥴링 • 매우 많은 스케쥴링 연구들 • 공학분야, 경영분야, 산업공학분야 등 • 공학분야 논문의 30% • 실시간 태스크 스케쥴링 • Feasible schedule • 모든 태스크가 마감시간을 준수하는 스케쥴 • 입력 • 태스크 시간 특성, 마감시간, 자원요구 • 출력 • Feasible chedule

실시간 스케쥴링 (2) • 실시간 스케줄링 알고리즘 분류

실시간 스케쥴링 (3) • 우선순위역전(Priority Inversion Problem)

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • 태스크 • 수행중인 프로그램 (an instance of a running program) • 프로그램의 수행 환경 (an execution environment of a program) • 스케줄링 단위 (scheduling entity) • 제어 흐름과 주소 공간의 집합 (a control flow and address space) • 멀티 태스킹 • 여러 개의 태스크를 동시에 실행시키는 것 • 일반 OS 에서의 태스크 • 각 태스크들은 대분분 무관한 프로그램임 • 임베디드 시스템에서의 태스크 • 하나의 큰 응용 프로그램을 논리적으로 나눈 것 • 기능상 매우 밀접한 관계 • 태스크 사이에 이루어지는 작업들이 많다. • 응용 프로그램을 실행을 위해 여러 기능들이 동시 실행 요구 • 순차적이 아닌 동시 실행의 필요성이 있다.

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • 스케쥴러(Scheduler) • OS의 핵심기능 • 다음 번에 어떤 태스크를 실행해야 하는 지를 결정하는 코드 부분 • 태스크 선택 정책 : 우선순위 기반의 스케쥴링 • FIFO(First In First Out), Round-robin 등 • 선점(Preemptive) • 어떤 태스크가 수행되고 있을 때 커널이 중간에 그 태스크의 수행을 중지 시키고 다른 태스크의 기능을 수행시키는 기능 • 선점형 커널 / 비선점형 커널 • 다른 태스크로 실행이 넘어갈 때 문맥전환(context switching) 발생 • Context switching • 일단 현재 수행 중인 태스크 상황 하에서의 시스템 상태(문맥)를 TCB(Task Control Block)이라는 특정한 자료구조에 저장하고, 다음에 새로운 태스크의 문맥을 가져와 시스템 상태를 복원한 후에 실행하는 것 • Context switching은 overhead이기 때문에 짧을 수록 효율적 임 • thread의 개념을 통해 이를 보완하는 방법

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • Mutual exclusion • 두개의 태스크가 동시에 하나의 공유자원에 접근하려고 할 때 한 태스크에게 자원 사용에 대한 배타적 권리를 보장하는 것 • Critical section : 공유자원을 access하는 일련의 코드부분 • 다른 태스크에 의해서 중단되어서는 안 되는 일련의 명령 혹은 코드 블록 • 상호배제 기법 • 인터럽트 발생을 방지 • Critical section에 들어가기 전에 인터럽트를 disable시키고 (CLI) 빠져 나오면서 인터럽트를 다시 enable 시키는 방법 (STI) • 단일 CPU의 경우 단순하게 사용 가능 • semaphore 이용 • semaphore를 얻지 못하면 공유자원을 얻을 수 없으며 일단 semaphore를 얻으면 공유자원을 마음 놓고 쓸 수 있다. • 다른 태스크를 위해서 공유자원을 다 쓰면 semaphore를 풀어야 한다. • Semaphore가 0 이면 waiting한다.

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • Semaphore • 공유변수 사용 • mutual exclusion을 만들어 공유자원을 제어 • 태스크 사이의 동기화에 사용 가능 • 사용 방법 • 공유자원에 해당하는 semaphore를 만든다. • 공유자원을 사용하기 직전에 해당 semaphore 얻는다. • 변수 값이 0이 아닌 경우 그 변수 값을 1 감소 시킨다. • 0이면 양수가 될 때까지 기다린다. (SLEEP상태) • 공유자원을 다 쓰면 그 값을 1 증가 시킨다. • 종류 • Binary semaphore : 공유자원의 변수가 0,1인 경우 • Counting semaphore : 1이상의 값

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • Task communication • 태스크간에 통신하는 방법 • Global variable을 쓰는 방법 / message passing 방법 • Global variable • exclusive access를 해야 하며, ISR이 포함된 인터럽트를 disable해야 한다. • Task 사이에서는 인터럽트를 disable하는 방법 외에 semaphore를 사용할 수 있다. • message passing • Mailbox, queue, pipe – message의 크기에 따라 결정됨 • Task synchronization • 태스크 간의 동기화 기능 • Semaphore/event flag/signal 등을 사용

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • Interrupt service • Asynchronous event를 CPU에 알리는 방법 • Interrupt는 외부에서 들어오는 중요한 신호로서 시간에 민감한 경우가 있기 때문에 interrupt latency가 짧은 것이 좋음. • ISR자체도 짧은 것이 좋은데 그 이유는 ISR 자체가 길어지면 interrupt nesting이 되기 쉽기 때문. • ISR에서는 보통 그에 상응하는 태스크 수준의 service routine을 부르고(HISR) 끝나도록 구성. • HISR에서는 마치 태스크처럼 존재해서 수행이 된다.

임베디드 (실시간) OS의 주요 개념 • Reentrancy code • 인터럽트, 선점의 개념과 연관 • 하나의 함수를 여러 태스크가 동시에 수행 가능 • ‘Reentrant하다’ • 태스크 1에서 함수 1을 수행하다가 도중에 태스크 2로 제어권이 넘어가고 이 함수를 다시 호출해도 함수 1이 제대로 동작하는 것 • 전역변수를 사용하지 말 것 • 전역 변수는 shared resource이기 때문에 mutual exclusive 하도록 만들어 주지 못하는 문제가 생긴다. • Reentrant하지 못한 code는 공유하지 않거나, 공유해야 하는 경우에는 semaphore를 쓴다거나 동일 우선 순위를 갖는 태스크 사이에서 round-robin을 하지 않아야 한다.

임베디드 운영체제 • 실시간 시스템에서의 S/W • 간단하고 단순한 순차적인 작업에 관련 • 순차적인 프로그램으로 충분하였음 • 8bit, 16bit 마이크로프로세서 및 마이크로콘트롤러 사용 • 임베디드 시스템에서의 운영체제 • 시스템의 규모가 커짐에 따른 Multi Tasking 기능 요구 • Network이나 multimedia가 시스템의 기본으로 자리 잡음 • Networking, GUI, Audio, Video • 임베디드 시스템의 특성상 실시간이라는 요소를 만족해야 함 • 지능성이 부가되고 기능이 많아지고 복잡해짐 • 순차적인 프로그램 작성이 불가능하여 운영체제가 도입됨 • 임베디드 운영체제 • 기존의 상용 RTOS(Real-Time OS) • 윈도우 CE • 임베디드 Linux • 임베디드 JAVA

상용 RT-OS와 특징 • 상용 실시간 운영체제 들과 특징 • ○ 는 로열티를 받는다는 표시이고 • △는 명확하지 않다는 표시이며 • ×는 로열티를 받지 않는다는 표시이다

Windriver – VxWorks, pSOS • VxWorks의 특징 • pSOSystem과 마찬가지로 VxWorks의 커널은 선점형 멀티미디어 태스킹이다. • 총 256개의 태스크 우선순위를 갖는다. • 두 개 이상의 태스크가 같은 우선순위를 가진다면 라운드 로빈 방식의 스케줄링을 이용한다. • 통합 개발환경으로 토네이도(Tornado)가 제공된다. • 약 200개 가량의 소프트웨어 모듈로 구성되어 개발자가 이들 모듈들 중에서 목표 시스템에 필요한 모듈을 선택하여 운영체제를 구성할 수 있다. • 세마포어와 메시지 큐, 공유 메모리, 소켓, 시그널 등이 제공된다. • 표준 TCP/IP를 이용한 네트워크 통신이 가능하며 ROM이나 로컬 디스크 등 다양한 부팅이 가능하다. • 또한 MS-DOS와 RT-11등의 파일 시스템을 지원한다. • VxWorks의 구조는 크게 하드웨어에 의존하지 않는 BSP(Board Support Package)와 디바이스 드라이버, 커널과 그에 따른 모듈, 응용프로그램으로 나누어진다.

Windriver – VxWorks, pSOS • Windriver 플랫폼 구조

Nucleus • Nucleus 는 Accelerated Technology사의 실시간 운영체제로서 저작권 없는(Royalty Free)정책 때문에 널리 사용되어지는 실시간 운영체제 • 인공위성 및 엘리베이터, 휴대전화, 기지국, 네트워크 분야에서 강세 • 국내의 휴대폰 개발 업체들이 로얄티 부담을 줄이기 위해서 많이 채택하고 있음 • Nucleus의 특징 • Nucleus는 ARM, MIPS, PPC, M68K, SH 등 마이크로프로세서를 비롯하여, Analog와 TI 그리고, Hitachi사의 DSP등을 지원하고 있다. • ATI에서 제공하는 Nucleus Web Browser는 HTTP 1.0을 준수하며, HTML 3.2와 프레임을 지원한다. • Nucleus GRAFIX와 결합하면 아주 작은 스크린에 Nucleus Web Browser를 최적화할 수 있다.

Nucleus • Nucleus RTS 솔루션 구조도

WinCE.NET • Windows CE .NET은 Microsoft사에서 실시간 운영체제 시장 및 임베디드 시스템 시장을 위하여 개발, 제공하는 Windows CE 3.0의 후속 버전 • WinCE.NT 의 특징 • Windows CE .NET에는모바일장치가기존의인프라에유연하게접속할수있도록하기위한Bluetooth, 802.1x/Zero Configuration, OBEX(Object Exchange) 프로토콜, MediaSense , 실시간공동작업및통신(RTC/SIP)과같은무선기술을지원한다. • 적은메모리점유율, 엔터프라이즈수준의보안, 다양한CPU 지원. • 실시간성지원: 256개의우선순위수준과중첩인터럽트지원을통해시스템자원사용량이많은주요응용프로그램에대한실시간처리를지원 • 에뮬레이션기술, 다양한플랫폼마법사 • 관리되는코드및원시코드지원 • 기존의 MS Windows 시스템 및 애플리케이션과 호환성이 우수

WinCE.NET • WinCE.NET 적용분야

임베디드 리눅스 • 임베디드 리눅스 • 일반 리눅스 – 일반 테스크 탑 환경인 고성능 프로세서와 대용량 메모리 환경에서 동작 하는 범용 컴퓨터 용 리눅스 • 임베디드 리눅스 – 저성능의 마이크로 프로세서 와 제한된 메모리 환경에서 동작하는 임베디드 시스템 용 리눅스 • 임베디드 리눅스 출현 배경 • H/W의 발전: 32/64bit 고성능 CPU • S/W의 많은 기능 요구: OS의 기능이 중요, 안정된 운영체제의 제공(멀티 태스킹의 제공) • 강력하고 다양한 네트워크 환경의 제공 • 다양한 형태의 파일시스템과 실행파일 포맷 지원 • 확장성의 다양함과 용이함의 제공 • Free Software

임베디드 리눅스(2) • 임베디드 리눅스 장점 • 기능성과 확장성이 우수 (리눅스 이용에 따른 장점) • PowerPC, ARM, MIPS 등 다양한 CPU Platform지원함 • 로열티가 없으므로 가격 경쟁력이 우수 • 사용자 층이 넓어 오류 수정이 빠르고 안정성이 우수 • 기존의 데스크 탑 개발 환경과 동일하여 개발이 용이함 • 임베디드 리눅스 단점 • 기존의 RTOS보다 많은 메모리를 요구함 • 범용 OS로 설계되어 Real-Time을 지원하지 못함 • 개발 환경이 Text 기반의 환경임으로 개발에 어려움이 있음 • GUI 환경을 개발하기 어려움 • 제품화하기 위한 솔루션 구성이 어려움 • 많은 업체들과 개발자들이 독자적으로 개발하고 있어 표준화가 어려움

Target Host Application Debug Agent Target Server SDK ( Software Development kit) GUI Library Driver Application Core OS Simulation Environment Kernel Hardware 임베디드 리눅스(3) • 임베디드 리눅스 개발환경 개념도

RT Application Linux task Linux task Linux task RT FIFO Linux system RT Task RT Task RT Task soft Interrupt hard Interrupt Real-time executive Hardware Interrupt 임베디드 리눅스(4) • 임베디드 리눅스 구조

User Program & Application Library User Level Kernel Level System Call Interface Memory Management Virtual File System Process Management Buffer Char Block Device Driver Kernel Level Hardware Control H/W Level Hardware Control 임베디드 리눅스(5) • 임베디드 리눅스 커널 구조

Linux Real-time RT-Linux - Real-Time Linux의 개요 • RT-Linux 출현 배경 • 정확한 타이밍 제어가 가능한 Linux 운영체제 • 수 십 Micro-Second까지 제어 가능 • Embedded System과 결합 Linux를 기반으로 하는 시스템의 증가 + 정확한 타이밍 제어가 필요한 시스템의 증가 (공정 제어,정밀 제어 계측, 과학, 의학 등) = Real Time Linux • Real-Time Linux

RT-Linux - 일반 Linux의 문제점 • Critical Section에서의 긴 Blocking 시간 • 우선 순위 보다는 기아(Starvation)문제 해결에 집중 • 낮은 우선 순위의 Tread도 상위 대기 큐에 있을 수 있음 • 공정한 자원 분배 • Exhaustive, Fairness based Scheduling • Fairy-Shared Scheduler의 문제 • 특정 Thread의 정확한 동작 보다는 모든 Thread의 공평한 동작에 초점 • Fairy-Shared Scheduler의 문제 • Linear List로 Task 관리 • 우선 순위의 정확한 반영이 어려움 • 우선 순위 역전의 가능성 존재 • Soft-Interrupt 발생 시점에서 Handling 함수에 도달 할 때까지의 타이밍 예측 불가능 • 정확한 시간 간격으로 Task가 동작하도록 보장 할 수 없음 • 타이밍에 엄격한 시스템에서는 일반 Linux는 사용 불가능

RT-Linux - Dual Kernel 구조 • RT-Scheduler와 None RT-Scheduler가 존재 Linux Process 1 Linux Process 2 Fairly Shared Scheduling Linux Kernel RT Process Software Interrupt RT Scheduling RT Kernel Hardware Interrupt

RT-Linux - Real Time Task의 구조(1) • Device Driver와 같은 형태로 Kernel의 모듈로 동작하는 RT-Task • Hardware Interrupt Emulation • Character Device Emulation • 사용 가능한 라이브러리의 제한 • 실질적인 실시간 동작 담당 • RT-Task와 FIFO, Shared Memory를 이용해 정보를 교환하는 User Task • RT-Task의 제어 • RT-Task의 출력 정보 처리

Device Kernel FIFO Shared Memory User Task (C/S, Web) RT-Task (Device Driver) Device RT-Linux - Real Time Task의 구조(2)

FS Network VM Process server Client process Micro Kernel (IPC, Synchronization, Memory management, Scheduling) HAL Hardware RTOS 기술동향 • RTOS 구조

Monolithic Client-server on MK Global scale OS Layered • Scalable • Super- configuration • Internet- ready • safe, dependable • dynamic& adaptive RTOS 기술동향 (2) • 커널 발전 과정

RTOS 기술동향 (3) • RTOS 구조 • Monolithic OS • Layered OS • Client-server OS • microkernel: basic OS functions(scheduler, synchronization, etc.) • Server tasks: responsible for different functions • Clients: applications • Scalable, easy to debug, robust, flexible

RTOS 기술동향 (4) • hardware abstraction layer(HAL) • Smooth and efficient porting to different platform • Scale- down kernel version • modular • dynamic extensions and upgrades to provide new features to meet market requirements • portable architectures • dynamic and adaptable systems • small memory footprint(code+workspace)

RTOS 기술동향 (5) • Process-thread-task model • a process is an application subdivided in tasks or threads • scheduling, priority, interrupts • preemptive priority scheduling • deadline driven scheduling policy • handling priority inversion • interrupt handling following different simultaneous interrupts in a pre-emptive way • minimum interrupt latency

Home made Standard Lib Next generation • Functionality • performance • Portable • compatible • Extensive functionality • dynamic extension & upgrades • interoperable component • global-scale system RTOS 기술동향 (6) • 라이브러리 발전 과정

RTOS 기술동향 (7) • 표준화 • POSIX, ISO, ANSIC • Flash, FAT • C library(POSIX) • Graphic/ Windows • GUI support • X-Windows, Motif • GTK • Java, CORBA support • network (Internet-ready) • telnet, ftp, tftp, TCP/IP,SNMP,STREAM, ATM, x.25, OSI, htto server, PPP • Security • File system • Multiprocessing support

Assembly language 3GL Graphical design notation • assembler • Compiler • manual coding • debugging after coding (source level + kernel level) • tools: editor, compiler, debugger • Ex)UML for RT • visualization • model compiler • code generation from design • design level debugging • target simulation • tools: design implementation, debugging, test RTOS 기술동향 (8) • 개발도구의 발전 과정

RTOS 기술동향 (9) • 개발 도구 • Object-oriented notations and methods • design, implementation, debugging, test등 전 개발 과정에서 이용 • 3GL 대신 Graphical design model(notation) 이용 • UML, FSM, SDL notation 등 • reduce time to market, improve quality • graphical design editor, model compiler, graphical symbolic debugger • Cross 개발 환경 지원 • Emulator, debuggers, memory analyzers, and profilers등을 포함 • memory analyzer • test point 삽입: allocated된 지점이나 free된 지점 • 어플리케이션의 메모리 자원 활용의 정보 수집 • memory leak 여부 조사 • Profiler • task나 semaphore등을 사용 • OS의 성능을 모니터 • task나 function의 실행시간의 분석을 위한 도구 지원

RTOS 기술동향 (10) • Debugger • Design-level • model based design: concentrate on the problem rather than code • Source-level • C/C++source level debugging, based on GNU • setting break point and single stepping, stack debugging • Kernel-level • low-level embedded target debugging • memory inspection/modification • kernel configuration tool • manage components and services available to the application

임베디드 소프트웨어 프로그래밍 실시간 운영체제와 임베디드 시스템