RTOS

RealTime Operationg System

Windows , Linux 와 같은 일반적인 운영체제와 달리, 시간 제약 조건을 엄격하게 준수하여, 예측가능성과 안정성을 보장한다.

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어떻게 위 3가지를 만족시키는 걸까?

RTOS를 이해하기 위해서는 꼭 이해하고 있어야할 키워드가 몇가지 존재한다.

"스케쥴링" , "인터럽트"

이 두 키워드는 RTOS의 결정성과 관련된 핵심 설계 개념이다.

• 스케쥴링

  • 어떤 프로그램(Task)을 CPU에 할당시켜 실행시킬 것인지 스케쥴링 하는 것.

• 인터럽트

  • 광의의 인터럽트 : 어떤 이벤트가 발생한 상황 (인터럽트 + Exception 의 개념)
  • 인터럽트 : 외부에서 어떤 신호가 발생하여 이벤트가 발생하는 상황.

RTOS가 시간 제약과 예측가능성 및 안정성을 보장하기 위해 포기한 것들

• 기존 OS의 사용자 편의를 위한 시스템(가상메모리 , 동적메모리할당 등 ...)을 과감히 버림.

• 스케쥴링 방식

  일반적인 OS가 복잡한 로직을 통해 우선순위를 산정하고 공정하게 스케쥴링을 시도했다면
  RTOS는 철저하게 사용자가 설정한 우선순위를 따르고, 정해진 시간동안만 실행 하는 것을 보장한다.

• 시스템의 복잡함

  일반적인 OS가 해주던 파일시스템, GUI 등등 많은 기능을 제공하기 위해 복잡함을 도입했다면,
  RTOS는 모듈형으로 필요한 기능만 삽입하여 사용이 가능하게 설계 되었다.

• 메모리 관리방식

  가상메모리를 지원하고 동적 메모리 할당을 해주어 사용자가 리소스 관리에 신경을 덜 쓸 수 있도록 해주던 일반적인 OS와 달리
  RTOS는 주로 정적 메모리 할당을 사용하고, 동적 할당은 최소화 한다.
  일부 RTOS는 heap_1 ~ heap_5 등 단순한 메모리 할당기만 제공하며, 가상메모리가 없기 때문에, 메모리 보호 및
  조각화 관리를 직접 설계해야한다.
  즉 , 메모리가 동적으로 할당되고 빠지면서 생기는 fragmentation 문제를 회피, 최소화 할 수 있다.

• 디바이스 드라이버

  I/O 작업을 필요로 할 때, 일반적인 OS는 Block I/O Burst 가 있는 작업을 허용한다. (왜? 프로세스도 많고 멀티태스킹이 잘 되어있음)
  RTOS는 block이 되는 조그마한 시간도 예측 가능해야한다, RTOS는 프로세스가 없기 때문에 Task가 Block 상태로 대기, 이 Task의 우선순위가 가장 높다면 전체 시스템이 Block된다, 이는 곧 실시간성이 무너진다는 소리이다.

  RTOS의 해법 -> Non-Block , Event-driven 설계 , 선점형 스케쥴링 , 타임아웃 기반 I/O 대기
  이는 모두 예외상황을 사용자가 예측하고 정의해두어야한다는 뜻이다.

• ISR (인터럽트 처리)

  위에서 말했듯이, I/O 지연이 있어서는 안된다. 그렇기 때문에 Event-driven 설계를 통해, ISR은 최소화 시킨다.
  예시) 인터럽트 수신 → ISR 진입 → Task 알림 전송 (vTaskNotifyGiveFromISR()) → 빠르게 종료 → 컨텍스트 전환 (portYIELD_FROM_ISR())

• 요약

RTOS는 멀티태스킹 환경을 제공하지만, MMU가 없어 모든 Task가 단일 주소 공간을 공유하며, 하나의 Task가 Block 상태가 되면 스케줄러가 우선순위 Task를 실행하지 못할 수 있기 때문에, 모든 입출력은 비동기적이고 예측 가능한 방식으로 처리되어야 한다.

예제로 보는 흐름 (ESP-IDF freeRTOS)

• 예제 (ESP32 , 애노드 타입 LED 활용한 Blink led 예제)

• 전역변수 및 define 정의

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"

#define LED_PIN GPIO_NUM_2
gpio_config_t io_conf;

• RTOS가 사용할 Task 를 정의한다.

void blink_test(void* pvParameter)
{
	while(1)
    {
    	gpio_set_level(LED_PIN, 0); // 애노드 타입 -> 0 : LED ON
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
        gpio_set_level(LED_PIN, 1); // 1 : LED OFF
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

• 진입점 함수 app_main 정의하기

void app_main(void)
{
	// GPIO 설정 및 적용
	io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << LED_PIN);
    io_conf.pull_down_en = 0;
    io_conf.pull_up_en = 0;
    gpio_config(&io_conf);
    
    // Task 등록 및 스케쥴러 실행
    xTaskCreate(blink_test, "blink_task", 2048, NULL, 5, NULL);
    vTaskStartScheduler();
}

• build를 위한 기초 CMake 구성

  • 디렉터리 구성

    root/
       main/
          main.c
          CMakeLists.txt
       CMakeLists.txt

  • root/CMakeLists.txt

    
    cmake_minimum_required(VERSION 3.16)	#Cmake 버전 명시
    
    include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
    project(blink_led)

  • root/main/CmakeLists.txt

    idf_component_register(
     SRCS "main.c"
     REQUIRES driver freertos
    			)

• H/W 구성
  

  

요약

• 흐름
  스케쥴러 실행 -> Task 가 하나밖에없음. 즉, 우선순위 상관X , 0.5초 마다 Block 상태 -> Idle Task 실행
• 결과
  LED의 Blue 색상 0.5 초 간격으로 깜빡거리며 점등함.

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부록, freeRTOS 메서드 정리

Task 제어

메서드	파라미터	설명
xTaskCreate()	(TaskFunction_t pxTaskCode, const char * const pcName, uint16_t usStackDepth, void *pvParameters, UBaseType_t uxPriority, TaskHandle_t *pxCreatedTask)	Task 생성
vTaskDelay()	(TickType_t xTicksToDelay)	지정한 Tick 수만큼 현재 Task 지연
vTaskDelayUntil()	(TickType_t *pxPreviousWakeTime, TickType_t xTimeIncrement)	주기적인 Task 실행 유지
vTaskStartScheduler()	(void)	스케줄러 시작
vTaskSuspend() / vTaskResume()	(TaskHandle_t xTaskToSuspend)	Task 일시정지 / 재개
vTaskDelete()	(TaskHandle_t xTaskToDelete)	Task 삭제

Task 알림

메서드	파라미터	설명
xTaskNotifyGive()	(TaskHandle_t xTaskToNotify)	Task에 알림 전송 (ISR에서도 사용 가능)
ulTaskNotifyTake()	(BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait)	알림 대기 (수신 시 자동 감소)
xTaskNotify()	(TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue, eNotifyAction eAction)	Task에 값 전달 및 알림
xTaskNotifyWait()	(uint32_t ulBitsToClearOnEntry, uint32_t ulBitsToClearOnExit, uint32_t *pulNotificationValue, TickType_t xTicksToWait)	조건 기반 알림 대기

Queue

메서드	파라미터	설명
xQueueCreate()	(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize)	Queue 생성
xQueueSend() / xQueueSendToBack()	(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait)	Queue에 메시지 전송
xQueueReceive()	(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait)	Queue에서 메시지 수신
xQueuePeek()	(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait)	제거 없이 메시지 확인
uxQueueMessagesWaiting()	(QueueHandle_t xQueue)	대기 중인 메시지 수 확인

세마포 / 뮤텍스

메서드	파라미터	설명
xSemaphoreCreateBinary()	(void)	Binary Semaphore 생성
xSemaphoreCreateMutex()	(void)	Mutex 생성
xSemaphoreTake()	(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xTicksToWait)	자원 점유 시도
xSemaphoreGive()	(SemaphoreHandle_t xSemaphore)	자원 반환

Timer

메서드	파라미터	설명
xTimerCreate()	(const char * const pcTimerName, TickType_t xTimerPeriodInTicks, UBaseType_t uxAutoReload, void *pvTimerID, TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction)	Timer 생성
xTimerStart() / xTimerStop()	(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait)	Timer 시작 / 정지
xTimerChangePeriod()	(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xNewPeriod, TickType_t xTicksToWait)	주기 변경
xTimerReset()	(TimerHandle_t xTimer, TickType_t xTicksToWait)	타이머 리셋

ISR 전용

메서드	파라미터	설명
xQueueSendFromISR()	(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)	ISR 내에서 Queue 전송
xSemaphoreGiveFromISR()	(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)	ISR 내에서 Semaphore 해제
vTaskNotifyGiveFromISR()	(TaskHandle_t xTaskToNotify, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken)	ISR 내에서 Task 알림 전송
portYIELD_FROM_ISR()	(BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken)	ISR 종료 시 컨텍스트 전환 유도

메모리 관리

메서드	파라미터	설명
pvPortMalloc()	(size_t xSize)	동적 메모리 할당
vPortFree()	(void *pv)	메모리 해제