임베디드 시스템의 운영체제 이해하기.

자동제어에서 운영체제(OS)는 하드웨어와 소프트웨어 사이에서 중개자 역할을 수행한다. 임베디드 시스템에서는 리소스가 제한적이기 때문에, 운영체제는 하드웨어와 소프트웨어 리소스를 효율적으로 관리하고, 시스템의 안정성과 신뢰성을 보장해야 한다. 따라서, 자동제어에서는 적합한 운영체제를 선택하고, 이를 잘 이해하여야 한다.

 

임베디드 시스템에서는 일반적으로 실시간 운영체제가 사용된다. 실시간 운영체제는 하드웨어 리소스와 시간 제약을 고려하여 설계된 운영체제로, 임베디드 시스템에서는 센서 데이터와 같은 실시간 데이터를 처리하고, 정확한 타이밍으로 제어 신호를 생성하기 위해 사용된다.

 

실시간 운영체제는 크게 두 가지 유형으로 나뉘는데, 하나는 Hard Real-Time Operating System(HRTOS), 다른 하나는 Soft Real-Time Operating System(SRTOS)이다. HRTOS는 미리 정의된 시간 제약에 맞추어 작업을 수행하는 실시간 운영체제로, 타이밍과 안정성이 매우 중요한 자동제어에서 많이 사용된다. SRTOS는 상대적으로 타이밍에 덜 엄격한 운영체제로, 타이밍보다는 기능성이 중요한 시스템에서 사용된다.

 

실시간 운영체제는 다양한 기능을 제공한다. 먼저, 태스크 스케줄링 기능이 있다. 태스크 스케줄링은 CPU 시간을 각 태스크에 할당하는 방법을 결정하는 것으로, 우선순위 기반 스케줄링, 라운드 로빈 스케줄링 등의 방법이 있다. 또한, 인터럽트 처리 기능이 있다. 인터럽트는 하드웨어나 소프트웨어에서 발생하는 이벤트로, 운영체제는 이를 처리하여 태스크에 알리거나, 시스템 리소스를 할당하는 등의 작업을 수행한다.

 

실시간 운영체제는 다양한 IPC(Inter-Process Communication) 기법을 제공한다. IPC는 프로세스나 태스크 간의 데이터 공유나, 메시지 전송 등을 위한 기법으로, 센서 데이터를 처리하고 제어 신호를 생성하는 자동제어 시스템에서는 매우 중요한 기능이다. 대표적인 IPC 기법으로는 메시지 큐, 세마포어, 뮤텍스 등이 있다. 메시지 큐는 메시지를 주고받는 큐로, 데이터 전송이나 태스크 간의 동기화에 사용된다. 세마포어는 공유 리소스에 대한 접근을 제어하는 동기화 기법으로, 크리티컬 섹션(Critical Section) 문제를 해결하는 데 사용된다. 뮤텍스는 세마포어와 유사한 기능을 제공하지만, 세마포어보다 더 간단하고 빠르게 사용할 수 있다는 장점이 있다.

 

또한, 실시간 운영체제는 메모리 관리 기능도 제공한다. 메모리 관리는 시스템에서 사용하는 메모리를 효율적으로 관리하는 것으로, 메모리 할당과 해제, 메모리 보호 등의 작업을 수행한다. 임베디드 시스템에서는 메모리가 제한적이기 때문에, 메모리 관리가 매우 중요하다.

 

실시간 운영체제는 또한 디바이스 드라이버와의 인터페이스를 제공한다. 디바이스 드라이버는 하드웨어와 소프트웨어 사이에서 데이터 전송을 담당하는 모듈로, 임베디드 시스템에서는 다양한 디바이스 드라이버를 사용한다. 운영체제는 이러한 디바이스 드라이버와의 인터페이스를 제공하여, 하드웨어와 소프트웨어 간의 원활한 통신을 가능하게 한다.

 

실시간 운영체제의 동작 원리를 이해하기 위해서는, 다음과 같은 수식과 개념을 이해해야 한다.

 

1. 태스크(Task)

시스템에서 실행되는 프로세스 또는 함수 등의 단위

각 태스크는 우선순위(priority)를 가지고 있으며, 우선순위가 높은 태스크가 먼저 실행된다.

각 태스크는 실행되는 동안 CPU 시간을 할당받아 작업을 수행한다.

 

2. 스케줄러(Scheduler)

태스크 스케줄링을 담당하는 모듈

각 태스크의 우선순위에 따라 CPU 시간을 할당하며, 높은 우선순위의 태스크가 먼저 실행되도록 스케줄링한다.

 

3. 인터럽트(Interrupt)

하드웨어나 소프트웨어에서 발생하는 이벤트로, 현재 실행 중인 태스크의 작업을 중단하고 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, ISR)을 실행한다.

인터럽트 처리가 끝나면, 이전에 실행 중이던 태스크의 작업을 이어서 수행한다.

 

4. 컨텍스트 스위칭(Context Switching)

현재 실행 중인 태스크의 상태를 저장하고, 다음 실행할 태스크의 상태를 불러오는 작업

컨텍스트 스위칭이 필요한 경우에는, 현재 실행 중인 태스크의 작업을 중지하고 해당 태스크의 상태를 저장한 후, 다음 실행할 태스크의 상태를 불러와 작업을 수행한다.

이러한 동작을 반복하여 다수의 태스크를 동시에 실행하며, 실시간성을 보장한다.