실시간 커널과 일반 커널의 차이점

실시간 커널과 일반 커널의 차이점을 이해하기 위해서는 먼저 각 커널의 기본 개념과 목적을 이해하는 것이 중요하다. 리눅스 커널은 운영 체제의 핵심 부분으로, 하드웨어와 소프트웨어 간의 상호작용을 관리한다. 일반 커널은 대부분의 데스크톱, 서버, 모바일 장치 등에서 사용되는 표준 리눅스 커널을 의미하며, 성능, 유연성, 안정성 등을 주로 중시한다.

반면에 실시간 커널, 특히 Preempt RT(Preempt Real-Time) 커널은 엄격한 시간 제약을 준수해야 하는 시스템을 위해 설계되었다. 실시간 커널의 주요 목표는 특정 작업이 반드시 정해진 시간 내에 완료될 수 있도록 보장하는 것이다.

개요

일반 리눅스 커널은 다양한 작업을 효율적으로 처리하도록 설계되었으며, 작업 간의 스케줄링과 자원 관리가 주로 성능과 공정성을 중심으로 이루어진다. 이 과정에서 커널의 작업들이 다른 작업에 의해 중단될 수 있으며, 이러한 중단은 커널의 전반적인 효율성에 기여하지만, 실시간성(real-time)을 요구하는 작업에 있어서는 문제를 야기할 수 있다.

Preempt RT 커널은 실시간성을 강화하기 위해 일반 커널에 여러 패치를 적용하여 설계된 변형된 커널이다. 이러한 패치는 작업의 선점 가능성을 증가시키고, 커널에서 발생하는 지연(latency)을 최소화하는 데 중점을 둔다.

주요 차이점

1. 선점 가능성 (Preemptibility)

일반 리눅스 커널에서 선점(preemption)은 특정한 조건에서만 가능하며, 이로 인해 커널 작업이 다른 더 중요한 작업에 의해 중단되지 않고 끝까지 실행될 수 있다. 이로 인해 특정 작업의 응답 시간이 길어질 수 있다. 일반 커널에서의 선점은 주로 사용자 공간(user space)에서만 발생하며, 커널 모드에서는 제한적으로만 이루어진다.

Preempt RT 커널은 선점 가능성을 크게 높였다. Preempt RT에서는 커널 모드에서도 거의 모든 지점에서 작업을 선점할 수 있다. 이는 커널이 더 짧은 응답 시간을 유지할 수 있도록 하며, 실시간 작업이 언제든지 다른 작업을 중단하고 실행될 수 있게 만든다.

$\text{Latency}_{\text{Preempt RT}} \ll \text{Latency}_{\text{General Kernel}}$

2. 인터럽트 처리 (Interrupt Handling)

일반 커널에서는 하드웨어 인터럽트가 발생하면 인터럽트 서비스 루틴(ISR)이 즉시 실행되고, 이 ISR이 완료될 때까지 다른 작업들이 중단된다. 또한, ISR은 일반적으로 비선점적(non-preemptive)이며, 이로 인해 실시간 응답 시간에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

Preempt RT 커널에서는 ISR이 스레드(Thread) 형태로 실행되며, 이는 우선순위가 낮은 스레드가 높은 우선순위를 가진 실시간 스레드에 의해 선점될 수 있음을 의미한다. 이를 통해 인터럽트 처리 중에도 실시간 작업의 실행을 보장할 수 있다.

$\mathbf{T_{interrupt}}^{\text{General Kernel}} > \mathbf{T_{interrupt}}^{\text{Preempt RT}}$

3. 커널 락과 동기화 (Kernel Locks and Synchronization)

일반 커널에서는 여러 작업이 동시에 실행될 때 데이터 무결성을 유지하기 위해 커널 락이 사용된다. 이러한 락은 비선점적이기 때문에, 락이 걸려 있는 동안 다른 작업이 실행되지 못하고 대기해야 할 수 있다. 이는 실시간 작업이 필요한 시점에 실행되지 못하고 지연되는 문제를 야기할 수 있다.

Preempt RT 커널에서는 대부분의 커널 락이 선점 가능한 형태로 변경된다. 이를 통해 락이 걸려 있는 동안에도 높은 우선순위를 가진 실시간 작업이 해당 락을 선점하여 실행될 수 있다. 이러한 변경은 실시간 응답 시간을 개선하는 데 큰 기여를 한다.

$\text{Lock}_{\text{Preempt RT}} = \text{Preemptible Lock}$

4. 스케줄링 정책 (Scheduling Policy)

일반 리눅스 커널은 스케줄링 정책으로 CFS(Completely Fair Scheduler)와 같은 공정성을 중시하는 스케줄러를 사용한다. 이러한 스케줄러는 시스템의 전체적인 성능과 공정성을 고려하여 각 프로세스에 CPU 시간을 분배한다. 이 과정에서 실시간 작업은 반드시 정해진 시간 내에 실행되어야 하는 요구 사항을 충족하지 못할 수 있다.

Preempt RT 커널은 실시간 스케줄링 정책을 강화하기 위해 SCHED_FIFO와 SCHED_RR과 같은 고정 우선순위 스케줄링 정책을 활용한다. 이 스케줄링 정책들은 실시간 작업이 높은 우선순위를 가지도록 설정하여, 다른 일반 작업보다 먼저 CPU를 차지할 수 있게 한다. SCHED_FIFO는 선입선출 방식으로 높은 우선순위 작업이 먼저 실행되며, SCHED_RR은 라운드 로빈 방식으로 시간을 균등하게 분배하지만 여전히 우선순위를 유지한다.

$\mathbf{P_{\text{SCHED\_FIFO}}} > \mathbf{P_{\text{CFS}}}$

$\mathbf{P_{\text{SCHED\_RR}}} > \mathbf{P_{\text{CFS}}}$

이러한 스케줄링 정책은 실시간 응답 시간의 보장을 위해 필수적이며, Preempt RT 커널은 이를 통해 실시간성 요구를 충족할 수 있다.

5. 타이머 해상도 (Timer Resolution)

일반 리눅스 커널의 타이머 해상도는 수 밀리초(ms) 단위로 설정되며, 이는 대부분의 작업에 충분하지만, 실시간 작업의 경우 더 정밀한 타이머가 필요할 수 있다. 예를 들어, 특정 작업이 1ms 이하의 정확도로 실행될 필요가 있다면, 일반 커널의 타이머 해상도는 충분하지 않을 수 있다.

Preempt RT 커널에서는 타이머 해상도가 크게 향상되어 마이크로초(μs) 단위까지 가능하게 된다. 이는 실시간 작업이 더 정밀하게 스케줄링되고 실행될 수 있도록 하며, 실시간 응답 시간을 더욱 정확하게 제어할 수 있다.

$\mathbf{Resolution}_{\text{Preempt RT}} \approx \mathbf{1\ \mu s}$

$\mathbf{Resolution}_{\text{General Kernel}} \approx \mathbf{1\ ms}$

이러한 타이머 해상도의 차이는 실시간 작업의 정확한 실행을 보장하는 데 중요한 역할을 한다.

6. 우선순위 역전 문제 (Priority Inversion)

일반 리눅스 커널에서 우선순위 역전(priority inversion) 문제가 발생할 수 있다. 이는 낮은 우선순위를 가진 작업이 자원을 점유하고 있는 동안, 높은 우선순위를 가진 작업이 그 자원을 기다리게 되어 우선순위가 낮은 작업보다 더 오랫동안 대기하게 되는 상황을 말한다. 우선순위 역전은 실시간 시스템에서 치명적인 문제로 작용할 수 있다.

Preempt RT 커널은 우선순위 상속(priority inheritance) 메커니즘을 도입하여 이러한 문제를 해결한다. 우선순위 상속은 낮은 우선순위를 가진 작업이 높은 우선순위 작업에 필요한 자원을 점유하고 있을 때, 낮은 우선순위 작업이 임시로 높은 우선순위를 상속받아 자원을 빠르게 해제하도록 한다. 이를 통해 실시간 작업의 지연을 최소화할 수 있다.

$\mathbf{P_{\text{inversion}}} \rightarrow \mathbf{P_{\text{inheritance}}}$

7. IRQ 처리와 서브 시스템 최적화 (IRQ Handling and Subsystem Optimization)

일반 커널에서는 하드웨어 인터럽트(IRQ)가 발생하면 인터럽트를 즉시 처리하고, 이로 인해 다른 중요한 작업들이 대기 상태에 놓이게 된다. 또한, 많은 서브 시스템들이 비선점적인 방식으로 동작하기 때문에 실시간 작업의 성능에 영향을 줄 수 있다.

Preempt RT 커널에서는 IRQ를 스레드화하여 실시간 스케줄러에 의해 제어될 수 있게 하며, 서브 시스템의 선점성을 강화하여 실시간 응답 시간을 더욱 최적화한다. 이로 인해 실시간 작업의 예측 가능성과 신뢰성이 크게 향상된다.

$\text{IRQ}_{\text{threaded}} \rightarrow \text{Preemptible IRQ Handling}$

이와 같은 최적화는 실시간 커널의 핵심적인 차별화 요소로 작용하며, 다양한 산업 분야에서 Preempt RT 커널을 사용하게 되는 주요 이유 중 하나이다.