실시간 시스템을 설계하는 과정은 매우 신중하고 체계적인 접근이 요구된다. 특히 Preempt RT 환경에서 실시간 애플리케이션을 개발할 때는 시간 제한 내에서 작업이 수행되도록 보장해야 하며, 시스템의 신뢰성과 예측 가능성을 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 다음과 같은 설계 원칙을 따라야 한다.

1. 결정론적 동작 (Deterministic Behavior)

실시간 시스템에서는 작업의 완료 시간이 예측 가능해야 한다. 이를 위해 시스템의 각 요소가 항상 일정한 시간 안에 완료되는지 확인해야 한다.

결정론적 동작을 달성하기 위해서는 아래와 같은 요소들을 고려해야 한다:

• 작업의 실행 시간 분석: 각 작업의 최악의 실행 시간(Worst Case Execution Time, WCET)을 분석하고, 이를 기반으로 스케줄링을 설계해야 한다.
• 메모리 접근 시간 분석: 메모리 접근 시간은 캐시 미스, 페이지 폴트 등 여러 요인에 의해 달라질 수 있다. 이를 최소화하기 위해 메모리 접근 패턴을 최적화하고, 가능하다면 로컬 메모리를 사용하여 접근 시간을 예측 가능하게 해야 한다.

2. 작업 우선순위 설정 (Task Prioritization)

실시간 시스템에서의 작업들은 우선순위가 명확히 정의되어야 한다. 높은 우선순위를 가진 작업은 낮은 우선순위의 작업보다 선행되어야 하며, 이를 위해 적절한 우선순위 기반 스케줄링 알고리즘을 선택해야 한다.

• 고정 우선순위 스케줄링 (Fixed Priority Scheduling): 각 작업에 고정된 우선순위를 부여하고, 높은 우선순위 작업이 먼저 실행되도록 한다. 이는 Rate Monotonic Scheduling (RMS) 알고리즘에 기반할 수 있다.
• 동적 우선순위 스케줄링 (Dynamic Priority Scheduling): 작업의 상태나 시스템의 현재 상황에 따라 우선순위가 변하는 방식이다. Earliest Deadline First (EDF) 알고리즘이 대표적인 예이다.

우선순위를 설정할 때는 작업 간의 상호 의존성, 주기성, 그리고 작업의 중요도를 고려해야 한다.

3. 응답 시간 분석 (Response Time Analysis)

실시간 시스템에서는 작업이 주어진 시간 안에 완료될 수 있는지, 즉 응답 시간을 분석하는 것이 필수적이다. 응답 시간 $R_i$는 다음과 같이 계산된다:

여기서: - $R_i$: 작업 $i$의 응답 시간 - $C_i$: 작업 $i$의 실행 시간 - $hp(i)$: 작업 $i$보다 높은 우선순위를 가진 작업들의 집합 - $T_j$: 작업 $j$의 주기

응답 시간이 작업의 데드라인보다 작거나 같도록 시스템을 설계해야 한다.

4. 데드라인 준수 (Deadline Adherence)

모든 실시간 작업은 명확한 데드라인이 있어야 하며, 작업의 응답 시간은 반드시 이 데드라인 내에 포함되어야 한다. 데드라인을 준수하지 않는 작업은 시스템 오류를 일으킬 수 있으므로, 철저히 관리되어야 한다.

데드라인 준수는 세 가지 유형으로 구분할 수 있다:

• 하드 데드라인 (Hard Deadline): 절대적으로 준수해야 하는 데드라인으로, 이를 위반하면 시스템 전체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
• 소프트 데드라인 (Soft Deadline): 일정 수준에서 위반이 허용되지만, 위반의 빈도와 정도가 시스템의 품질에 영향을 미친다.
• 펌 데드라인 (Firm Deadline): 위반 시 해당 작업의 결과는 더 이상 유효하지 않으며, 폐기된다.

5. 시스템 자원 관리 (Resource Management)

실시간 시스템에서는 CPU, 메모리, I/O 등 다양한 자원을 효율적으로 관리해야 한다. 특히, Preempt RT 환경에서는 우선순위 역전(priority inversion)과 같은 문제가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

• 우선순위 역전 방지: 우선순위가 낮은 작업이 자원을 점유하고 있는 동안 우선순위가 높은 작업이 대기하게 되는 상황을 방지하기 위해, Priority Inheritance 또는 Priority Ceiling 프로토콜을 사용하여 우선순위 역전을 관리할 수 있다.
• 자원 공유와 동기화: 여러 작업이 자원을 공유할 때, 경쟁 조건(race condition)을 방지하고, 시스템의 결정론적 동작을 보장하기 위해 적절한 동기화 메커니즘(예: 뮤텍스, 세마포어)을 사용해야 한다.

6. 타이밍 제약 준수 (Timing Constraints Compliance)

실시간 시스템에서 타이밍 제약을 준수하기 위해서는 각 작업이 정확한 시간에 시작되고 완료되도록 보장해야 한다. 이를 위해 다음과 같은 방법들을 사용할 수 있다:

• 타이머 및 타임 스탬프 사용: 정밀한 타이머와 타임 스탬프를 사용하여 작업의 시작과 종료 시간을 정확히 기록하고, 타이밍 오차를 최소화한다.
• 주기적 작업 스케줄링: 주기적 작업의 경우, 주기성을 유지하면서 데드라인 내에 완료될 수 있도록 스케줄링해야 한다.

7. 동시성 관리 (Concurrency Management)

동시성은 실시간 시스템에서 필수적으로 고려해야 할 요소이다. 여러 작업이 동시에 실행될 수 있기 때문에, 동시성으로 인한 문제를 예방하고 처리하는 것이 중요하다.

• 작업 간 상호작용 관리: 작업 간의 데이터 공유 및 통신에서 발생할 수 있는 문제를 예방하기 위해 동기화 메커니즘을 사용한다. 예를 들어, 크리티컬 섹션을 보호하기 위해 락이나 세마포어를 사용할 수 있다.
• 경쟁 조건 방지: 두 개 이상의 작업이 동시에 동일한 자원에 접근하는 경우, 경쟁 조건이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 자원 접근을 직렬화하고, 임계 구역을 최소화하여 경쟁 조건을 해결해야 한다.

8. 시스템 예측 가능성 확보 (System Predictability)

실시간 시스템은 높은 예측 가능성을 요구한다. 시스템의 동작이 예측 가능해야 신뢰성을 보장할 수 있으며, 특히 Preempt RT 환경에서는 이러한 예측 가능성이 중요하다.

• 시스템 모델링: 시스템의 모든 작업과 자원 사용 패턴을 모델링하고, 시뮬레이션을 통해 예상되는 동작을 분석한다. 이를 통해 시스템의 예측 가능성을 확인하고, 문제점을 사전에 해결할 수 있다.
• 정적 분석: 코드와 시스템 구성 요소에 대해 정적 분석을 수행하여 예측하지 못한 동작이나 잠재적인 오류를 찾아내고 제거한다.

9. 응답성과 효율성 균형 (Balancing Responsiveness and Efficiency)

실시간 시스템에서 응답성과 효율성을 동시에 고려해야 한다. 응답성은 시스템이 빠르게 반응할 수 있도록 보장하며, 효율성은 자원을 최적화하여 사용하는 것을 의미한다.

• 응답성 향상: 높은 우선순위 작업에 더 많은 CPU 시간을 할당하고, 인터럽트 처리 시간을 최소화하여 시스템의 응답성을 향상시킨다.
• 효율성 최적화: 주기적 작업과 비주기적 작업 간의 균형을 맞추고, 불필요한 자원 낭비를 줄여 효율성을 최적화한다.

10. 확장성 고려 (Scalability Considerations)

실시간 시스템은 장기적인 관점에서 확장 가능해야 한다. 시스템의 작업량이 증가하거나 새로운 작업이 추가되더라도 성능이 저하되지 않도록 설계해야 한다.

• 모듈화 설계: 시스템을 모듈화하여 각 모듈이 독립적으로 확장될 수 있도록 설계한다. 이를 통해 특정 모듈의 확장이 다른 모듈에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
• 부하 분산: 작업 부하를 여러 프로세서나 코어에 고르게 분산시켜 확장성을 높인다. 이를 위해 다중 코어 스케줄링 알고리즘을 사용하거나, 작업을 동적으로 분배하는 방법을 고려할 수 있다.