실시간 시스템에서 타이머는 정해진 주기나 일정 시간 간격으로 작업을 수행하는 데 필수적이다. Preempt RT 패치가 적용된 리눅스 커널에서는 실시간 타이머를 활용하여 높은 정확도의 시간 제어를 가능하게 한다. 이 장에서는 실시간 타이머의 설정 방법과 사용 방법을 다룬다.

실시간 타이머의 개념

실시간 타이머는 시스템 클록에 기반하여 설정된 시간 간격마다 인터럽트를 발생시키는 메커니즘이다. 이 인터럽트는 특정 작업을 수행하는 데 사용되며, 실시간 애플리케이션에서는 이러한 작업이 시간 내에 정확하게 완료되는 것이 중요하다. 일반적인 리눅스 타이머와 달리, Preempt RT 환경에서는 타이머의 정확도가 강화되어 지연(latency)이 최소화된다.

타이머의 기본 설정

실시간 타이머를 설정하기 위해서는 clock_gettime, timer_create, timer_settime 등의 POSIX 타이머 API를 사용할 수 있다. 이 API들은 각각의 기능에 따라 타이머의 현재 시간 값을 얻거나 새로운 타이머를 생성하고 설정하는 데 사용된다.

#include <time.h>

struct timespec current_time;
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &current_time);

이 예제에서는 CLOCK_REALTIME을 사용하여 현재 시간을 가져온다. Preempt RT에서는 CLOCK_MONOTONIC과 같은 다른 클록 소스를 사용할 수도 있다. 이는 시스템 시작 이후의 경과 시간을 나타내며, 시스템 시간이 조정되어도 영향을 받지 않는다.

주기적 타이머 설정

주기적 타이머는 주어진 시간 간격마다 반복적으로 작업을 수행할 때 사용된다. 이를 위해 timer_create 함수로 타이머를 생성하고, timer_settime 함수로 타이머의 간격을 설정한다.

timer_t timer_id;
struct sigevent sev;
struct itimerspec its;

sev.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
sev.sigev_value.sival_ptr = &timer_id;
timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &timer_id);

its.it_value.tv_sec = 1;
its.it_value.tv_nsec = 0;
its.it_interval.tv_sec = 1;
its.it_interval.tv_nsec = 0;

timer_settime(timer_id, 0, &its, NULL);

위 코드에서는 1초마다 반복적으로 호출되는 타이머를 설정한다. it_value는 타이머가 처음 발동될 시간을 지정하며, it_interval은 타이머의 주기를 설정한다.

타이머의 정확도 및 지연

실시간 시스템에서 타이머의 정확도는 매우 중요하다. 타이머의 정확도는 타이머가 설정된 시간에 얼마나 가까이 작동하는지를 의미하며, 이는 타이머 지연(latency)에 크게 영향을 받는다. 타이머 지연은 여러 요인에 의해 발생할 수 있다.

여기서, $\mathbf{T}_\text{target}$은 타이머가 발동되어야 하는 목표 시간이며, $\mathbf{T}_\text{actual}$은 실제로 타이머가 발동된 시간이다. 타이머 지연이 큰 경우, 실시간 성능에 심각한 문제가 발생할 수 있다.

타이머 지연을 최소화하기 위해 Preempt RT는 하드웨어 타이머 인터럽트를 빠르게 처리할 수 있도록 시스템의 우선순위를 조정하며, 실시간 프로세스가 가능한 한 빠르게 실행될 수 있도록 커널 레벨에서 다양한 최적화가 이루어진다.

실시간 타이머의 설정 방법

타이머를 설정할 때 중요한 것은 타이머의 정확한 시간 간격을 설정하는 것이다. struct itimerspec 구조체를 사용하여 타이머의 시작 시간과 간격을 설정할 수 있다. 이 구조체는 it_value와 it_interval 두 가지 필드를 가지고 있으며, 각각 타이머가 처음 발동되는 시간과 타이머의 주기를 정의한다.

struct itimerspec its;
its.it_value.tv_sec = 0;         // 타이머의 초기 값 (초)
its.it_value.tv_nsec = 50000000; // 타이머의 초기 값 (나노초)
its.it_interval.tv_sec = 0;      // 주기적 간격 (초)
its.it_interval.tv_nsec = 50000000; // 주기적 간격 (나노초)

이 설정은 타이머가 50ms 간격으로 반복 실행되도록 만든다. 설정된 시간 후 타이머가 처음 발동되며, 이후 매 50ms마다 타이머가 다시 발동된다.

타이머 이벤트 처리

타이머 이벤트가 발생했을 때 이를 처리하기 위해서는 적절한 이벤트 핸들러를 등록해야 한다. 이는 주로 sigevent 구조체를 사용하여 설정한다. 예를 들어, 타이머가 특정 스레드에서 실행되도록 설정할 수 있다.

struct sigevent sev;
sev.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
sev.sigev_notify_function = &timer_handler;
sev.sigev_notify_attributes = NULL; 

이 코드는 타이머가 발동될 때 timer_handler 함수가 호출되도록 설정한다. 이 방법은 타이머에 의해 수행될 작업이 매우 짧고 결정적인 경우에 유용하다.

타이머 해제

사용된 타이머는 더 이상 필요하지 않을 때 해제하는 것이 중요하다. 이는 시스템 자원을 효율적으로 관리하기 위해 필요하다. 타이머를 해제하는 방법은 timer_delete 함수를 사용하는 것이다.

timer_delete(timer_id);

위 코드는 timer_id로 지정된 타이머를 삭제하여 더 이상 타이머 이벤트가 발생하지 않도록 한다.

주기적 작업을 위한 타이머 활용

실시간 시스템에서는 주기적 작업이 매우 중요하다. 타이머를 사용하여 주기적으로 특정 작업을 수행하도록 할 수 있다. 예를 들어, 10ms마다 센서 데이터를 읽어오는 작업을 수행하려면, 타이머를 10ms 간격으로 설정하고, 타이머 핸들러에서 센서 읽기 작업을 수행하면 된다.

void timer_handler(union sigval sv) {
    read_sensor_data();
}

이 코드는 타이머 핸들러가 호출될 때마다 read_sensor_data 함수를 호출하여 센서 데이터를 읽어온다.

실시간 타이머의 응답 시간 측정

실시간 시스템에서 타이머의 응답 시간은 매우 중요한 성능 지표이다. 응답 시간을 측정하기 위해 타이머가 발동된 시점과 실제 작업이 수행된 시점의 차이를 계산할 수 있다.

여기서 $\mathbf{T}_\text{handler}$는 타이머 핸들러가 실행된 시간이고, $\mathbf{T}_\text{trigger}$는 타이머가 설정된 시간이다. 응답 시간이 짧을수록 타이머의 성능이 우수하다고 할 수 있다.

실시간 타이머의 활용 사례

실시간 타이머는 다양한 실시간 애플리케이션에서 활용된다. 예를 들어, 주기적으로 시스템 상태를 모니터링하거나, 정해진 시간 간격으로 데이터를 수집하고 분석하는 작업에 사용된다. 이러한 작업들은 정확한 시간 제어가 필수적이며, Preempt RT의 실시간 타이머는 이러한 요구를 충족시킬 수 있다.

실시간 타이머는 또한 하드 실시간 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다. 하드 실시간 시스템에서는 특정 작업이 반드시 정해진 시간 내에 완료되어야 하며, 타이머의 지연이나 오차가 허용되지 않는다. 따라서 실시간 타이머의 설정과 관리가 실시간 시스템 설계의 핵심 요소가 된다.