주기적 작업을 위한 타이머 프로그래밍

Preempt RT에서 실시간 애플리케이션을 개발할 때, 주기적인 작업을 정확하게 수행하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해서는 주기적 타이머를 설정하고 관리하는 방법을 잘 이해해야 한다. 이 절에서는 리눅스 커널에서 제공하는 타이머 인터페이스를 이용하여 주기적 작업을 구현하는 방법을 다루며, 실시간 타이머 프로그래밍의 주요 개념과 기법에 대해 설명한다.

주기적 타이머의 개요

주기적 타이머는 일정한 시간 간격마다 특정 작업을 실행할 수 있도록 해주는 메커니즘이다. 이는 예를 들어 센서 데이터를 일정 간격으로 읽어들이거나, 실시간으로 이벤트를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 주기적 타이머의 핵심은 정확한 주기성을 유지하는 것이며, Preempt RT의 실시간 기능을 통해 이러한 정확성을 극대화할 수 있다.

주기적 타이머 설정

주기적 타이머를 설정하기 위해서는 리눅스의 타이머 인터페이스를 사용하게 된다. Preempt RT에서는 실시간 특성을 고려하여 이 인터페이스를 통해 더욱 정밀한 타이밍 제어를 수행할 수 있다. 타이머 설정의 기본 과정은 다음과 같다.

타이머 객체 초기화: 타이머를 사용하기 위해 먼저 타이머 객체를 초기화해야 한다. 이는 timer_create() 함수를 통해 이루어진다.

```c struct sigevent sev; timer_t timerid;

sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL; sev.sigev_signo = SIGRTMIN; sev.sigev_value.sival_ptr = &timerid; timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &timerid); ```

타이머 주기 설정: 타이머의 주기는 itimerspec 구조체를 사용하여 설정할 수 있다. 이 구조체는 타이머의 초기 만료 시간과 반복 주기를 지정한다.

```c struct itimerspec its;

its.it_value.tv_sec = 1; // 1초 후 첫 만료 its.it_value.tv_nsec = 0; its.it_interval.tv_sec = 1; // 1초 주기 its.it_interval.tv_nsec = 0;

timer_settime(timerid, 0, &its, NULL); ```

타이머 시작 및 실행: 타이머가 설정되면 timer_settime() 함수를 호출하여 타이머를 시작할 수 있다. 설정된 시간 간격에 따라 지정된 신호가 발생하며, 이 신호를 처리하는 핸들러를 통해 주기적인 작업을 수행할 수 있다.

타이머 프로그래밍의 주의 사항

실시간 시스템에서는 타이머 프로그래밍 시 몇 가지 주의할 사항이 있다.

타이머 해상도: 타이머의 해상도는 시스템의 타이머 인터럽트 주기와 관련이 있다. 일반적인 리눅스 커널에서는 해상도가 몇 밀리초 단위일 수 있지만, Preempt RT에서는 이 해상도를 마이크로초 단위까지 줄일 수 있다. 따라서 타이머 해상도를 설정할 때 시스템의 능력을 고려해야 한다.
우선순위: 실시간 타이머를 사용하는 스레드의 우선순위를 적절하게 설정해야 한다. 우선순위가 낮을 경우, 다른 작업에 의해 타이머 신호의 처리가 지연될 수 있다.
타이머 드리프트: 주기적인 타이머는 시간이 지남에 따라 미세한 오차가 누적되어 원래의 주기에서 벗어날 수 있다. 이를 타이머 드리프트라고 하며, 이 현상을 최소화하기 위해 타이머가 만료될 때마다 정확한 시간 간격으로 재설정하는 방법을 사용할 수 있다.

주기적 작업을 위한 타이머의 수학적 모델

주기적 타이머를 수학적으로 모델링하기 위해서는 다음과 같은 개념들을 사용할 수 있다.

타이머 주기 $T$ : 타이머가 특정 작업을 반복하는 주기이다. 이는 타이머가 실행되는 간격을 나타내며, 타이머 설정 시 중요한 파라미터이다.
타이머 오차 $E(t)$ : 타이머가 실제로 실행된 시간과 기대된 실행 시간 간의 차이를 의미한다. 이 오차는 다음과 같이 정의할 수 있다.

$E(t) = \mathbf{T_{actual}}(t) - \mathbf{T_{expected}}(t)$

여기서, $\mathbf{T_{actual}}(t)$ 은 실제 타이머가 만료된 시간, $\mathbf{T_{expected}}(t)$ 은 예상된 만료 시간을 나타낸다.

누적 오차 $C(t)$ : 일정 시간 동안의 오차가 누적된 값을 의미한다.

$C(t) = \sum_{i=1}^{n} E(t_i)$

이 값이 커질 경우, 타이머 드리프트가 발생하게 되며 주기적 작업의 정확도가 떨어질 수 있다.

주기적 타이머의 사용 사례

Preempt RT 기반의 시스템에서 주기적 타이머는 다음과 같은 다양한 사용 사례에서 적용될 수 있다.

센서 데이터 수집: 주기적인 간격으로 센서 데이터를 읽어들이고, 이를 실시간으로 처리하거나 저장하는 작업.
통신 프로토콜 유지 관리: 주기적으로 신호를 보내거나 상태를 확인하여 통신 채널을 유지하는 작업.
실시간 모니터링 시스템: 시스템의 상태를 주기적으로 확인하고 이상 여부를 탐지하는 작업.

타이머 프로그래밍의 최적화

실시간 시스템에서 타이머의 성능을 최적화하기 위해 몇 가지 기법을 사용할 수 있다.

적절한 타이머 선택: 리눅스는 다양한 타이머 유형을 제공한다. 예를 들어, CLOCK_REALTIME과 CLOCK_MONOTONIC 타이머를 선택할 수 있다. CLOCK_REALTIME은 시스템의 실제 시간을 기준으로 하며, 시스템 시간이 변경될 때 영향을 받을 수 있다. 반면 CLOCK_MONOTONIC은 시스템 부팅 이후 경과된 시간을 기준으로 하며, 시간 변경의 영향을 받지 않는다. 주기적인 작업에 있어서는 CLOCK_MONOTONIC을 사용하는 것이 일반적으로 더 안정적이다.
타이머 핸들러 최적화: 타이머 핸들러 함수는 가능한 한 빠르고 간단하게 유지하는 것이 중요하다. 핸들러가 복잡할수록 타이머 간의 오차가 증가할 수 있으며, 이는 주기적 작업의 정확성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 핸들러에서는 최소한의 작업만 수행하고, 추가적인 작업은 별도의 스레드에서 처리하는 것이 좋다.
타이머 정확성 보장: 타이머의 정확성을 보장하기 위해서는 타이머 만료 시점에 시스템이 가능한 한 신속하게 핸들러를 호출할 수 있도록 해야 한다. 이를 위해 타이머가 만료되는 시점에서의 시스템 부하를 최소화하고, 스케줄러의 설정을 조정할 수 있다.

주기적 타이머와 Preempt RT 스케줄러의 상호 작용

Preempt RT의 스케줄러는 실시간 작업의 우선순위를 관리하며, 주기적 타이머가 정확하게 작동하도록 보장한다. 여기서 중요한 점은 타이머에 의해 트리거된 작업이 높은 우선순위를 가지도록 설정해야 하며, 그렇지 않으면 다른 비실시간 작업에 의해 타이머가 지연될 수 있다는 것이다.

SCHED_FIFO와 SCHED_RR의 활용: Preempt RT에서는 SCHED_FIFO와 SCHED_RR 스케줄링 정책을 사용할 수 있다. 이들 정책을 활용하여 타이머에 의해 트리거된 작업의 우선순위를 적절히 관리할 수 있다. 예를 들어, SCHED_FIFO는 작업이 완료될 때까지 CPU를 독점적으로 사용할 수 있도록 하며, 이는 타이머 기반 작업이 지연 없이 실행되도록 보장할 수 있다.
타이머 우선순위 조정: 타이머의 우선순위는 sched_setscheduler() 함수를 사용하여 조정할 수 있다. 이를 통해 중요한 주기적 작업이 항상 제 시간에 실행되도록 보장할 수 있다.

예제 코드: 주기적 타이머 구현

다음은 주기적 타이머를 설정하고, 주기적으로 작업을 수행하는 간단한 예제 코드이다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

void timer_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("Timer expired %d times\n", ++count);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    struct itimerspec its;
    timer_t timerid;
    struct sigevent sev;

    /* Set up signal handler. */
    sa.sa_flags = SA_RESTART;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL);

    /* Create the timer. */
    sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    sev.sigev_signo = SIGRTMIN;
    sev.sigev_value.sival_ptr = &timerid;
    timer_create(CLOCK_MONOTONIC, &sev, &timerid);

    /* Start the timer. */
    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(timerid, 0, &its, NULL);

    /* Wait for the timer to expire. */
    while (1) {
        pause();
    }

    return 0;
}

이 예제에서 타이머는 1초마다 만료되며, timer_handler 함수가 호출된다. 이 함수는 타이머가 만료된 횟수를 출력하는 단순한 작업을 수행한다.

타이머 드리프트 보정

주기적 타이머를 사용할 때 발생할 수 있는 타이머 드리프트를 보정하기 위한 방법도 고려해야 한다. 타이머 드리프트는 주기적인 작업이 시간이 지남에 따라 점점 더 큰 오차를 발생시키는 문제를 일으킬 수 있다. 이를 보정하기 위해서는 타이머가 만료될 때마다 기준 시간에 대해 정확하게 재설정하는 방법을 사용할 수 있다.

$T_{next} = T_{start} + n \times T_{period}$

여기서 $T_{next}$ 는 다음 주기의 타이머 만료 시간, $T_{start}$ 는 타이머가 처음 시작된 시간, $T_{period}$ 는 타이머 주기, $n$ 은 현재 주기의 인덱스이다. 이렇게 하면 타이머가 주기적으로 정확하게 만료되도록 보장할 수 있다.