프로젝트 개요 및 요구 사항 분석

프로젝트 개요

이 프로젝트의 목표는 Preempt RT(Real-Time) 패치를 적용한 리눅스 커널을 기반으로 한 실시간 제어 시스템을 개발하는 것이다. 실시간 제어 시스템은 다양한 산업 및 연구 분야에서 사용되며, 시스템의 응답 시간과 처리 지연을 최소화하는 것이 중요하다. Preempt RT 패치는 이러한 요구를 충족하기 위해 리눅스 커널의 선점성을 강화하여 실시간 성능을 제공하는 기능을 추가한다.

이 프로젝트는 다음과 같은 주요 목표를 가지고 있다:

실시간 제어 시스템의 개발: Preempt RT 패치를 적용한 리눅스 환경에서 동작하는 실시간 제어 시스템을 설계하고 구현한다.
실시간 성능 최적화: 시스템의 시간 지연을 최소화하고 안정적인 실시간 응답을 보장하기 위해 다양한 최적화 기법을 적용한다.
모듈화된 시스템 설계: 각 기능을 모듈화하여 독립적으로 개발하고, 이를 통합하여 전체 시스템을 구축한다.
성능 테스트 및 검증: 개발된 시스템의 성능을 측정하고, 실시간 요구 사항을 충족하는지 검증한다.

요구 사항 분석

실시간 제어 시스템을 성공적으로 개발하기 위해서는 시스템이 충족해야 하는 주요 요구 사항을 분석하는 것이 중요하다. 이 절에서는 기능적 요구 사항과 비기능적 요구 사항으로 나누어 분석한다.

기능적 요구 사항

입력 신호 처리:
시스템은 다양한 센서로부터 입력 신호를 받아야 하며, 이를 실시간으로 처리할 수 있어야 한다.
입력 신호는 주기적으로 발생할 수 있으며, 각각의 신호는 지정된 시간 내에 처리되어야 한다.
각 신호는 고유의 처리 로직에 따라 분석되고, 그 결과는 제어 명령으로 변환되어야 한다.

이를 수학적으로 표현하면, 입력 신호 $\mathbf{x}(t)$ 가 주어졌을 때, 실시간 제어 시스템의 목표는 다음과 같이 정의할 수 있다:

$\mathbf{y}(t) = f(\mathbf{x}(t), \theta)$

여기서 $\mathbf{y}(t)$ 는 제어 신호, $f$ 는 처리 함수, $\theta$ 는 시스템 파라미터를 나타낸다.

제어 신호 생성:
입력 신호를 기반으로 적절한 제어 신호를 생성해야 한다.
제어 신호는 특정 시간 제약 내에 출력되어야 하며, 출력되는 제어 신호는 정밀하고 정확해야 한다.

제어 신호는 다음과 같은 피드백 제어 시스템의 형태로 나타낼 수 있다:

$\mathbf{u}(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int e(t) \, dt + K_d \cdot \frac{de(t)}{dt}$

여기서 $\mathbf{u}(t)$ 는 제어 신호, $e(t)$ 는 오류 신호, $K_p$ , $K_i$ , $K_d$ 는 각각 비례, 적분, 미분 제어 이득을 나타낸다.

실시간 데이터 로깅:
실시간으로 처리된 데이터 및 제어 신호를 기록하여 시스템의 상태를 모니터링하고, 추후 분석할 수 있도록 해야 한다.
데이터는 고정된 시간 간격으로 기록되며, 로깅 시스템은 실시간 처리에 영향을 미치지 않도록 설계되어야 한다.

비기능적 요구 사항

실시간 응답성:
시스템은 모든 입력 신호에 대해 일정 시간 내에 응답해야 하며, 응답 시간은 최악의 경우에도 미리 정의된 한계를 초과해서는 안 된다.
예를 들어, 제어 루프의 주기가 $T_c$ 라면, 처리 시간 $t_{process}$ 는 항상 $t_{process} \leq T_c$ 를 만족해야 한다.
신뢰성 및 가용성:
시스템은 오작동 없이 지속적으로 운영될 수 있어야 하며, 특정 수준의 가용성을 유지해야 한다.
이를 위해 장애 발생 시 자동 복구 메커니즘이 필요하며, 시스템 다운타임을 최소화해야 한다.
확장성:
시스템은 필요에 따라 기능이 추가되거나 변경될 수 있어야 한다.
확장 시 기존 시스템의 성능에 미치는 영향을 최소화해야 하며, 모듈화된 설계를 통해 유지보수 및 기능 추가를 용이하게 해야 한다.
보안성:
실시간 제어 시스템은 외부 공격으로부터 보호되어야 하며, 민감한 데이터는 안전하게 처리 및 저장되어야 한다.
보안 메커니즘은 실시간 성능에 영향을 미치지 않도록 효율적으로 설계되어야 한다.

프로젝트 주요 구성 요소

프로젝트의 주요 구성 요소는 다음과 같다. 각 구성 요소는 시스템의 전반적인 성능과 안정성에 중요한 역할을 한다.

1. 실시간 커널 및 시스템 설정

Preempt RT 패치 적용: 리눅스 커널에 Preempt RT 패치를 적용하여 시스템의 선점성을 강화하고, 실시간 처리를 가능하게 한다.
커널 설정 최적화: 실시간 응답성을 최적화하기 위해 커널의 설정을 조정한다. 예를 들어, HZ 값(커널 타이머 주기)을 높여 짧은 시간 단위로 스케줄링을 처리할 수 있도록 설정할 수 있다.
고정 우선순위 스케줄링: 실시간 스레드 및 프로세스에 고정된 우선순위를 할당하여 중요한 작업이 선점되지 않도록 한다.

2. 입력 신호 수집 및 처리 모듈

센서 인터페이스: 다양한 유형의 센서(예: 온도, 압력, 위치 센서 등)로부터 신호를 수집하는 인터페이스를 구현한다.
신호 필터링 및 전처리: 센서 신호에 포함된 노이즈를 제거하고, 필터링된 데이터를 실시간 제어 루프에 전달한다. 예를 들어, 저역통과 필터를 사용하여 고주파 노이즈를 제거할 수 있다.
입력 신호 큐잉: 실시간 처리에 필요한 입력 신호를 큐(queue)에 저장하고, 이를 효율적으로 관리한다.

3. 제어 알고리즘 모듈

피드백 제어 알고리즘: 실시간으로 제어 대상의 상태를 모니터링하고, 적절한 제어 신호를 생성하는 피드백 제어 알고리즘을 구현한다.
적응형 제어: 시스템의 동작 환경 변화에 따라 제어 파라미터를 조정하는 적응형 제어 기법을 적용할 수 있다. 예를 들어, PID 제어기에서 $K_p$ , $K_i$ , $K_d$ 값을 실시간으로 조정한다.
모델 예측 제어(MPC): 예측 모델을 사용하여 미래의 시스템 상태를 추정하고, 최적의 제어 신호를 미리 계산하여 시스템에 적용하는 방법이다.

4. 실시간 데이터 로깅 및 모니터링 모듈

로그 데이터 저장: 실시간으로 발생하는 데이터(예: 입력 신호, 제어 신호, 시스템 상태 등)를 기록하고 저장하는 기능을 구현한다. 이 데이터는 이후 시스템 성능 분석 및 디버깅에 사용된다.
실시간 모니터링: 시스템의 현재 상태를 실시간으로 모니터링하고, 이상 징후가 발생할 경우 이를 즉시 알릴 수 있는 경고 시스템을 포함한다.
데이터 스트리밍: 필요에 따라 외부 모니터링 시스템으로 데이터를 실시간 전송할 수 있는 기능을 제공하여, 원격에서 시스템 상태를 확인할 수 있도록 한다.

요구 사항 검토

시스템의 요구 사항을 검토하는 과정은 프로젝트 성공의 핵심이다. 요구 사항이 명확하지 않거나 실현 가능성이 낮은 경우, 프로젝트의 전체 일정과 품질에 악영향을 미칠 수 있다.

요구 사항의 명확성:
모든 기능적 및 비기능적 요구 사항이 명확하게 정의되고 이해되었는지 확인한다.
요구 사항이 불명확할 경우, 이해 관계자와 추가 논의를 통해 구체화한다.
기술적 타당성:
요구 사항이 현재의 기술 수준에서 구현 가능한지 평가한다. 필요한 경우, 기술적 한계에 맞추어 요구 사항을 조정하거나 추가적인 연구 개발을 계획한다.
예를 들어, 실시간 데이터 로깅의 경우, 시스템의 IO 성능과 메모리 사용량을 고려하여 로깅 주기와 데이터 양을 조정해야 할 수 있다.
우선순위 설정:
각 요구 사항의 우선순위를 정하여, 개발 과정에서 중요한 기능이 먼저 구현되고 테스트될 수 있도록 한다.
우선순위는 시스템의 필수 기능, 성능 요구 사항, 사용자 요구 사항 등을 기준으로 설정한다.
리스크 분석:
프로젝트 수행 중 발생할 수 있는 리스크를 사전에 식별하고, 이를 관리하기 위한 계획을 수립한다.
예를 들어, 하드웨어 오류나 소프트웨어 버그로 인한 시스템 중단을 방지하기 위해 이중화 설계나 백업 시스템을 고려할 수 있다.
요구 사항 문서화:
모든 요구 사항을 체계적으로 문서화하여, 개발 팀 내에서 일관된 이해를 공유할 수 있도록 한다.
문서화된 요구 사항은 프로젝트 진행 중에도 참조할 수 있도록 유지 관리한다.