Preempt RT 기반의 실시간 제어 시스템을 설계하고 모듈화하는 과정은 시스템의 요구 사항을 정확히 반영하면서, 효율적인 성능을 보장하기 위한 구조를 마련하는 것이 핵심이다. 이 장에서는 시스템 설계 원칙, 모듈화의 필요성, 각 모듈의 역할 및 인터페이스 정의, 그리고 모듈 간 통신 방법을 다룬다.

시스템 설계 원칙

실시간 제어 시스템 설계는 다음과 같은 원칙을 기반으로 해야 한다:

1. 시간 결정성 (Determinism): 시스템의 모든 동작은 예측 가능해야 하며, 시간 제한 내에 완료되어야 한다. 이는 Preempt RT의 핵심 목표 중 하나로, 모든 태스크의 응답 시간이 명확하게 정의되어야 한다.

2. 안정성 (Stability): 시스템이 예기치 않은 상황에서도 안정적으로 동작해야 한다. 예를 들어, 하드웨어 고장이나 소프트웨어 오류가 발생했을 때도 시스템은 일정한 수준의 기능을 유지해야 한다.

3. 모듈성 (Modularity): 시스템은 독립적으로 개발 및 테스트가 가능한 모듈들로 나누어져야 한다. 모듈 간의 의존성을 최소화하여 유지보수와 확장이 용이하도록 설계해야 한다.

4. 성능 (Performance): 실시간 제어 시스템은 높은 성능을 유지해야 한다. 이는 낮은 레이턴시, 높은 스루풋, 그리고 적은 오버헤드를 포함한다.

모듈화의 필요성

모듈화는 복잡한 시스템을 관리 가능한 부분으로 나누어, 개발, 테스트, 유지보수를 용이하게 한다. 모듈화의 주요 이점은 다음과 같다:

• 재사용성 (Reusability): 모듈화된 컴포넌트는 다른 프로젝트에서 재사용할 수 있다.
• 독립적 개발 (Independent Development): 각 모듈은 별도의 팀이나 개발자가 독립적으로 개발할 수 있다.
• 유지보수성 (Maintainability): 모듈 단위로 문제를 해결하거나 기능을 추가하는 것이 용이한다.

모듈 설계

모듈 설계 시, 시스템의 주요 기능을 각 모듈에 배분하며, 다음과 같은 요소들을 고려한다:

1. 입출력 모듈 (I/O Modules): 센서 데이터 수집 및 액추에이터 제어를 담당하는 모듈이다. 이 모듈은 하드웨어와 직접적으로 상호작용하며, 데이터를 표준화된 포맷으로 변환하여 시스템 내의 다른 모듈과 통신한다.

2. 제어 알고리즘 모듈 (Control Algorithm Module): 입력 데이터를 바탕으로 제어 알고리즘을 실행하여, 시스템의 상태를 결정하고, 필요한 출력을 계산한다. 이 모듈은 실시간성을 가장 중시해야 하며, 따라서 최적화된 코드를 사용해야 한다.

3. 통신 모듈 (Communication Module): 모듈 간 데이터 전송을 처리한다. 실시간 요구 사항을 충족하기 위해, 통신의 지연을 최소화하고, 데이터의 무결성을 보장하는 것이 중요하다.

4. 로그 및 모니터링 모듈 (Logging and Monitoring Module): 시스템의 동작을 기록하고, 실시간으로 모니터링할 수 있게 한다. 이 모듈은 비실시간 작업이므로, 전체 시스템 성능에 영향을 미치지 않도록 설계되어야 한다.

5. 에러 처리 모듈 (Error Handling Module): 시스템에서 발생하는 오류를 감지하고, 이에 따른 대응을 결정한다. 예를 들어, 경미한 오류는 시스템이 계속 동작하도록 허용할 수 있지만, 심각한 오류는 시스템을 안전 모드로 전환시킬 수 있다.

모듈 간 인터페이스 정의

모듈 간 인터페이스는 명확하게 정의되어야 하며, 이 인터페이스를 통해 모듈들이 데이터를 교환하고 상호작용하게 된다. 인터페이스 정의 시 고려할 사항은 다음과 같다:

1. 데이터 형식 (Data Format): 각 모듈은 데이터를 일정한 포맷으로 주고받아야 한다. 예를 들어, 센서 데이터는 정규화된 형태로 제어 모듈에 전달되어야 한다.

2. 통신 프로토콜 (Communication Protocol): 모듈 간 통신은 표준화된 프로토콜을 사용해야 한다. 실시간 시스템에서는 일반적으로 공유 메모리, 메시지 큐, 혹은 FIFO 방식의 통신을 사용한다.

3. 동기화 (Synchronization): 모듈 간 데이터 일관성을 유지하기 위해 동기화 메커니즘이 필요하다. 예를 들어, 제어 모듈이 센서 데이터를 읽기 전에, 해당 데이터가 최신 상태임을 보장해야 한다.

4. 에러 처리 (Error Handling): 인터페이스에서 발생할 수 있는 오류 상황을 정의하고, 이를 처리하는 방법을 명확히 해야 한다. 예를 들어, 데이터 전송 중 오류가 발생했을 때, 재시도 로직을 구현할 수 있다.

모듈 간 통신

실시간 시스템에서 모듈 간 통신은 매우 중요한 역할을 하며, 통신의 지연을 최소화하고 데이터의 무결성을 보장해야 한다. Preempt RT를 사용하는 실시간 제어 시스템에서는 주로 다음과 같은 통신 메커니즘을 활용한다.

공유 메모리 (Shared Memory)

공유 메모리는 여러 모듈이 동시에 접근할 수 있는 메모리 영역을 제공하여, 데이터를 빠르게 교환할 수 있는 방법이다. 공유 메모리를 사용할 때는 다음 사항들을 고려해야 한다:

• 동기화: 여러 모듈이 동시에 데이터를 읽고 쓸 수 있으므로, 뮤텍스 (Mutex)나 스핀락 (Spinlock)을 사용하여 데이터 일관성을 유지해야 한다.
• 캐시 일관성: 멀티코어 환경에서는 각 코어가 캐시 데이터를 사용하기 때문에, 캐시 일관성을 유지하기 위한 메커니즘을 구현해야 한다.
• 오버헤드: 공유 메모리 접근 시 동기화 오버헤드가 발생할 수 있으며, 이로 인해 실시간성을 해치지 않도록 주의해야 한다.

메시지 큐 (Message Queue)

메시지 큐는 모듈 간에 데이터를 교환하는 큐 기반의 통신 방법이다. 메시지 큐는 데이터의 순서를 보장하며, 다음과 같은 특징을 갖는다:

• 비동기 통신: 송신자는 메시지를 큐에 넣고, 수신자는 큐에서 메시지를 꺼내서 처리한다. 이 과정에서 송신자와 수신자는 동시에 동작할 필요가 없다.
• 우선순위: 특정 메시지에 우선순위를 부여하여 중요한 메시지가 먼저 처리되도록 할 수 있다.
• 크기 제한: 메시지 큐의 크기는 한정적이므로, 큐가 가득 찬 경우 메시지를 버리거나, 송신자가 대기하도록 설계해야 한다.

실시간 버스 (Real-time Bus)

산업용 실시간 제어 시스템에서는 CAN (Controller Area Network), EtherCAT, PROFINET 등과 같은 실시간 버스를 사용하여 모듈 간에 데이터를 교환할 수 있다. 이들 실시간 버스는 낮은 레이턴시와 높은 신뢰성을 보장하는 통신 방법을 제공한다.

• CAN: 낮은 데이터 전송률(최대 1 Mbps)이지만, 높은 신뢰성과 오류 감지 기능을 제공하여, 자동차 및 산업 자동화 시스템에서 널리 사용된다.
• EtherCAT: 이더넷 기반의 실시간 통신 프로토콜로, 낮은 지연 시간과 높은 데이터 전송률을 제공한다. 주로 산업용 로봇이나 고속 제어 시스템에서 사용된다.
• PROFINET: 산업 자동화에서 사용되는 실시간 이더넷 표준으로, 높은 유연성과 통합성을 제공한다.

모듈 간 데이터 흐름

모듈 간 데이터 흐름은 시스템의 성능과 실시간성을 좌우하는 중요한 요소이다. 효율적인 데이터 흐름 설계를 위해 다음을 고려해야 한다:

1. 데이터 경로 최적화: 데이터가 모듈 간에 흐르는 경로를 최소화하여 지연 시간을 줄이고, 불필요한 데이터 복사를 피해야 한다. 이를 위해, 데이터가 여러 모듈을 거치는 것을 피하고, 필요한 모듈 간 직접적인 데이터 전송을 고려한다.

2. 데이터 패킷 크기 조정: 통신 패킷의 크기를 최적화하여 전송 오버헤드를 줄이다. 너무 작은 패킷은 헤더 오버헤드가 커지며, 너무 큰 패킷은 전송 지연을 초래할 수 있다.

3. 주기적 vs. 이벤트 기반 데이터 전송: 데이터 전송 방식은 주기적으로 데이터를 전송하는 방법과, 이벤트가 발생했을 때만 데이터를 전송하는 방법이 있다. 실시간 시스템에서는 주기적 전송을 사용하여 예측 가능성을 높이는 경우가 많지만, 시스템 요구사항에 따라 이벤트 기반 전송이 더 효율적일 수 있다.

4. 버퍼 관리: 데이터 전송 시 버퍼를 사용하여 데이터를 일시적으로 저장할 수 있다. 버퍼 크기와 관리 방법은 시스템의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 특히 버퍼 오버플로우나 언더플로우가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

모듈화된 시스템의 타이밍 분석

모듈화된 실시간 제어 시스템에서는 각 모듈이 지정된 시간 내에 작업을 완료하는지 분석하는 것이 중요하다. 타이밍 분석은 시스템의 시간적 요구 사항을 충족시키기 위해 필수적이다.

응답 시간 분석

모듈의 응답 시간 $R$은 모듈이 작업을 시작한 시점부터 완료할 때까지 걸리는 시간으로 정의된다. 응답 시간 분석은 다음과 같이 진행된다:

여기서 $C$는 모듈의 계산 시간이고, $I$는 다른 태스크나 인터럽트에 의해 발생하는 지연 시간이다. 각 모듈의 응답 시간을 분석하여, 시스템의 실시간성을 보장할 수 있다.

스케줄링 분석

모듈화된 시스템에서 각 모듈이 적절하게 스케줄링되었는지 분석하는 것도 중요하다. 이를 위해 다양한 스케줄링 알고리즘을 적용할 수 있으며, 각 알고리즘의 특성을 고려하여 최적의 방법을 선택해야 한다.

예를 들어, 고정 우선순위 스케줄링 (Fixed-Priority Scheduling)은 실시간 시스템에서 널리 사용되는 방법으로, 각 모듈에 우선순위를 부여하여 스케줄링하는 방식이다. 이 방법은 주로 짧은 작업이 높은 우선순위를 갖도록 설정하여 긴 작업에 의해 지연되지 않도록 설계한다.

스케줄링 분석 시, 각 모듈의 완료 시간과 시스템 전체의 응답 시간을 계산하여, 모든 작업이 기한 내에 완료될 수 있는지를 확인해야 한다.