Xenomai는 리눅스 기반의 실시간 시스템을 구현하기 위해 개발된 프레임워크로, 다양한 실시간 기능을 제공한다. 이 프레임워크는 하드 리얼타임(강력한 시간적 제한 조건을 갖는 시스템)과 소프트 리얼타임(약한 시간적 제한 조건을 갖는 시스템) 애플리케이션 모두에 적합한다. Xenomai는 커널 공간과 사용자 공간 모두에서 실시간 성능을 보장하기 위한 다양한 기능을 포함하고 있다.

실시간 커널(Cobalt Core)

Xenomai의 핵심은 Cobalt라는 이름의 실시간 커널이다. 이 커널은 리눅스 커널과 나란히 실행되며, 실시간 태스크에 대한 예측 가능한 응답 시간을 제공한다. Cobalt 커널은 선점형 스케줄링을 지원하며, 높은 우선순위를 가진 태스크가 언제든지 CPU를 점유할 수 있도록 한다.

Cobalt 커널의 주요 기능은 다음과 같다:

• 선점형 스케줄링: 높은 우선순위를 가진 태스크가 CPU를 선점할 수 있다. 이는 실시간 애플리케이션에서 중요한 기능으로, 낮은 우선순위의 태스크가 높은 우선순위의 태스크를 방해하지 않도록 한다.
• 타이머 및 클럭 관리: Xenomai는 고해상도 타이머와 실시간 클럭을 관리하여 정밀한 시간 측정을 지원한다.
• 인터럽트 관리: 실시간 성능을 보장하기 위해, 인터럽트는 우선순위에 따라 처리되며, 실시간 태스크가 인터럽트로 인해 지연되지 않도록 설계되었다.
• 기반 서비스: 실시간 메시지 큐, 세마포어, 뮤텍스와 같은 동기화 메커니즘을 제공한다.

사용자 공간에서의 실시간 지원

Xenomai는 사용자 공간에서도 실시간 작업을 수행할 수 있도록 다양한 API를 제공한다. 이는 애플리케이션 개발자가 커널 모듈을 작성하지 않고도 실시간 태스크를 구현할 수 있게 한다. 사용자 공간의 주요 기능은 다음과 같다:

• POSIX API: Xenomai는 실시간 POSIX API를 지원하여 기존 리눅스 프로그램을 최소한의 수정으로 실시간 애플리케이션으로 변환할 수 있다. 이러한 API에는 스레드, 타이머, 동기화 메커니즘 등이 포함된다.
• 알림 기반 I/O: 실시간 I/O 작업을 지원하기 위해 알림 기반(non-blocking) I/O를 사용할 수 있다. 이는 실시간 태스크가 I/O 작업을 대기하는 동안 블록되지 않도록 한다.
• 실시간 IPC: Xenomai는 실시간 태스크 간 통신을 위한 다양한 IPC(Inter-Process Communication) 메커니즘을 제공한다. 예를 들어, 메시지 큐, 파이프, 공유 메모리 등을 사용할 수 있다.

I-pipe(Interrupt Pipeline)

Xenomai는 I-pipe(Interrupt Pipeline)라는 특수한 메커니즘을 사용하여 리눅스 커널과 실시간 커널 간의 인터럽트 관리를 수행한다. I-pipe는 리눅스 커널 위에 존재하며, 인터럽트를 실시간 커널로 먼저 전달하고, 그 후 리눅스 커널로 전달한다. 이를 통해 실시간 태스크가 인터럽트에 대해 우선적으로 반응할 수 있다.

I-pipe의 주요 기능은 다음과 같다:

• 인터럽트 우선 처리: 모든 인터럽트는 먼저 실시간 커널로 전달되어 처리된다. 실시간 커널에서 처리되지 않은 인터럽트만이 리눅스 커널로 전달된다.
• 빠른 응답 시간: I-pipe는 인터럽트의 우선순위를 관리하여, 실시간 태스크의 응답 시간을 최소화한다.

리얼타임 시뮬레이션 환경

Xenomai는 실시간 시뮬레이션 환경을 제공하여, 개발자들이 실제 하드웨어 없이도 실시간 애플리케이션을 개발하고 테스트할 수 있도록 돕는다. 이러한 시뮬레이션 환경은 다음과 같은 기능을 포함한다:

• 가상 타이머: 가상 타이머를 사용하여 실제 하드웨어 타이머 없이도 시간을 측정하고 제어할 수 있다. 이를 통해 애플리케이션의 실시간 성능을 검증할 수 있다.
• 가상 인터럽트: 하드웨어 인터럽트 없이도 가상 인터럽트를 생성하고 처리할 수 있다. 이를 통해 실제 하드웨어 환경에서 발생할 수 있는 다양한 시나리오를 테스트할 수 있다.
• 모의 장치 드라이버: 하드웨어 장치 없이도 모의 드라이버를 사용하여, 애플리케이션의 입출력(I/O) 동작을 시뮬레이션할 수 있다.

실시간 네트워킹 지원

Xenomai는 실시간 네트워킹을 위한 다양한 기능을 제공한다. 이는 네트워크 상에서 데이터를 빠르고 신뢰성 있게 전송할 수 있도록 보장한다. 주요 기능은 다음과 같다:

• 실시간 프로토콜: Xenomai는 EtherCAT, CANOpen 등과 같은 실시간 통신 프로토콜을 지원한다. 이러한 프로토콜은 낮은 지연 시간과 높은 데이터 전송 신뢰성을 제공한다.
• 네트워크 스택 통합: Xenomai는 네트워크 스택과의 통합을 통해 실시간 네트워크 통신을 효율적으로 처리할 수 있다. 이는 실시간 데이터의 전송 및 수신에 최적화된 네트워크 경로를 제공한다.
• QoS(Quality of Service) 지원: 실시간 네트워킹에서 중요한 QoS 기능을 제공하여, 네트워크 트래픽의 우선순위를 관리하고, 중요한 데이터의 전송이 지연되지 않도록 한다.

실시간 데이터 수집 및 제어

Xenomai는 실시간 데이터 수집 및 제어 시스템을 구현하기 위한 다양한 기능을 포함하고 있다. 이 기능들은 센서 데이터의 빠르고 정확한 수집과, 이를 기반으로 한 즉각적인 제어 명령의 실행을 지원한다.

• 고속 데이터 수집: Xenomai는 고속으로 데이터를 수집할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 이는 아날로그/디지털 변환기(ADC) 등의 장치와의 통합을 통해 이루어진다.
• 실시간 제어 루프: Xenomai는 실시간 제어 루프를 구현할 수 있는 프레임워크를 제공한다. 이는 PID 제어와 같은 제어 알고리즘을 안정적으로 실행할 수 있게 한다.
• 데이터 로깅 및 분석: 실시간 데이터를 로그로 저장하고, 이를 기반으로 실시간 시스템의 성능을 분석할 수 있는 기능을 제공한다.

타이밍 분석 및 성능 모니터링

Xenomai는 실시간 시스템의 타이밍 분석 및 성능 모니터링을 위한 도구를 제공한다. 이러한 도구들은 실시간 태스크의 응답 시간, CPU 사용률, 메모리 사용량 등을 분석하여 시스템 성능을 최적화할 수 있도록 돕는다.

• 타이밍 분석 도구: 태스크의 시작과 종료 시간을 측정하여, 각 태스크의 응답 시간과 지연 시간을 분석할 수 있다.
• 성능 모니터링: 실시간 시스템의 CPU 및 메모리 사용량을 모니터링하여, 시스템 자원이 효율적으로 사용되고 있는지 평가할 수 있다.
• 실시간 로그 분석: 실시간 태스크의 실행 로그를 저장하고 분석하여, 시스템의 병목 현상이나 오류를 빠르게 파악할 수 있다.

다중 코어 지원

Xenomai는 다중 코어 시스템에서의 실시간 성능을 최적화할 수 있도록 다양한 기능을 제공한다. 이러한 기능은 다중 코어 환경에서 실시간 태스크의 병렬 처리를 가능하게 하며, 시스템 성능을 극대화한다.

• 코어 간 태스크 분배: Xenomai는 실시간 태스크를 다중 코어에 효율적으로 분배하여, 각 코어의 사용률을 최적화할 수 있다.
• 코어 간 동기화: 다중 코어 시스템에서 실시간 태스크 간의 동기화를 보장하기 위한 메커니즘을 제공한다.
• NUMA(Non-Uniform Memory Access) 최적화: NUMA 구조를 가진 시스템에서 메모리 접근 시간을 최소화하기 위한 최적화 기능을 지원한다.