제3장 Xenomai API 및 개발 환경

POSIX 스킨: API 및 사용법

개요

Xenomai 프레임워크는 POSIX 스킨을 제공하여, 프로그래머들이 기존의 POSIX API를 사용하여 실시간 애플리케이션을 개발할 수 있도록 지원한다. 이에 따라 기존의 POSIX 코드베이스를 Xenomai로 변환하기가 용이하게 된다.

POSIX 스킨 API

실시간 스레드 생성 및 관리

Xenomai는 pthread 인터페이스를 통해 실시간 스레드 생성을 지원한다. Xenomai가 제공하는 실시간 특성을 활용하려면 스레드를 생성할 때 적절한 우선순위를 지정하고, 실시간 특성을 활성화해야 한다.

#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void *thread_function(void *arg) {
    // 실시간 처리 코드
    while (1) {
        // 작업 수행
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = 80;  // 우선순위 설정 (1~99 범위)

    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);
    pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);
    pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);

    if (pthread_create(&thread, &attr, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

뮤텍스 및 조건 변수

POSIX 스킨을 사용하여 실시간 뮤텍스 및 조건 변수를 생성하고 관리할 수 있다. 실시간 특성이 필요한 경우 pthread_mutexattr_setprotocol 함수를 사용하여 프로토콜을 지정한다.

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int shared_data = 0;

void *producer(void *arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        shared_data++;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 실시간 처리 코드
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (shared_data == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        shared_data--;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 실시간 처리 코드
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

실시간 타이머

POSIX 스킨을 통해 실시간 타이머를 생성하고 관리할 수 있다. clock_gettime, timer_create 등의 API를 사용하여 실시간 타이머를 설정한다.

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

void timer_handler(int sig, siginfo_t *si, void *uc) {
    // 타이머 이벤트 처리 코드
    printf("Timer expired!\n");
}

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

    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);

    if (sigaction(SIGRTMIN, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    sev.sigev_signo = SIGRTMIN;

    if (timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &timerid) == -1) {
        perror("timer_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    its.it_value.tv_sec = 2;        // 2초 후 타이머 만료
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 1;     // 1초마다 반복
    its.it_interval.tv_nsec = 0;

    if (timer_settime(timerid, 0, &its, NULL) == -1) {
        perror("timer_settime");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while (1) {
        pause();  // 타이머 이벤트 대기
    }

    return 0;
}

POSIX API 변환 시 고려사항

기존 POSIX 코드베이스를 Xenomai로 변환할 때 몇 가지 고려사항이 필요하다.

리얼타임 특성을 고려한 우선순위 설정
뮤텍스 등 동기화 객체의 실시간 특성 설정
주기적인 타이머 이벤트 처리
POSIX API의 비호환성: 일부 POSIX API는 Xenomai와 호환되지 않을 수 있다. 이 경우, Xenomai가 제공하는 대체 API를 사용하는 것이 필요하다.
시스템 콜 오버헤드: 실시간 특성을 유지하기 위해 시스템 콜의 오버헤드를 최소화해야 한다. Xenomai는 특수한 fast syscall 인터페이스를 제공하여 이를 해결할 수 있다.

Alchemy 스킨: API 및 사용법

개요

Alchemy 스킨은 Xenomai의 기본 API 집합으로, 실시간 애플리케이션 개발을 위해 특별히 설계되었다. Alchemy API는 POSIX API보다 더 세밀한 제어와 고성능 실시간 특성을 제공한다.

Alchemy API

실시간 태스크 생성 및 관리

Alchemy 스킨을 사용하여 실시간 태스크를 생성하고 관리할 수 있다. rt_task_create, rt_task_start 함수를 사용하여 태스크를 생성하고 시작할 수 있다.

#include <alchemy/task.h>
#include <stdio.h>

RT_TASK my_task;

void task_function(void *arg) {
    while (1) {
        // 실시간 처리 코드
    }
}

int main() {
    rt_task_create(&my_task, "MyTask", 0, 80, 0);
    rt_task_start(&my_task, &task_function, NULL);

    // 주 태스크는 여기서 종료 또는 다른 작업 수행
    pause();
    return 0;
}

실시간 동기화

Alchemy 스킨은 메시지 큐, 뮤텍스, 세마포어 등의 실시간 동기화 메커니즘을 제공한다.

#include <alchemy/mutex.h>
#include <alchemy/cond.h>
#include <alchemy/task.h>

RT_MUTEX mutex;
RT_COND cond;

void producer(void *arg) {
    while (1) {
        rt_mutex_acquire(&mutex, TM_INFINITE);
        // 공유 데이터 수정
        rt_cond_signal(&cond);
        rt_mutex_release(&mutex);
    }
}

void consumer(void *arg) {
    while (1) {
        rt_mutex_acquire(&mutex, TM_INFINITE);
        rt_cond_wait(&cond, &mutex, TM_INFINITE);
        // 공유 데이터 사용
        rt_mutex_release(&mutex);
    }
}

int main() {
    RT_TASK producer_task, consumer_task;
    rt_mutex_create(&mutex, "MyMutex");
    rt_cond_create(&cond, "MyCond");

    rt_task_create(&producer_task, "Producer", 0, 80, 0);
    rt_task_create(&consumer_task, "Consumer", 0, 80, 0);

    rt_task_start(&producer_task, &producer, NULL);
    rt_task_start(&consumer_task, &consumer, NULL);

    pause();
    return 0;
}

실시간 타이머

Alchemy 스킨으로 실시간 타이머를 설정하고 관리할 수 있다.

#include <alchemy/timer.h>
#include <stdio.h>

RT_TIMER my_timer;

void timer_handler(void *arg) {
    // 타이머 이벤트 처리 코드
    printf("Timer expired!\n");
}

int main() {
    rt_timer_create(&my_timer, "MyTimer", TM_INFINITE, 1000000000, 0); // 1초 간격
    rt_timer_start(&my_timer, &timer_handler, NULL);

    pause();
    return 0;
}

Alchemy API 사용 시 고려사항

알케미 API는 Xenomai의 실시간 특성을 더욱 직접적으로 활용할 수 있도록 설계되었다.
세밀한 태스크 우선순위 및 스케줄링 제어가 가능하여, 고성능 실시간 시스템의 요구 사항에 부합한다.
기존 POSIX 기반의 코드베이스보다는 Alchemy API를 직접 사용하는 것이 더 나은 성능을 발휘할 수 있다.

다른 스킨들 (native, rtdm 등)

Xenomai는 다양한 스킨을 제공하여 개발자가 자신에게 가장 적합한 API를 선택할 수 있도록 한다. 이러한 스킨들은 다양한 실시간 환경과 요구 사항을 충족시킨다.

Native 스킨

Xenomai Native 스킨은 Xenomai 고유의 API를 제공한다. Alchemy 스킨과 유사하지만, 특정 기능이 더 포함된다.

#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>

RT_TASK my_task;

void task_function(void *arg) {
    while (1) {
        // 실시간 처리 코드
    }
}

int main() {
    rt_task_create(&my_task, "MyTask", 0, 80, 0);
    rt_task_start(&my_task, &task_function, NULL);

    pause();
    return 0;
}

RTDM (Real-Time Driver Model)

RTDM은 실시간 드라이버의 개발을 지원하는 모델로, 저수준 하드웨어 제어가 필요한 경우 유용하다. RTDM API는 주로 커널 모듈에서 사용된다.

#include <rtdm/rtdm_driver.h>

// 드라이버 코드 (이 예제는 실시간 드라이버의 전형적인 골격을 보여준다)
static int __init my_driver_init(void) {
    // 드라이버 초기화 코드
    return 0;
}

static void __exit my_driver_exit(void) {
    // 드라이버 정리 코드
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

개발 환경 설정

툴체인 설치 및 설정

Xenomai는 특정 툴체인이 필요하다. 이를 설정하기 위해 기본적으로 다음과 같은 단계를 따른다.

Xenomai 소스 코드 다운로드
툴체인 설치: sudo apt-get install -y build-essential libncurses5-dev
Xenomai 구성 및 컴파일: 소스 디렉토리에서 ./configure 스크립트를 실행하여 환경 설정을 하고, make와 make install 명령을 사용하여 설치한다.

실시간 패치 적용

리눅스 커널에 Xenomai 실시간 패치를 적용하여 실시간 특성을 활성화해야 한다. 이는 Xenomai 소스 코드와 함께 제공되는 실시간 패치를 사용한다.

리눅스 커널 소스 다운로드
Xenomai 패치 적용: patch -p1 < /path/to/xenomai/patches/<kernel-version>.patch
커널 설정: make menuconfig 명령을 사용하여 Xenomai와 관련된 설정을 켭니다.
커널 컴파일: make와 make modules_install를 사용하여 컴파일하고, 새 커널을 설치한다.
부팅: 새로운 커널로 부팅하여 실시간 환경을 활성화한다.