Xenomai의 실시간 스케줄링 - 소프트웨어 융합

Xenomai의 실시간 스케줄링이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 실시간 시스템을 설계하고 구현할 때 매우 중요하다. Xenomai는 엄격한 시간 제약 조건을 준수해야 하는 다양한 실시간 애플리케이션을 지원하기 위해 여러 가지 실시간 스케줄링 알고리즘을 제공한다.

실시간 스케줄링 개요

실시간 스케줄링은 시스템 리소스를 관리하는 방식으로, 태스크가 정해진 시간 내에 완료될 수 있도록 보장한다. Xenomai는 여러 가지 실시간 스케줄링 알고리즘을 제공하여 다양한 실시간 요구사항을 충족시킨다. 주요 스케줄링 정책으로는 정적 우선순위 스케줄링(Static Priority Scheduling), 라운드 로빈(Round Robin) 스케줄링, 분리된 재진입(Partitioned Preemption), 그리고 EDF(Earliest Deadline First) 등이 있다.

정적 우선순위 스케줄링

정적 우선순위 스케줄링에서 각 태스크는 고정된 우선순위를 가진다. 높은 우선순위를 가진 태스크가 실행 중이면 낮은 우선순위를 가진 태스크는 대기 상태에 머무릅니다. 이는 태스크의 긴급성을 기준으로 스케줄링하는 방법이다.

코드 예제: 정적 우선순위 스케줄링

#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK task1;
RT_TASK task2;

void task_code(void *arg) {
    while (1) {
        // 실시간 태스크 코드
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&task1, "Task 1", 0, 50, 0); // 우선순위 50
    rt_task_create(&task2, "Task 2", 0, 30, 0); // 우선순위 30

    rt_task_start(&task1, &task_code, NULL);
    rt_task_start(&task2, &task_code, NULL);

    while (1) {
        // 메인 루프 코드
    }

    return 0;
}

라운드 로빈 스케줄링

라운드 로빈 스케줄링에서 각 태스크는 동일한 우선순위를 가지며, 각 태스크는 정해진 시간 동안만 CPU를 사용한다. 지정된 시간 할당량 만큼 실행되면 다음 태스크로 컨텍스트 스위칭이 일어난다. 이 방식은 공정성을 보장하지만, 특정 태스크가 연산을 더 필요로 할 경우 비효율적일 수 있다.

코드 예제: 라운드 로빈 스케줄링

#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK task1;
RT_TASK task2;

void task_code(void *arg) {
    while (1) {
        // 실시간 태스크 코드
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&task1, "Task 1", 0, 99, T_FPU | T_JOINABLE); // 우선순위 99
    rt_task_create(&task2, "Task 2", 0, 99, T_FPU | T_JOINABLE); // 우선순위 99

    rt_task_set_mode(0, T_WARNSW, NULL); // 경고 스위칭 모드 설정
    rt_task_set_periodic(NULL, TM_NOW, 1000000); // 1ms 시간 할당

    rt_task_start(&task1, &task_code, NULL);
    rt_task_start(&task2, &task_code, NULL);

    while (1) {
        // 메인 루프 코드
    }

    return 0;
}

EDF (Earliest Deadline First) 스케줄링

EDF 스케줄링은 태스크의 마감 기한을 기준으로 스케줄링을 결정한다. 가장 이른 기한을 가진 태스크가 우선순위를 갖게 되며, 이는 주어진 시간 내에 태스크를 완료해야 하는 요구사항을 충족하는 데 적합한다.

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

RT_TASK task1;
RT_TASK task2;

void task_code(void *arg) {
    while (1) {
        // 실시간 태스크 코드
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&task1, "Task 1", 0, 99, T_FPU | T_JOINABLE);
    rt_task_create(&task2, "Task 2", 0, 99, T_FPU | T_JOINABLE);

    RTIME deadline_task1 = rt_timer_read() + 1000000; // 1ms 마감 기한
    RTIME deadline_task2 = rt_timer_read() + 2000000; // 2ms 마감 기한

    rt_task_set_mode(0, T_WARNSW, NULL);
    rt_task_set_periodic(&task1, TM_NOW, deadline_task1);
    rt_task_set_periodic(&task2, TM_NOW, deadline_task2);

    rt_task_start(&task1, &task_code, NULL);
    rt_task_start(&task2, &task_code, NULL);

    while (1) {
        // 메인 루프 코드
    }

    return 0;
}

스케줄링 정책 선택

적절한 실시간 스케줄링 정책을 선택하는 것은 시스템의 요구사항에 따라 다르다. 정적 우선순위 스케줄링은 태스크의 우선순위를 미리 알고 있을 때 유용하며, 라운드 로빈은 공평한 CPU 자원 배분을 원할 때 사용한다. EDF는 가장 이른 마감 기한을 가진 태스크를 우선 실행해야 하는 상황에서 적합한다.

실시간 스케줄링 최적화

성능을 최적화하려면 다음과 같은 주요 사항을 고려해야 한다:

우선순위 설정: 실시간 태스크의 우선순위는 애플리케이션의 요구사항에 따라 신중하게 설정해야 한다.
타이머 주기: 주기적인 태스크의 타이머 주기를 적절히 설정하여 시스템 리소스를 효율적으로 사용한다.
태스크 분리: 실시간 태스크와 비실시간 태스크를 분리하여 리소스 충돌을 최소화한다.
데드라인 관리: EDF 스케줄링을 사용할 때는 정확한 마감 기한을 설정하여 태스크가 기한 내에 완료되도록 한다.

이와 같이 Xenomai의 다양한 실시간 스케줄링 알고리즘을 잘 활용하면 복잡한 실시간 시스템에서도 높은 성능과 신뢰성을 유지할 수 있다.