실시간 컨텍스트에서 신호 처리

개요

실시간 시스템에서 신호 처리기는 일반적으로 프로세스가 특정 이벤트나 인터럽트 발생 시 즉시 실행되어야 할 작업을 지정하는 메커니즘이다. Xenomai는 실시간 커널과 협력하여 이러한 신호를 신속하고 예측 가능하게 처리할 수 있는 기능을 제공한다. 이 섹션에서는 Xenomai에서 사용자 공간에서 실시간으로 신호를 처리하는 방법에 대해 설명한다.

기본 개념

Xenomai에서 실시간 신호 처리는 rtdm (Real-Time Driver Model) 인터페이스와 같은 메커니즘을 사용하여 구현된다. 이를 통해 실시간 태스크가 신호를 대기하고 처리할 수 있는 기능을 가질 수 있다. 다음은 실시간 신호 처리의 주요 구성 요소이다:

신호 핸들러(Signal Handler): 특정 신호가 도착했을 때 호출되는 함수.
신호 집합(Signal Set): 대기할 신호들의 집합.
실시간 태스크(Real-time Task): 신호를 기다리고 처리하는 태스크.

신호 핸들러 등록

실시간 신호 처리를 위해서는 먼저 신호 핸들러를 등록해야 한다. 이는 signal() 함수 또는 sigaction() 함수를 사용하여 이루어진다.

#include <signal.h>

void signal_handler(int signum) {
    // 신호 처리 코드
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;

    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
    // 실시간 태스크 생성 및 실행
    return 0;
}

실시간 태스크 생성

실시간 태스크는 Xenomai의 API를 사용하여 생성되며, 이 태스크는 특정 주기나 조건이 만족될 때까지 휴면 상태에 있다가 깨어나서 신호를 처리한다.

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

void realtime_task(void *arg) {
    // 신호 대기 및 처리 루프
}

int main() {
    RT_TASK rt_task;

    rt_task_create(&rt_task, "RealTimeTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&rt_task, &realtime_task, NULL);

    // 다른 초기화 작업
    pause(); // 프로세스가 끝나는 것을 방지
    return 0;
}

신호 대기 및 처리

실시간 컨텍스트에서 신호를 대기하고 처리하기 위해서는 신호 집합을 초기화하고, sigwaitinfo() 또는 sigtimedwait() 함수를 사용하여 신호를 대기한다.

void realtime_task(void *arg) {
    sigset_t sigset;
    int signum;

    sigemptyset(&sigset);
    sigaddset(&sigset, SIGINT);

    while (1) {
        signum = sigwaitinfo(&sigset, NULL);
        if (signum == SIGINT) {
            // 신호 처리 코드
        }
    }
}

예외 상황 처리

신호 처리 중 예외 상황이 발생할 수 있으며, 이를 처리하기 위해서는 에러 코드와 예외 처리 루틴을 명확히 정의해 두어야 한다. 예를 들어, sigwaitinfo() 함수가 오류를 반환할 경우 이를 적절히 처리할 수 있어야 한다.

void realtime_task(void *arg) {
    sigset_t sigset;
    int signum;
    int err;

    sigemptyset(&sigset);
    sigaddset(&sigset, SIGINT);

    while (1) {
        err = sigwaitinfo(&sigset, NULL);
        if (err < 0) {
            // 예외 처리 코드
        } else if (signum == SIGINT) {
            // 신호 처리 코드
        }
    }
}

실시간 신호 처리의 한계 및 주의점

우선순위 반전(Priority Inversion): 실시간 시스템에서는 태스크의 우선순위가 신호 처리기에도 영향을 미친다. 우선순위 반전이 발생하지 않도록 설계해야 한다.
신호 전달 지연: 신호가 전달되는 동안 잠시 지연이 발생할 수 있다. 따라서 실시간 성능이 매우 중요한 경우, 이러한 지연이 시스템 요구사항을 충족하는지 검토해야 한다.
실시간 자원 사용: 실시간 자원을 과도하게 사용하지 않도록 해야 한다. 신호 처리기는 가급적 짧고 효율적으로 구현해야 실시간 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
결정론적 응답: 신호 처리기가 결정론적 응답을 제공할 수 있도록 해야 한다. 예를 들어, 처리 시간이 일관되고 예측 가능해야 한다.

예제: SIGINT 신호를 사용하는 실시간 태스크

다음은 SIGINT 신호를 처리하는 실시간 태스크의 전체 예제이다.

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>

void signal_handler(int signum) {
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

void realtime_task(void *arg) {
    sigset_t sigset;
    int signum;

    // SIGINT 신호를 처리하도록 설정
    sigemptyset(&sigset);
    sigaddset(&sigset, SIGINT);

    while (1) {
        signum = sigwaitinfo(&sigset, NULL);
        if (signum == SIGINT) {
            signal_handler(signum);
        }
    }
}

int main() {
    RT_TASK rt_task;
    struct sigaction sa;

    // 신호 핸들러 등록
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGINT, &sa, NULL);

    // 실시간 태스크 생성
    rt_task_create(&rt_task, "RealTimeTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&rt_task, &realtime_task, NULL);

    // 메인 프로세스를 계속 실행시킴
    pause();

    return 0;
}

이 예제에서는 SIGINT 신호를 처리하기 위해 실시간 태스크를 생성하고, 신호 핸들러와 실시간 태스크를 적절히 설정하였다. SIGINT 신호가 발생하면 signal_handler 함수가 호출되어 신호를 처리하게 된다.

Xenomai에서 실시간 신호 처리는 정확하게 설계되고 구현되어야 시스템의 실시간 성능과 신뢰성을 보장할 수 있다. 신호 핸들러의 구현, 실시간 태스크 생성, 신호 대기 및 처리 방법, 예외 상황 처리 등 여러 측면을 고려하여 최적의 실시간 신호 처리 메커니즘을 구축할 수 있다. 신호 처리기를 짧고 효율적으로 유지하면 시스템의 응답 시간을 최소화하고 예측 가능성을 극대화할 수 있다.

참고 자료

Xenomai 공식 문서
POSIX 신호 처리 관련 자료
실시간 시스템 설계 원칙

이상으로 Xenomai에서 실시간 신호 처리를 다루는 방법에 대해 설명드렸다.