제6장 Xenomai의 커널 공간 프로그래밍

실시간 인터럽트 핸들러 구현

실시간 시스템에서 인터럽트는 매우 중요한 역할을 한다. Xenomai에서는 실시간 성능을 위해 커널 공간에서 효율적인 인터럽트 핸들링을 제공한다. 이 장에서는 Xenomai의 커널 공간에서 실시간 인터럽트 핸들러를 구현하는 방법을 살펴보겠다.

인터럽트 핸들러 개요

인터럽트 핸들러는 하드웨어 이벤트에 대응하기 위해 실행되는 함수이다. Xenomai에서는 일반 리눅스 커널과 실시간 인터럽트 핸들러를 구분하여 프로세스가 일정 시간 내에 응답할 수 있도록 한다. 이를 통해 시스템은 높은 응답성을 유지하게 된다.

인터럽트 핸들러 등록

Xenomai의 인터럽트 핸들러를 등록하기 위해 rtdm_irq_request 함수를 사용한다. 이 함수는 다음과 같은 매개 변수를 취한다.

int rtdm_irq_request(rtdm_irq_t *irq_handle, 
                     unsigned int irq_num, 
                     rtdm_irq_handler_t handler, 
                     unsigned int flags, 
                     const char *device_name, 
                     void *arg);

irq_handle: 인터럽트 핸들러 객체의 포인터
irq_num: 인터럽트 요청 번호 (IRQ 번호)
handler: 인터럽트 핸들러 함수
flags: 인터럽트 요청 플래그
device_name: 디바이스 이름
arg: 핸들러 함수로 전달될 인자

인터럽트 핸들러 함수 구현

인터럽트 핸들러 함수는 다음과 같은 형태로 정의된다.

int my_irq_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    /* 인터럽트 핸들링 코드 */
    return RTDM_IRQ_HANDLED;  // 핸들러가 인터럽트를 처리했음을 리턴
}

핸들러 함수의 반환 값은 다음과 같이 정의될 수 있다.

RTDM_IRQ_HANDLED: 인터럽트가 성공적으로 처리되었음을 의미
RTDM_IRQ_NONE: 처리되지 않은 인터럽트를 의미

예제 코드를 통해 인터럽트 핸들러를 등록하는 방법을 살펴보겠다.

#include <rtdm/driver.h>

rtdm_irq_t my_irq;
int irq_number = 5;  // 예시로 사용하는 IRQ 번호

int my_irq_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    // 실제 처리 코드
    printk("Interrupt handled!\n");
    return RTDM_IRQ_HANDLED;
}

int init_module(void) {
    int ret;
    ret = rtdm_irq_request(&my_irq, irq_number, my_irq_handler, 0, "my_device", NULL);
    if (ret) {
        printk("Failed to request IRQ\n");
        return ret;
    }
    printk("IRQ requested successfully\n");
    return 0;
}

void cleanup_module(void) {
    rtdm_irq_free(&my_irq);
}

인터럽트 핸들러 철회

모듈이 언로드되거나 더 이상 인터럽트를 처리할 필요가 없을 때는 인터럽트 핸들러를 철회해야 한다. 이를 위해 rtdm_irq_free 함수를 사용한다.

void cleanup_module(void) {
    rtdm_irq_free(&my_irq);
}

실시간 특성 보장

Xenomai의 인터럽트 핸들러는 RTDM(Real-Time Device Model) 아키텍처에 기반하여 높은 실시간 성능을 보장한다. RTDM 인터페이스는 디바이스 드라이버와 커널 모듈에 실시간 제약 조건을 부여하여 인터럽트 지연을 최소화하고, 예측 가능한 응답 시간을 제공한다.

디버깅 및 최적화

디버깅 인터럽트 핸들러

Xenomai에서 디버깅은 다양한 도구의 사용을 통해 이루어진다. 일반적인 디버깅 도구로는 printk, Xenomai의 tracing 기능, 그리고 external 하드웨어 분석 도구 등이 있다.

printk 함수로 간단한 디버깅 로그를 남길 수 있다.
Xenomai는 xeno_trace를 통해 실행 중에 발생하는 이벤트를 추적할 수 있도록 한다.

int my_irq_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    // 실제 처리 코드
    printk("Interrupt handled! Count: %d\n", irq_count);
    irq_count++;
    return RTDM_IRQ_HANDLED;
}

성능 최적화

인터럽트 핸들러의 성능을 최적화하는 것은 리소스 사용의 효율성을 높이고, 실시간 응답성을 개선하는 데 매우 중요하다. 다음은 몇 가지 최적화 전략이다.

코드 최소화: 인터럽트 핸들러는 빠르게 실행되어야 하므로, 가능한 한 코드의 양을 최소화해야 한다.
작업 분산: 긴 작업은 인터럽트 핸들러 외부에서 처리하도록 설계한다. 이를 위해 상위 반 처리(top half)와 하위 반 처리(bottom half)를 분산시킬 수 있다.
부동 소수점 사용 피하기: 부동 소수점 연산은 일반적으로 싱글 사이클 정수 연산보다 훨씬 느리다. 실시간 인터럽트 핸들러에서는 부동 소수점 사용을 피하는 것이 좋다.
캐시 일치성 유지: 캐시 일치성 문제를 최소화하기 위해 메모리 접근을 최적화한다.

실습 예제

다음 예제는 간단한 GPIO 인터럽트 핸들러를 설정하고, LED를 토글하는 기능을 구현하는 예제이다. 이 예제는 BeagleBone Black과 같은 SBC(Single Board Computer)를 사용할 때 유용하다.

#include <rtdm/driver.h>

#define GPIO_NUMBER  48   // GPIO1_16
#define IRQ_NUMBER   32   // Example IRQ for GPIO

static rtdm_irq_t my_irq;
static volatile int led_state = 0;

int gpio_irq_handler(rtdm_irq_t *irq_handle) {
    // GPIO 핀 상태 반전
    if (led_state) {
        // Turn LED off
    } else {
        // Turn LED on
    }
    led_state = !led_state;

    // Clear the interrupt (specific to the hardware)
    // gpio_clear_interrupt(GPIO_NUMBER);

    return RTDM_IRQ_HANDLED;
}

int __init init_module(void) {
    int ret;

    // GPIO 초기화 코드 (보드 및 설정에 따라 다름)
    // gpio_request(GPIO_NUMBER);
    // gpio_direction_input(GPIO_NUMBER);

    ret = rtdm_irq_request(&my_irq, IRQ_NUMBER, gpio_irq_handler, 0, "gpio_device", NULL);
    if (ret) {
        printk("Failed to request IRQ\n");
        return ret;
    }
    printk("GPIO IRQ requested successfully\n");

    return 0;
}

void __exit cleanup_module(void) {
    rtdm_irq_free(&my_irq);
    // GPIO 해제 코드
    // gpio_free(GPIO_NUMBER);
}

module_init(init_module);
module_exit(cleanup_module);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Simple GPIO IRQ handler example");

이 장에서는 Xenomai를 사용하여 커널 공간에서 실시간 인터럽트 핸들러를 구현하는 방법을 설명하였다. 인터럽트 핸들러는 실시간 시스템에서 매우 중요한 요소이며, 높은 응답성과 효율을 유지하기 위해 다양한 최적화 기법을 적용할 수 있다. 실시간 인터럽트 핸들링을 통해 더 예측 가능하고 빠른 응답성을 지닌 시스템을 구축할 수 있다.