개요

자동차 산업에서 실시간 운영 체제(rtos)의 역할은 중요하다. 특히, Xenomai와 같은 실시간 프레임워크는 차량의 안전성과 성능을 보장하는 데 중요한 요소이다. 이 장에서는 Xenomai를 활용한 자동차 실시간 애플리케이션의 설계와 구현에 대해 살펴보겠다.

시스템 요구사항

자동차 애플리케이션에서의 실시간 처리 요구사항은 매우 엄격한다. 이는 차량의 일부 기능이 정확한 시간 내에 실행되어야 함을 의미한다. 예를 들어, 브레이크 시스템이나 엔진 제어 시스템의 실시간 반응은 운전자의 안전과 직결된다.

주요 요구사항

1. 정확한 주기성: 브레이크 시스템은 몇 밀리초 주기로 실행되어야 한다.
2. 낮은 지연 시간: 엔진 제어와 같은 시스템은 매우 낮은 지연 시간을 요구한다.
3. 고신뢰성: 시스템이 항상 일정하게 작동해야 한다.
4. 우선순위 기반 스케줄링: 높은 우선순위의 작업이 먼저 실행되어야 한다.

시스템 설계

자동차 실시간 애플리케이션의 시스템 설계는 크게 네 가지로 나눌 수 있다.

1. 하드웨어 선택
2. 운영체제 선택 및 설정
3. 실시간 태스크 설계
4. 통신 방법 설정

하드웨어 선택

하드웨어 선택은 시스템 성능과 직결된다. 자동차 애플리케이션에서는 낮은 전력 소모와 높은 처리 능력을 제공하는 MCU(Microcontroller Unit)를 주로 사용한다.

운영체제 선택 및 설정

운영체제는 Xenomai를 선택한다. Xenomai는 기존의 리눅스 커널 위에 실시간 성능을 추가하여 다양한 실시간 기능을 제공한다.

Xenomai 설치 및 설정

1. 커널 컴파일: Xenomai 패치를 적용한 리눅스 커널을 컴파일한다.
2. 라이브러리 설치: Xenomai에서 제공하는 실시간 라이브러리를 시스템에 설치한다.
3. 태스크 설정: 각 태스크의 주기와 우선순위를 설정한다.

git clone https://github.com/Xenomai/xenomai.git
cd xenomai
./scripts/bootstrap
cd kernel
make menuconfig

실시간 태스크 설계

여러 가지 실시간 태스크를 설계할 수 있지만, 이 사례에서는 브레이크 시스템과 엔진 제어 시스템을 중심으로 설명한다.

브레이크 시스템

브레이크 시스템의 주요 목적은 정확한 시간 내에 제동력을 제어하는 것이다. 브레이크 시스템을 위한 주기적 태스크는 다음과 같이 구현할 수 있다.

// Pseudo-code for brake control task
void brake_control_task(void) {
    while (1) {
        read_sensor_data();
        calculate_brake_force();
        send_to_actuator();
        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

주기성: \textit{$T = 5 \textit{ms}$} 우선순위: \textit{$p = 99$}

엔진 제어 시스템

엔진 제어 시스템은 차량의 성능과 효율성을 높이기 위해 실시간으로 엔진의 작동 상태를 모니터링하고 조정한다. 엔진 제어 태스크도 주기적으로 실행되며, 매우 낮은 지연 시간을 요구한다.

// Pseudo-code for engine control task
void engine_control_task(void) {
    while (1) {
        read_engine_sensors();
        adjust_fuel_injection();
        update_timing();
        check_errors();
        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

주기성: \textit{$T = 1 \textit{ms}$} 우선순위: \textit{$p = 100$}

통신 방법 설정

자동차 실시간 애플리케이션에서는 여러 태스크 간의 통신이 필수적이다. 이러한 통신은 안정적이고 실시간 특성을 보장해야 한다. Xenomai는 여러 통신 기법을 제공한다.

1. 메시지 큐(Message Queue)
2. 파이프(Pipes)
3. 공유 메모리(Shared Memory)

메시지 큐 예시

메시지 큐는 서로 다른 태스크 간에 데이터를 교환하는 효율적인 방법이다.

// Pseudo-code for message queue communication
RT_QUEUE msg_queue;

void communication_init() {
    rt_queue_create(&msg_queue, "MsgQueue", QUEUE_SIZE, Q_UNLIMITED, Q_FIFO);
}

void send_message(void *message, int size) {
    rt_queue_write(&msg_queue, message, size, Q_NORMAL);
}

void receive_message(void *buffer, int size) {
    rt_queue_read(&msg_queue, buffer, size, TM_INFINITE);
}

검증 및 테스트

실시간 테스트

자동차 실시간 애플리케이션의 검증과 테스트는 실제 환경에서의 동작을 평가하는 것이 중요하다. 주요 테스트 방법은 다음과 같다.

1. 프로파일링(Profile): 각 태스크의 주기성과 우선순위를 검증한다.
2. 지연 시간(Latency) 측정: 시스템의 전체적인 지연 시간을 측정하여 성능을 평가한다.
3. 주기적 실행 테스트: 각 태스크가 설정한 주기를 정확히 준수하는지 확인한다.

예측 가능성(Predictability)

모든 테스트는 시스템이 예측 가능한 범위 내에서 작동하는지 확인해야 한다. 이는 자동차 애플리케이션의 안전성을 보장하는데 필수적이다.