Xenomai 개요

Xenomai란?

Xenomai는 Linux 운영 체제에 실시간 기능을 제공하는 프레임워크이다. 이는 높은 정확성과 일관된 응답 시간을 요구하는 응용 프로그램을 위해 확장 가능한 실시간 운영 체제를 제공한다. Xenomai는 나노커널(nano-kernel)과 사용자 공간 응용 프로그램 간의 실시간 성능을 보장하기 위해 설계되었다.

이점

Xenomai는 정확한 타이밍, 선점형 커널, 결정론적 응답과 같은 실시간 특성을 제공하며, 이는 로봇 공학, 자동화 시스템, 과학 연구 및 통신 장치 등 다양한 응용 분야에서 사용된다.

Xenomai 설치 및 설정

설치 요구 사항

Xenomai를 설치하기 위해서는 특정한 시스템 요구 사항과 종속성이 필요하다. 여기에는 C 컴파일러, 패키지 설치 도구 및 적절한 커널 버전이 포함된다.

설치 과정

리눅스 커널 패치

1. 커널 다운로드 및 패치 bash wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.tar.xz tar -xf linux-5.4.tar.xz cd linux-5.4 wget https://xenomai.org/downloads/ipipe/v5.x/xenomai-ipipe-core-4.19.59-x86-15.patch patch -p1 < xenomai-ipipe-core-4.19.59-x86-15.patch

2. 커널 구성 bash make menuconfig

3. 커널 빌드 및 설치 bash make -j4 sudo make modules_install sudo make install

Xenomai 설치

1. Xenomai 다운로드 bash wget https://xenomai.org/downloads/xenomai/stable/xenomai-3.1.tar.bz2 tar -xjf xenomai-3.1.tar.bz2 cd xenomai-3.1

2. Xenomai 빌드 및 설치 bash ./configure --with-core=posix --enable-smp --enable-dlopen-libs --with-pthread make sudo make install

설정

1. GRUB 수정 /etc/default/grub 파일을 수정하여 부팅시 Xenomai 설정을 포함하도록 한다. bash sudo nano /etc/default/grub 다음 라인을 추가한다: GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash ipipe"

2. GRUB 업데이트 bash sudo update-grub

Xenomai 응용 프로그램 개발

Xenomai 스레드 생성

다음은 Xenomai API를 사용하여 실시간 스레드를 생성하는 예제 코드이다:

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

void task_proc(void *arg)
{
    while (1) {
        rt_task_sleep(1000000000); // Sleep for 1 second
        printf("Real-time task running...\n");
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    RT_TASK my_task;
    int err;

    // Create Real-time Task
    err = rt_task_create(&my_task, "MyTask", 0, 99, 0);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to create task: %s\n", strerror(-err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // Start Real-time Task
    err = rt_task_start(&my_task, &task_proc, NULL);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to start task: %s\n", strerror(-err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pause(); // Suspend main thread 
    return 0;
}

Xenomai 통신 메커니즘

메시지 큐(Message Queues)

Xenomai의 메시지 큐는 다양한 실시간 스레드들 간에 데이터를 송수신하는 데 사용된다. 다음 예제는 메시지 큐를 생성하고 사용하는 예시이다:

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

#define QUEUE_SIZE 10

RT_TASK sender_task;
RT_TASK receiver_task;
RT_QUEUE message_queue;

void sender(void *arg)
{
    char *msg = "Hello, Xenomai!";
    rt_queue_write(&message_queue, msg, strlen(msg) + 1, Q_NORMAL);
}

void receiver(void *arg)
{
    void *msg;
    rt_queue_receive(&message_queue, &msg, TM_INFINITE);
    printf("Received message: %s\n", (char *)msg);
    rt_queue_free(&message_queue, msg);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    rt_queue_create(&message_queue, "MsgQueue", QUEUE_SIZE, Q_FIFO);

    rt_task_create(&sender_task, "Sender", 0, 50, 0);
    rt_task_start(&sender_task, &sender, NULL);

    rt_task_create(&receiver_task, "Receiver", 0, 50, 0);
    rt_task_start(&receiver_task, &receiver, NULL);

    pause();
    return 0;
}

상기한 내용은 Xenomai를 이해하고 설치하며, 기본적인 실시간 응용 프로그램을 작성하는 데 필요한 기초적인 부분들을 다루고 있다. 다음으로 특정 기능과 고급 사용 사례를 살펴보겠다.

고급 기능 및 사용 사례

실시간 네트워크 통신

Xenomai는 실시간 네트워크 통신을 지원하며, 이를 통해 여러 장치 간의 실시간 데이터 교환이 가능한다. Xenomai의 RTnet 스택은 이 목적을 위해 설계된 실시간 네트워크 인터페이스이다.

RTnet 설정

1. RTnet 다운로드 및 설치 bash git clone git://git.xenomai.org/rtnet.git cd rtnet ./configure --with-xenomai=/usr/xenomai --enable-rtpci=yes --enable-doc=no make sudo make install

2. 네트워크 인터페이스 구성 /etc/network/interfaces 파일을 열고 구성한다: bash auto rtnet0 iface rtnet0 inet static address 192.168.1.10 netmask 255.255.255.0

3. RTnet 모듈 로드 bash sudo modprobe rt_dma sudo modprobe e1000_rt sudo ifup rtnet0

실시간 데이터 로깅

실시간 시스템에서는 시스템 상태나 이벤트를 로깅하는 것이 중요하다. Xenomai는 실시간 데이터 로깅을 위해 rtdm(Real-Time Driver Model)을 제공한다.

rtdm 예제

다음은 rtdm을 사용하여 실시간 데이터를 로깅하는 예제이다:

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

void logging_task(void *arg)
{
    RTIME now, previous = 0;
    while (1) {
        now = rt_timer_read();
        if (previous != 0) {
            printf("Interval: %llu ns\n", (unsigned long long) (now - previous));
        }
        previous = now;
        rt_task_sleep(1000000000); // 1 second sleep
    }
}

int main()
{
    RT_TASK log_task;
    rt_task_create(&log_task, "LogTask", 0, 50, 0);
    rt_task_start(&log_task, &logging_task, NULL);
    pause();
    return 0;
}

Xenomai 통합 테스트

실시간 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해 통합 테스트가 중요하다. Xenomai는 실시간 성능과 안정성 테스트를 지원하는 다양한 도구를 제공한다.

성능 측정

Xenomai는 실시간 피드백을 제공하는 latency 도구를 제공한다.

sudo /usr/xenomai/bin/latency

해당 명령은 시스템의 실시간 응답 시간을 측정하고, 이를 통해 시스템의 성능을 검증할 수 있다.

통합 테스트 도구

Xenomai는 실시간 시스템의 통합 테스트를 지원하기 위한 다양한 유틸리티와 도구를 제공한다. 예를 들어, 스스로 작성한 응용 프로그램에 대한 자동화 테스트를 작성하여, 실시간 응답성과 시스템 성능을 지속적으로 검증할 수 있다.

---

Xenomai는 리눅스 환경에서 실시간 성능을 요구하는 다양한 응용 프로그램을 개발하는 데 있어서 강력한 도구이다. 이 문서에서는 Xenomai의 기본 설치와 설정, 기본적인 API 사용법, 그리고 좀 더 고급 기능을 활용하는 방법을 살펴보았다. 실시간 시스템의 요구사항을 충족하기 위해 설계된 Xenomai를 통해 높은 안정성과 신뢰성을 갖춘 시스템을 구축해 보시기 바란다.