모듈형 실시간 시스템 구축

모듈형 실시간 시스템은 다양한 독립적인 컴포넌트들로 구성되어 있으며, 이러한 컴포넌트들이 결합되어 하나의 큰 시스템을 형성한다. Xenomai는 이러한 모듈식 설계에 매우 적합한다. 이 장에서는 Xenomai를 사용하여 모듈형 실시간 시스템을 어떻게 구축하고 통합할 수 있는지에 대해 설명한다.

시스템 아키텍처 설계

모듈형 실시간 시스템의 첫 번째 단계는 시스템 아키텍처의 설계이다. 여기에는 시스템의 각 모듈이 어떤 기능을 수행할 것인지 정의하고, 모듈 간의 통신과 데이터 흐름을 설계하는 것이 포함된다.

1. 모듈 정의: 시스템에서 필요한 각 기능을 별도의 모듈로 나눈다. 예를 들면, 센서 데이터 수집 모듈, 데이터 처리 모듈, 제어 모듈 등이 있다.
2. 인터페이스 설계: 각 모듈이 통신할 수 있는 방법을 정의한다. 여기에는 메시지 큐, 버퍼, 파이프 등의 IPC(Inter-Process Communication) 방법이 포함될 수 있다.
3. 실시간 요구사항 분석: 각 모듈의 실시간 성능 요구사항을 분석한다. 예를 들어, 어떤 모듈은 주기적으로 실행되어야 하고, 어떤 모듈은 이벤트 기반으로 실행될 수 있다.

Xenomai 스레드 생성 및 관리

각 모듈은 Xenomai 스레드로 구현된다. 실시간 스레드를 생성하고 관리하는 방법에 대해 설명한다.

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

RT_TASK sensor_task;
RT_TASK control_task;

/* Sensor task implementation */
void sensor_task_func(void *arg) {
    while(1) {
        /* Sensor data collection logic */
        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

/* Control task implementation */
void control_task_func(void *arg) {
    while(1) {
        /* Control logic */
        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    rt_task_create(&sensor_task, "Sensor Task", 0, 99, 0);
    rt_task_create(&control_task, "Control Task", 0, 90, 0);

    rt_task_start(&sensor_task, &sensor_task_func, NULL);
    rt_task_start(&control_task, &control_task_func, NULL);

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

위의 예제에서는 두 개의 실시간 스레드(sensor_task와 control_task)를 생성하고 시작하는 방법을 보여준다. 각 스레드가 주기적으로 실행되도록 rt_task_wait_period() 함수를 사용한다.

모듈 간 통신

모듈 간 통신은 모듈형 시스템의 핵심 요소 중 하나이다. Xenomai에서는 여러 가지 IPC 방법을 제공한다:

1. 메시지 큐(RT_QUEUE): 메시지 큐를 사용하여 모듈 간 데이터를 전달할 수 있다.
2. 파이프(RT_PIPE): 데이터를 스트리밍 방식으로 전송할 때 유용하다.
3. 공유 메모리(SHM): 큰 데이터 블록을 공유할 때 유용하다.

예를 들어, 메시지 큐를 사용하는 방법은 다음과 같다:

#include <native/queue.h>

RT_QUEUE msg_queue;

#define MSG_SIZE 128
#define QUEUE_SIZE 10

void producer(void *arg) {
    char msg[MSG_SIZE];
    while(1) {
        // Prepare message
        rt_queue_write(&msg_queue, msg, MSG_SIZE, Q_NORMAL);
        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

void consumer(void *arg) {
    char msg[MSG_SIZE];
    while(1) {
        rt_queue_read(&msg_queue, msg, MSG_SIZE, TM_INFINITE);
        // Process message
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    rt_queue_create(&msg_queue, "Message Queue", MSG_SIZE * QUEUE_SIZE, QUEUE_SIZE, Q_FIFO);

    RT_TASK producer_task, consumer_task;
    rt_task_create(&producer_task, "Producer Task", 0, 90, 0);
    rt_task_create(&consumer_task, "Consumer Task", 0, 90, 0);

    rt_task_start(&producer_task, &producer, NULL);
    rt_task_start(&consumer_task, &consumer, NULL);

    pause();
    return 0;
}

위의 예제에서는 rt_queue_create 함수를 사용하여 메시지 큐를 생성하고, rt_queue_write와 rt_queue_read 함수를 사용하여 메시지를 주고받는 방법을 보여준다.

실시간 데이터 처리 및 제어

모듈형 실시간 시스템에서는 실시간 데이터 처리 및 제어가 중요한 역할을 한다. 여기에서는 Xenomai를 사용하여 실시간 데이터 처리 및 제어 모듈을 구현하는 방법을 설명한다.

데이터 처리 모듈 구현

데이터 처리 모듈에서는 센서 데이터나 외부 입력 데이터를 처리하고, 필요한 경우 그 결과를 다른 모듈에 전달한다.

void data_processing_task(void *arg) {
    char input_data[DATA_SIZE];
    char processed_data[DATA_SIZE];

    while(1) {
        // 입력 데이터 수신
        rt_queue_read(&input_queue, input_data, DATA_SIZE, TM_INFINITE);

        // 데이터 처리
        process_data(input_data, processed_data);

        // 처리된 데이터 송신
        rt_queue_write(&output_queue, processed_data, DATA_SIZE, Q_NORMAL);

        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

제어 모듈 구현

제어 모듈은 처리된 데이터를 기반으로 실시간 제어 알고리즘을 실행한다.

void control_task(void *arg) {
    char control_command[COMMAND_SIZE];
    char feedback_data[FEEDBACK_SIZE];

    while(1) {
        // 처리된 데이터 수신
        rt_queue_read(&processed_data_queue, control_command, COMMAND_SIZE, TM_INFINITE);

        // 제어 명령 생성
        generate_control_command(control_command, feedback_data);

        // 피드백 데이터 송신
        rt_queue_write(&feedback_queue, feedback_data, FEEDBACK_SIZE, Q_NORMAL);

        rt_task_wait_period(NULL);
    }
}

시스템 통합 및 테스트

모듈형 실시간 시스템을 구축한 후에는 통합 및 테스트가 필요하다. 다음 단계들은 시스템의 각 모듈이 올바르게 작동하고 전체 시스템이 안정적으로 동작하는지 확인하는 절차를 포함한다.

통합 테스트

1. 각 모듈 개별 테스트: 각 모듈을 독립적으로 테스트하여 기본적인 기능이 올바르게 동작하는지 확인한다.
2. 통합 테스트 계획 작성: 전체 시스템의 통합 테스트를 위한 계획을 작성한다. 여기에는 테스트 시나리오, 입력 데이터를 정의하고 예상 출력 결과를 명시한다.
3. 통합 테스트 실행: 실제 하드웨어 또는 시뮬레이션 환경에서 전체 시스템을 테스트한다.

성능 및 실시간성 검증

성능 및 실시간성 검증은 시스템이 실시간 요구사항을 충족하고 있는지 확인하는 중요한 과정이다.

1. 시스템 로깅 및 모니터링: Xenomai의 트레이스 기능을 사용하여 시스템의 성능을 로깅하고 모니터링한다.
2. 응답 시간 측정: 각 모듈의 응답 시간을 측정하여 실시간 요구사항을 만족하는지 확인한다.
3. 부하 테스트: 시스템에 다양한 부하 조건을 적용하여 안정성을 테스트한다.

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

void monitor_task(void *arg) {
    RTIME previous_time, current_time;
    while(1) {
        previous_time = rt_timer_read();
        rt_task_wait_period(NULL);
        current_time = rt_timer_read();

        // 응답 시간 측정 및 로그
        print_to_logfile(current_time - previous_time);
    }
}

void setup_monitoring() {
    RT_TASK monitor_task;
    rt_task_create(&monitor_task, "Monitor Task", 0, 50, 0);
    rt_task_start(&monitor_task, &monitor_task_func, NULL);
}

시스템 최적화 및 튜닝

최적화 및 튜닝 과정에서는 시스템의 성능을 최적화하고, 실시간 요구사항을 더 잘 충족할 수 있도록 시스템을 조정한다.

1. CPU 사용률 최적화: 스레드 우선순위 조정, 스케줄러 정책 변경 등을 통해 CPU 사용률을 최적화한다.
2. 메모리 관리 최적화: 메모리 사용 패턴을 분석하고 불필요한 메모리 사용을 줄이다.
3. 응답 시간 최적화: 응답 시간이 중요한 모듈의 코드를 최적화하고, 불필요한 지연을 줄이다.