Xenomai는 리눅스 기반의 실시간 운영체제로, 다양한 실시간 응용 프로그램을 효율적이고 정확하게 수행하기 위한 강력한 도구를 제공한다. 이번 장에서는 구체적인 사례 연구를 통해 Xenomai의 맞춤형 구현 과정을 자세히 살펴보겠다.

개요

이 사례 연구에서는 제조 공장 자동화 시스템에 Xenomai를 적용한 예를 다룬다. 제조 공장에서는 다양한 센서와 액추에이터를 실시간으로 제어하고 모니터링하여 품질과 생산성을 최적화할 필요가 있다. 이를 위해 고성능의 실시간 시스템이 요구되며, Xenomai를 사용하여 이러한 요구를 충족시킬 수 있다.

시스템 아키텍처

하드웨어 구성

1. CPU: 다중 코어 프로세서
2. 메모리: 8GB 이상의 RAM
3. I/O 장치: 다수의 센서와 액추에이터 연결을 위한 GPIO 핀, A/D 및 D/A 변환기
4. 통신 인터페이스: Ethernet 및 CAN (Controller Area Network) 버스

소프트웨어 구성

1. 내부 시스템: Xenomai 커널
2. 응용 프로그램: 실시간 데이터 수집 및 제어
3. 미들웨어: 실시간 통신 및 데이터 처리

Xenomai 구현 단계

1. 초기 환경 설정

먼저 Xenomai 환경을 설정하고, 필요한 패키지를 설치한다. 이를 위해 기본 리눅스 커널을 패치하고 Xenomai 커널을 빌드한다.

git clone https://source.denx.de/Xenomai/xenomai.git

cd xenomai

./scripts/bootstrap
./configure --with-core=cobalt --enable-smp --enable-pshared
make -j$(nproc)
sudo make install

2. 실시간 태스크 생성

메인 컨트롤 루프, 센서 데이터 처리, 액추에이터 제어 등의 실시간 태스크를 생성한다. 예제 코드는 다음과 같다:

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

RT_TASK control_task;

void control_loop(void *arg)
{
  while (1) {
    // 센서 데이터 수집
    fetch_sensor_data();

    // 데이터 처리 및 로직 결정
    process_data();

    // 액추에이터 제어 명령 전송
    send_actuator_command();

    rt_task_sleep(1000000); // 1ms 주기
  }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  // Xenomai 실시간 태스크 생성
  rt_task_create(&control_task, "Control Task", 0, 99, 0);

  // 실시간 태스크 실행
  rt_task_start(&control_task, &control_loop, NULL);

  // 메인 루프 실행
  while (1) {
    // 로그 작성 또는 상태 모니터링
  }

  // Xenomai 종료
  rt_task_delete(&control_task);

  return 0;
}

3. 실시간 데이터 통신

제조 공장에서는 다양한 장치 및 시스템 간의 실시간 데이터 통신이 필요하다. 이를 위해 Xenomai는 여러 가지 실시간 통신 프로토콜을 지원한다. Ethernet 및 CAN 버스를 활용하여 제어 명령과 센서 데이터를 교환하는 예제는 다음과 같다:

Ethernet Communication

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <xenomai/native/timer.h>

#define SERVER_IP "192.168.1.100"
#define SERVER_PORT 8080

int send_data_over_ethernet(const char *data, int len)
{
  int sockfd;
  struct sockaddr_in server_addr;

  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (sockfd < 0) {
    perror("Socket creation failed");
    return -1;
  }

  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
  inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr);

  if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    perror("Connection failed");
    close(sockfd);
    return -1;
  }

  send(sockfd, data, len, 0);
  close(sockfd);

  return 0;
}

CAN Bus Communication

#include <xenomai/native/can.h>
#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK can_task;

void can_loop(void *arg)
{
  RT_CAN_FRAME frame;

  frame.can_id = 0x123; // CAN ID
  frame.can_dlc = 8;    // Data length code
  memcpy(frame.data, "DATA1234", 8);

  while (1) {
    rt_dev_send(can_socket, &frame, sizeof(frame), 0);
    rt_task_sleep(500000); // 0.5ms 주기
  }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  int can_socket;

  // CAN 소켓 생성 및 초기화
  can_socket = rt_dev_socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW);
  if (can_socket < 0) {
    perror("Socket creation failed");
    return -1;
  }

  // CAN 인터페이스 설정
  struct ifreq ifr;
  strcpy(ifr.ifr_name, "can0");
  ioctl(can_socket, SIOCGIFINDEX, &ifr);

  struct sockaddr_can addr;
  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
  addr.can_family = AF_CAN;
  addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;

  if (rt_dev_bind(can_socket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
    perror("Bind failed");
    return -1;
  }

  // CAN 통신 태스크 생성 및 시작
  rt_task_create(&can_task, "CAN Task", 0, 99, 0);
  rt_task_start(&can_task, &can_loop, NULL);

  while (1) {
    // 메인 루프
  }

  rt_task_delete(&can_task);
  rt_dev_close(can_socket);

  return 0;
}

4. 실시간 스케줄링 및 우선순위 관리

여러 실시간 태스크가 공존할 경우, 적절한 스케줄링과 우선순위 관리가 필요하다. Xenomai는 다양한 스케줄링 정책과 우선순위 설정을 제공한다. 각 태스크에 대한 우선순위를 설정하고, 시스템 요구사항에 맞게 스케줄링 정책을 선택할 수 있다.

#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK task1, task2;

void task1_func(void *arg)
{
  while (1) {
    // 태스크 1 기능
    rt_task_sleep(1000000); // 1ms 주기
  }
}

void task2_func(void *arg)
{
  while (1) {
    // 태스크 2 기능
    rt_task_sleep(2000000); // 2ms 주기
  }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  // 태스크 1 생성 및 시작 (우선순위 90)
  rt_task_create(&task1, "Task 1", 0, 90, 0);
  rt_task_start(&task1, &task1_func, NULL);

  // 태스크 2 생성 및 시작 (우선순위 80)
  rt_task_create(&task2, "Task 2", 0, 80, 0);
  rt_task_start(&task2, &task2_func, NULL);

  while (1) {
    // 메인 루프
  }

  rt_task_delete(&task1);
  rt_task_delete(&task2);

  return 0;
}

5. 디버깅 및 성능 최적화

Xenomai는 실시간 성능 분석 및 디버깅 도구를 제공한다.

cat /proc/xenomai/sched

dmesg | grep Xenomai

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본 사례 연구를 통해 제조 공장 자동화 시스템에서 Xenomai를 적용하여 고성능의 실시간 요구를 충족하는 방법을 알아보았다. Xenomai는 안정적인 실시간 성능과 다양한 기능을 제공하여 다양한 산업 분야에 유용하게 적용될 수 있다.