정의 및 특징
실시간 시스템(Real-Time System)이란 정의된 시간 내에 작업을 완료해야 하는 시스템을 의미한다. 이러한 시스템에서는 계산 작업이 논리적으로 올바르게 수행되는 것뿐만 아니라, 시간 제약 조건도 만족해야 한다. 실시간 시스템의 주요 특징은 다음과 같다:
- 시간 제약 조건(Time Constraints): 작업이 명시된 시간 한도 내에서 완료되어야 하며, 이는 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소 모두에 적용된다.
- 결정론적 행동(Deterministic Behavior): 시스템의 동작이 예측 가능해야 하며, 동일한 입력 조건에서 항상 동일한 출력을 생성해야 한다.
- 높은 신뢰성(Reliability): 시스템이 시간을 지키는 정도가 아니라, 기능적인 오류 없이 동작하는 것도 중요하다.
실시간 시스템은 주로 산업 자동화, 항공 우주, 군사 장비, 의료 기기, 로봇 공학, 자동차 전자 장치 및 통신 장비 등 다양한 분야에서 사용된다.
실시간 시스템의 유형
실시간 시스템은 다음과 같이 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있다:
하드 실시간 시스템 (Hard Real-Time Systems)
하드 실시간 시스템에서는 시간 제약 조건을 엄격하게 지켜야 한다. 여기에서 시간 제약 조건을 위반하는 경우 시스템의 성공이 아니라 실패로 간주된다. 예를 들어, 항공기 제어 시스템, 핵발전소 제어 시스템 등이 이에 해당한다.
소프트 실시간 시스템 (Soft Real-Time Systems)
소프트 실시간 시스템에서는 시간 제약 조건이 여전히 중요하지만, 엄격성이 덜 요구된다. 여기서는 제시간에 작업을 완료하지 못해도 시스템 성능에 약간의 영향만 미칠 뿐, 치명적인 결과를 초래하지 않는다. 예를 들어, 비디오 스트리밍, 온라인 게임 등이 이에 해당한다.
실시간 운영체제 (RTOS)
실시간 시스템은 실시간 운영체제(Real-Time Operating System, RTOS)를 필요로 한다. RTOS는 일반적으로 다음과 같은 기능을 제공한다:
- 멀티태스킹(Multitasking): 다수의 작업을 동시에 관리하고 수행할 수 있다.
- 태스크 스케줄링(Task Scheduling): 작업의 우선순위를 관리하고, 높은 우선순위의 작업을 더 빨리 처리할 수 있게 조정한다.
- 인터럽트 처리(Interrupt Handling): 외부 이벤트에 빠르게 반응하고, 중요한 작업을 즉시 처리할 수 있다.
- 시간 관리(Time Management): 작업의 실행 시간을 제어하고, 타임아웃을 설정할 수 있다.
실시간 시스템의 설계 고려 사항
실시간 시스템을 설계할 때 다음 사항들을 고려해야 한다:
시간 분석 (Timing Analysis)
작업의 수행 시간과 시스템의 응답 시간을 예측하고 분석한다. 이는 주기적 작업과 비주기적 작업의 간섭을 최소화하고, 시스템이 모든 시간 제약 조건을 만족하도록 하기 위해 중요하다.
우선순위 할당 (Priority Assignment)
작업의 중요도를 기준으로 우선순위를 할당한다. 이는 주로 선입선출(First-Come, First-Served, FCFS), 우선순위 기반 스케줄링(Priority-Based Scheduling) 등의 방식으로 이루어진다. 먼저 수행해야 할 작업이 후순위 작업에 의해 방해 받지 않도록 하는 것이 목적이다.
자원 관리 (Resource Management)
하드웨어 자원(CPU, 메모리, I/O 장치 등)을 효율적으로 분배하여 시간 제약 조건을 충족하며, 데드락(Deadlock) 현상을 방지한다. 세마포어(Semaphore), 뮤텍스(Mutex) 등의 동기화 기법을 사용하여 자원 접근을 제어할 수 있다.
결함 허용 (Fault Tolerance)
시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 결함 허용 기법을 설계에 포함한다. 예를 들어, 이중화(Redundancy)나 예비 시스템(Fault-Tolerant Systems)을 사용하여 단일 구성 요소의 오류가 전체 시스템의 성능이나 신뢰성에 큰 영향을 미치지 않도록 한다.
성능 조정 (Performance Tuning)
하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소의 성능을 최적화한다. 시스템의 부하를 균등하게 분배하고, 작업의 효율성을 높이기 위해 코드를 최적화한다.
흔히 사용되는 RTOS 예시
FreeRTOS
오픈 소스 RTOS로, 중소 규모의 임베디드 시스템에 널리 사용된다. 라이선스 조건이 유연하며, 다양한 아키텍처를 지원한다.
VxWorks
Wind River Systems에서 개발한 상용 RTOS로, 항공 우주 및 국방, 통신, 산업 자동화 등 고성능 실시간 시스템에 주로 사용된다.
QNX
BlackBerry에서 개발한 상용 RTOS로, 자동차 및 의료 기기, 산업 제어, 통신 장비 등에 적용된다. 높은 신뢰성과 성능을 제공한다.
RTEMS
오픈 소스 RTOS로, 위성, 의료 장비, 산업용 컴퓨터 등에 사용된다. POSIX 호환성을 가지며, 다양한 하드웨어 플랫폼을 지원한다.
Zephyr
Linux Foundation에서 호스팅하는 오픈 소스 RTOS로, IoT(Internet of Things) 장치에 특화되어 있다. 모듈화된 아키텍처와 다양한 보드 및 센서 지원을 특징으로 한다.
실시간 시스템의 중요성은 날로 증가하고 있으며, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 시간 제약 조건을 만족하고 신뢰성을 높이기 위한 설계 방법론 및 기술을 지속적으로 발전시키는 것이 중요하다.