실시간 리눅스 커널과 일반 리눅스 커널의 차이는 주로 시스템의 응답 시간과 처리 방식에 있다. 일반 리눅스 커널은 주로 일반적인 용도로 설계되어, 컴퓨터 리소스를 최대한 효율적으로 사용하고 다양한 작업을 동시에 처리하는 데 중점을 둔다. 반면, 실시간 리눅스 커널은 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 시간 내에 작업을 완료하는 데 중점을 둔다.
실시간 성능과 응답 시간
일반 커널은 다양한 사용자와 시스템 프로세스를 동시에 처리하기 위해 우선순위가 낮은 작업도 일정하게 처리한다. 이는 응답 시간의 변동성을 증가시킬 수 있다. 하지만 실시간 커널은 특정 작업의 우선순위를 높여 예측 가능한 시간 내에 작업이 완료되도록 보장한다.
인터럽트 처리
실시간 리눅스 커널은 인터럽트의 처리 시간을 최소화하여 예측 가능한 응답 시간을 유지한다. 인터럽트는 하드웨어 또는 소프트웨어 이벤트에 의해 발생하는데, 실시간 커널은 이러한 인터럽트를 신속하게 처리하고 중요한 작업에 다시 집중한다.
스케줄링 정책
일반 커널은 공정성을 위해 다양한 스케줄링 정책을 적용한다. 이로 인해 실시간 요구 사항이 있는 작업이 지연될 수 있다. 반면, 실시간 커널은 실시간 스케줄링 정책을 사용하여 중요한 작업이 지연되지 않도록 한다. 주로 사용되는 실시간 스케줄링 정책은 다음과 같다:
- FIFO (First In, First Out): 먼저 큐에 들어온 작업을 먼저 처리한다.
- RR (Round Robin): 순환적으로 작업을 처리하여 모든 작업이 일정 시간을 가지도록 한다.
- Deadline: 작업이 주어진 시간 내에 완료되도록 보장한다.
커널 프리엠션
일반 커널은 커널 모드에서 긴 시간 동안 실행되는 작업 때문에 사용자 응용 프로그램이 일시적으로 멈출 수 있다. 실시간 커널은 커널 프리엠션을 적극적으로 사용하여 긴 시간 실행되는 커널 작업을 중단하고, 더 높은 우선순위의 작업을 처리한다. 이는 낮은 응답 시간을 유지하는 데 필수적이다.
메모리 관리
실시간 커널은 메모리 관리에서도 실시간 성능을 보장하기 위해 최적화되어 있다. 메모리 할당과 해제를 예측 가능하고 일관되게 처리하도록 설계되었다.
락 (Lock) 관리
실시간 커널은 락의 경쟁 상태를 최소화하여 중요한 작업이 지연되지 않도록 한다. 반면 일반 커널은 다양한 락 관리 기법을 사용해 시스템 전반의 성능을 높이는 데 중점을 둔다.
타이머 관리
일반 커널은 타이머의 정확성을 어느 정도 희생하고 시스템 효율성을 중시한다. 하지만 실시간 커널은 타이머의 정확성이 매우 중요하기 때문에 이를 철저히 관리한다.
실시간 리눅스 커널과 일반 리눅스 커널은 설계 철학과 주요 목표에서 큰 차이를 보이다. 실시간 커널은 예측 가능하고 낮은 응답 시간을 유지하기 위해 다양한 최적화 기법을 사용한다. 반면, 일반 커널은 공정성과 시스템 전반의 효율성을 중시한다.
일반 리눅스 커널과 실시간 리눅스 커널의 선택 기준
어떤 커널을 사용할 것인지는 시스템의 요구 사항에 따라 결정된다. 아래는 어떤 상황에서 실시간 리눅스 커널을 선택해야 하는지와 일반 리눅스 커널을 선택해야 하는지에 대한 기준이다.
실시간 리눅스 커널을 선택해야 하는 경우:
- 정밀한 타이밍이 중요한 경우: 산업 자동화, 로봇 공학, 드론 제어 시스템 등에서 정밀한 타이밍과 낮은 응답 시간이 필수적인 경우.
- 예측 가능한 응답이 필요한 경우: 의료 기기, 자동화된 금융 거래 시스템 등 응답 시간의 변동성이 치명적인 영향을 미칠 수 있는 경우.
- 고우선순위 작업이 많은 경우: 고우선순위 작업이 빈번하게 발생하고, 이들이 즉시 처리되어야 하는 경우.
일반 리눅스 커널을 선택해야 하는 경우:
- 일반적인 데스크탑 및 서버 환경: 웹 서버, 데이터베이스 서버 등에서 일반적인 작업 처리에 사용.
- 다양한 작업을 동시에 처리해야 하는 경우: 멀티미디어 처리, 개발 환경 등에서 다양한 작업을 효율적으로 처리해야 하는 경우.
- 실시간 응답이 필수가 아닌 경우: 응답 시간의 변동성이 큰 문제가 되지 않는 애플리케이션.
실시간 커널의 예: PREEMPT-RT
리눅스 커널에서 실시간 성능을 향상시키기 위해 일반적으로 사용하는 패치는 PREEMPT-RT 패치이다. 이 패치는 기본 리눅스 커널에 실시간 기능을 추가하는데, 주요 기능은 다음과 같다:
- 커널 프리엠션을 가능하게 함: 커널 코드가 실행 중일 때도 높은 우선순위의 작업이 들어오면 이를 처리할 수 있게 한다.
- 락 프리 구조: 일반 락 대신 RT_MUTEX와 같은 실시간 락 구조를 사용하여 락 경합을 최소화한다.
- 고해상도 타이머: 정밀한 타이머를 사용하여 더 나은 시간 관리가 가능한다.
실시간 커널 구성 방법
1. 커널 소스 다운로드
리눅스 커널 소스를 다운로드하고, PREEMPT-RT 패치를 적용해야 한다.
git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
cd linux
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.10/patch-5.10-rt25.patch.xz
xz -d patch-5.10-rt25.patch.xz
patch -p1 < patch-5.10-rt25.patch
2. 커널 설정
menuconfig를 사용하여 커널 설정을 변경할 수 있다.
make menuconfig
General Setup -> Preemption Model에서 Fully Preemptible Kernel (RT)을 선택한다.
3. 커널 컴파일 및 설치
커널을 컴파일하고 설치한다.
make -j$(nproc)
sudo make modules_install
sudo make install
4. 시스템 재부팅
새로 컴파일한 커널로 시스템을 재부팅한다.
sudo reboot
새로 부팅된 시스템에서 실시간 커널이 제대로 적용되었는지 확인할 수 있다.
이로써 실시간 리눅스 커널의 이해와 사용 방법에 대해 살펴보았다. 다른 질문이 있다면 언제든지 물어보세요.