[논문]리눅스 기반 실시간 성능 제공 RTiK의 이식성 향상을 위한 방법

이상길; 이정국; 이철훈

doi:10.5392/jkca.2020.20.08.054

리눅스 기반 실시간 성능 제공 RTiK의 이식성 향상을 위한 방법
Methods for Improving Portability of RTiK to Real-time Performance on Linux-based Systems 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.20 no.8, 2020년, pp.54 - 64

이상길 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 이정국 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 이철훈 (충남대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

RTiK-Linux는 리눅스에 실시간 성능을 제공하기 위한 방법으로, 타임 틱 인터럽트 구현을 위해 하드웨어 레지스터에 직접 접근하여 제어한다. x86 Intel 및 ARM 기반의 AP 인 Exynoss 5422에서 동작하도록 구현되었으나 파편화된 ARM 환경에 모두 이식할 수 없는 단점이 있었다. 본 논문에서는 다양한 플랫폼에서 동작할 수 있도록 이식성을 개선하기 위해 타임 틱 인터럽트의 구조를 변경한다. 하드웨어와 독립적인 고해상도 타이머를 적용하고, 이를 적용하여 시간 결정성을 만족할 수 있도록 태스크와 이벤트 동작 구조를 변경한다. 개선된 RTiK-Linux가 x86 및 다양한 ARM AP 환경에서 잘 동작하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

RTiK-Linux is a method to provide real-time performance to Linux, it is controlled by directly accessing hardware registers to implement time tick interrupts. It implemented on x86 Intel and ARM based Exynoss 5422, but it had a disadvantage that it could not be ported to both fragmented other platform environments. In this paper, We change structure of time tick interrupt for improve po rtability so that it can operate on other platforms. We apply high-resolution timers that are independent of hardware, and modify operating structure to task and event to satisfy time determinism. It was confirmed that the improved RTiK-Linux works well in x86 and various ARM AP environments.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. RTiK-Linux의 구조
그림 그림 2. RTAI의 동작 구조
그림 그림 3. H/W 타이머를 각각 직접 접근하여 제어하는 구조(좌)와 리눅스를 통해 타이머를 간접 접근하는 구조(우)
그림 그림 4. 이식성이 개선된 구조에서 RTiK-Linux의 타이머 호출 과정
그림 그림 5. RTiK-Linux의 태스크/이벤트 우선순위
그림 그림 6. 타임 틱 인터럽트 핸들러를 통해 호출되는 이벤트 대기 리스트 관리 구조
그림 그림 7. 호출 주기에 맞게 등록된 태스크의 모습
그림 그림 8. RTiK-Linux를 사용하여 태스크를 생성한 후, 호출하는 예시 코드
그림 그림 9. 개선된 실시간 타이머가 적용된 RTiK을 x86 플랫폼에서 측정한 결과
그림 그림 10. 개선된 실시간 타이머가 적용된 RTiK을 ARM Open-Q 820 플랫폼에서 측정한 결과
표 표 1. 이식성 평가를 위한 대상 하드웨어 사양
표 표 2. 1ms 주기 측정 결과

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 H/W 타이머에 의존한 실시간 성능 제공 타이머를 최신 리눅스에서 제공하는 HRTimer(High Resolution Timer)를 사용하여 리눅스가 탑재된 모든 임베디드 단말에서 사용할 수 있도록 이식성을 확장한다. 또한 변경한 타이머 구조를 적용하여 RTiK-Linux의 태스크 관리 구조와 실시간 커널 내부 구조를 개선하고 실시간 태스크를 활용하는 방법에 대해 기술한다.
본 논문에서는 특정 플랫폼에 종속되어 있는 단점을 개선하여 다양한 리눅스 플랫폼에 적용 가능하도록 하기 위해 RTiK-Linux를 개선한다. 기존 H/W 타이머에 의존한 실시간 성능 제공 타이머를 최신 리눅스에서 제공하는 HRTimer(High Resolution Timer)를 사용하여 리눅스가 탑재된 모든 임베디드 단말에서 사용할 수 있도록 이식성을 확장한다.

제안 방법

(1) 타임 틱 인터럽트가 호출되면 테이블을 조회하기 위한 과정으로 진입하여, (2) 시스템의 글로벌 Tick Count를 증가시켜서 (3) 호출되는 태스크를 조회한다. (4) 이때, 해당 테이블 인덱스에 등록된 태스크가 없을 경우, 과정을 건너뛰게 된다.
[표 1]은 이식성 평가를 위한 하드웨어의 성능을 나타낸 표로, 두 개의 아키텍처에서 사용하는 프로세서와 타입을 나타낸다. PC 플랫폼에서 사용하는 x86_64 아키텍처는 인텔 프로세서를 탑재한 시스템에서 측정하 였으며, 임베디드 프로세서는 스냅드래곤 820을 사용하는 Open-Q 820 보드에서 측정을 진행하였다.
구현된 HRTimer가 적용된 RTiK-Linux의 성능을 검증하기 위해 주기에 발생하는 Tick 값을 측정하여 이전 값과의 비교를 통해 주기에 응답한 시간을 측정하였다. 각 10,000 회의 주기를 측정하여 1ms를 바탕으로 실행하였을 경우, 오차범위 5%이내에서 동작하여 1ms 단위로 실시간 태스크의 주기를 설정할 수 있도록 하는 것을 검증하였다.
본 논문에서는 특정 플랫폼에 종속되어 있는 단점을 개선하여 다양한 리눅스 플랫폼에 적용 가능하도록 하기 위해 RTiK-Linux를 개선한다. 기존 H/W 타이머에 의존한 실시간 성능 제공 타이머를 최신 리눅스에서 제공하는 HRTimer(High Resolution Timer)를 사용하여 리눅스가 탑재된 모든 임베디드 단말에서 사용할 수 있도록 이식성을 확장한다. 또한 변경한 타이머 구조를 적용하여 RTiK-Linux의 태스크 관리 구조와 실시간 커널 내부 구조를 개선하고 실시간 태스크를 활용하는 방법에 대해 기술한다.
또한 기존의 연구에서 수행한 실시간 성능 측정 결과와 비교를 위해 Xenomai를 이용한 Beagle Bone Black 보드와 SABRE Lite 보드에서 수행한 결과와 비교한다[17]. 해당 연구에서 측정한 사용자 영역의 1ms 주기의 실시간 성능은 1ms를 바탕으로 Beagle Bone Black 보드에서 0.
본 논문에서 개선된 RTiK-Linux의 여러 플랫폼으로서의 대응을 위한 이식성을 평가하기 위해, 개선된 실시간 타이머가 적용된 RTiK-Linux을 x86 플랫폼과 ARM 플랫폼에 적용한 후 실험을 진행하였다.
본 논문에서는 RTiK-Linux를 통한 실험은 사용자 레벨의 태스크와 커널 레벨 태스크에서 1ms 주기의 태스크를 작성하여 실험을 진행하였다. 정확한 시간 측정을 위한 clock count api를 사용하여 시간을 측정하였으며, 각 실험은 10,000 회 반복을 통해 다수의 데이터를 통해 측정하였다.
본 장에서는 기존 하드웨어 타이머에 종속되어 사용하던 RTiK-Linux의 이식성 향상을 위해 리눅스 커널에서 제공하는 고성능 타이머를 이용하여 개선된 실시간 타이머 모듈을 설계 및 구현하고, RTiK-Linux에 등록된 실시간 태스크가 유기적으로 동작할 수 있도록 하는 스케줄링 알고리즘을 설명한다.
실험으로 1ms 주기 태스크에 대한 성능 검증을 수행하였다. 성능 측정된 결과는 [그림 9]과 [그림 10]로 나타낼 수 있다.
본 논문에서는 RTiK-Linux를 통한 실험은 사용자 레벨의 태스크와 커널 레벨 태스크에서 1ms 주기의 태스크를 작성하여 실험을 진행하였다. 정확한 시간 측정을 위한 clock count api를 사용하여 시간을 측정하였으며, 각 실험은 10,000 회 반복을 통해 다수의 데이터를 통해 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 두 개의 시스템에서 동일한 커널 버전으로 대상으로 진행하였으며, 동일한 리눅스 코어인 우분투 운영체제를 사용하였으나, 세부 버전이 약간 다르게 적용되었다.

성능/효과

구현된 HRTimer가 적용된 RTiK-Linux의 성능을 검증하기 위해 주기에 발생하는 Tick 값을 측정하여 이전 값과의 비교를 통해 주기에 응답한 시간을 측정하였다. 각 10,000 회의 주기를 측정하여 1ms를 바탕으로 실행하였을 경우, 오차범위 5%이내에서 동작하여 1ms 단위로 실시간 태스크의 주기를 설정할 수 있도록 하는 것을 검증하였다. 또한 두 개 이상의 플랫폼에 적용하였을 때, 성능 만족 여부를 확인하기 위해 ARM 프로세서를 사용하는 임베디드 환경과 x86 시스템을 사용하는 환경에서 각각 측정하여 실시간 성능을 안정적으로 제공하는 것을 검증하였다.
1ms 오차 이내로 측정된 것을 확인할 수 있었으며, 모든 태스크의 수행 주기가 매우 안정적인 것을 볼 수 있었다. 또한 x86 플랫폼과 ARM 플랫폼에서도 모두 값이 안정적으로 측정되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 HRTimer를 적용하였을 때, 기존 하드웨어 타이머를 사용하는 것만큼의 안정된 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있었으며, 이식성 향상이 이루어졌다는 것을 검증할 수 있었다.
각 10,000 회의 주기를 측정하여 1ms를 바탕으로 실행하였을 경우, 오차범위 5%이내에서 동작하여 1ms 단위로 실시간 태스크의 주기를 설정할 수 있도록 하는 것을 검증하였다. 또한 두 개 이상의 플랫폼에 적용하였을 때, 성능 만족 여부를 확인하기 위해 ARM 프로세서를 사용하는 임베디드 환경과 x86 시스템을 사용하는 환경에서 각각 측정하여 실시간 성능을 안정적으로 제공하는 것을 검증하였다.
본 논문에서는 기존에 ARM 플랫폼과 x86 프로세서상에서 동작하는 리눅스 환경의 이식성이 한정된 RTiK-Linux에 다양한 플랫폼에서 동작할 수 있도록 기존의 실시간 타이머로 사용하던 H/W 타이머를 리눅스에서 고성능으로 제공하는 HRTimer를 사용하는 방식으로 개선하여 실시간 타이머를 구현하였고, 이를 통해 리눅스에서 실시간 성능을 제공받을 수 있도록 실시간 태스크를 사용할 수 있는 자료구조를 제공하며, 실시간 태스크가 주기에 맞추어 실행될 수 있는 구조를 보였다.
085 와 유사하게 측정된 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 다른 실시간 리눅스가 적용된 환경과 유사한 성능을 보이는 것을 검증할 수 있었으며, 이식성이 향상된 RTiK-Linux을 통해서도 리눅스 환경에서 실시간 성능을 제공할 수 있는 것을 확인하였다.
1ms로 기준 주기에서 10%의 성능 단위로 구분할 수 있도록 나타내었다. 측정된 주기 값이 대부분 0.1ms 오차 이내로 측정된 것을 확인할 수 있었으며, 모든 태스크의 수행 주기가 매우 안정적인 것을 볼 수 있었다. 또한 x86 플랫폼과 ARM 플랫폼에서도 모두 값이 안정적으로 측정되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 HRTimer를 적용하였을 때, 기존 하드웨어 타이머를 사용하는 것만큼의 안정된 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있었으며, 이식성 향상이 이루어졌다는 것을 검증할 수 있었다.
표의 데이터는 측정된 주기의 최솟값과 최댓값, 오차율을 나타낼 수 있도록 하며, 기존의 논문에서의 데이터와 비교하는 것으로 실시간 타이머의 변경이 성능에 영향을 미치지 않고 이식성을 향상되었다는 것을 측정하였다.
또한 기존의 연구에서 수행한 실시간 성능 측정 결과와 비교를 위해 Xenomai를 이용한 Beagle Bone Black 보드와 SABRE Lite 보드에서 수행한 결과와 비교한다[17]. 해당 연구에서 측정한 사용자 영역의 1ms 주기의 실시간 성능은 1ms를 바탕으로 Beagle Bone Black 보드에서 0.893 ~ 1.032 사이로 측정되고 있으며, SABRE Lite 보드에서 0.993 ~ 1.008 사이로 측정되고 있는 것으로 성능이 측정되었고 이는 본 논문에서 연구한 변경된 타이머를 적용한 RTiK-Linux에서 성능 측정한 x86 환경에서의 0.955 ~ 1.096과 ARM 환경에서의 0.967 ~ 1.085 와 유사하게 측정된 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 다른 실시간 리눅스가 적용된 환경과 유사한 성능을 보이는 것을 검증할 수 있었으며, 이식성이 향상된 RTiK-Linux을 통해서도 리눅스 환경에서 실시간 성능을 제공할 수 있는 것을 확인하였다.

후속연구

향후 연구과제로는 ARM 프로세서를 사용하고 리눅스 커널을 공유하는 휴대용 모바일 기기의 안드로이드 운영체제에 실시간 성능을 제공하는 연구가 필요하다. 이를 통해 범용 운영체제에서 리눅스 커널을 공유하는 환경에서 실시간 성능을 제공할 수 있는 여부를 확인하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTiK-Linux는 실시간 성능을 제공하기 위해 무엇을 만족시키는가?	범용 운영체제인 리눅스에 실시간 성능을 제공하기 위한 연구로 RTiK-Linux가 개발되었다. RTiK-Linux는 실시간 성능을 제공하기 위해 타임 틱 인터럽트를 발생시켜 실시간 태스크의 수행 성능을 만족시킨다[14-16].
	리눅스 커널과 RTiK-Linux가 충동하지 않고 공유하며 사용할 수 있도록 하기 위해 어떻게 구현하였나?	그러나 해당 하드웨어 인터럽트는 리눅스에서 시스템 자원을 위해 사용 중이므로 리눅스 커널과 RTiK-Linux가 충돌하지 않고 공유하며 사용할 수 있도록 해야 한다. 이를 위해 Local APIC Timer에서 발생되는 인터럽트를 처리하기 위한 수행 함수를 RTiK-Linux의 처리함수로 대체하고 휴지시간(Idle time)일 때 기존의 처리 함수를 수행하도록 하여 상호 충돌을 방지할 수 있게 구현되어 있다. 이러한 구조는 Local APIC Timer가 제공되는 인텔 프로세서만 사용 가능한 구조로 적용된다[14].
	RTiK는 무엇을 제공하기 위해 개발되었나?	리눅스에 실시간 성능을 제공하는 방법으로 기존 개발된 RTiK(Real-time implant Kernel)은 범용 운영체제인 윈도우와 리눅스 x86 시스템 및 모바일 ARM 프로세서 환경에서의 실시간 성능 제공을 위해 개발되었다[14-16]. 실시간 성능을 위해 CPU 내장 하드웨어 타이머를 사용하여 높은 수준의 실시간 성능을 제공하였으나, 해당 CPU 아키텍처에 종속적이게 되어 다양한 성능 및 환경을 사용하는 모바일 및 임베디드 환경에서 사용을 위해서는 모든 CPU 아키텍처에 대한 최적화가 이루어져야 하는 한계가 있으며 실시간 타이머 및 내부 구조의 개선이 필요하다.

참고문헌 (30)

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno47042, 2020.4.13.
https://estimastory.com/2011/08/20/andreessen/, 2020.4.13.
J. A. Stankovic, "Research directions for the internet of things," IEEE Internet of Things Journal, Vol.1, No.1, pp.3-9, 2014(2).

상세보기
SK telecom Smart Home, https://www.sktsmarthome.com, 2020.4.13.
Infineon Smart Home, https://www.infineon.com/cms/kr/discoveries/smart-home-basics/, 2020.4.13.
KT Smart Home, https://product.kt.com/wDic/index.do?CateCode6018, 2020.4.13.
LG Smart Home, https://social.lge.co.kr/tag/%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8%ED%99%88/, 2020.4.13.
Z. He, A. Mok, and C. Peng, "Timed RTOS Modeling for Embedded System Design," Real Time and Embedded Technology and Applcations Symposium(RTAS), 2005.
박병률, 맹지찬, 이종범, 유민수, 안현식, 정구민, "RTOS기반 임베디드 S/W를 위한 API 정변환/역변환기의 개발," 대한전기학회 학술대회 논문집, pp.187-189, 2007.
주민규, 이진욱, 김종진, 조한무, 박영수, 이철훈, "x86 기반의 윈도우즈 상에서 실시간성 지원 방법," 한국차세대컴퓨팅학회 논문지, 제7권, 제4호, pp.47-58, 2011.
조아라, 송창인, 이철훈, "윈도우즈 상에서 실시간 디바이스 드라이버를 위한 통합 미들웨어," 한국콘텐츠학회논문지, 제13권, 제3호, pp.22-31, 2013.

원문보기 상세보기
박지윤, 조아라, 김효중, 최정현, 허용관, 조한무, 이철훈, "태블릿 PC 환경의 실시간 처리 기능 지원," 한국콘텐츠학회논문지, 제13권, 제11호, pp.541-550, 2013.

원문보기 상세보기
김주만, 송창인, 이철훈, "리눅스용 실시간 이식 커널의 설계," 한국콘텐츠학회논문지, 제11권, 제9호, pp.45-53, 2011.
이상길, 이승율, 이철훈, "리눅스 사용자 영역에 실시간성 제공을 위한 미들웨어", 한국콘텐츠학회논문지, 제16권, 제5호, pp.217-228, 2016.

원문보기 상세보기
이승율, 이상길, 이철훈, "ARM 프로세서 기반의 리눅스를 위한 실시간 확장 커널," 한국콘텐츠학회논문지, 제17권, 제10호, pp.587-597, 2017.
신욱철, 최병욱, "공개 임베디드 하드웨어의 실시간메커니즘 성능 분석," 제어로봇시스템학회 논문지, 제23권, 제1호, pp.60-66, 2017.
J. H. Koh and B. W. Choi, "Performance Evaluation of Real-time Mechanisms for Real-time Embedded Linux," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.18, No.4, pp.337-342, 2012.

원문보기 상세보기
https://xenomai.org/, 2020.7.10.
http://www.cs.kun.nl/J.Hooman/DES/XenomaiExercise/Background.html, 2020.7.10.
https://www.rtai.org/, 2020.7.10.
https://gitlab.denx.de/Xenomai/ipipe-arm, 2020.7.10.
https://gitlab.denx.de/Xenomai/ipipe-arm64, 2020.7.10.
https://gitlab.denx.de/Xenomai/ipipe-ppc32, 2020.7.10.
https://gitlab.denx.de/Xenomai/ipipe-x86, 2020.7.10.
L. Muratore, A. Laurenzi, E. Mingo Hoffman, and N. Tsagarakis, The XBot Real-Time Software Framework for Robotics: From the Developer to the User Perspective, IEEE Robotics & Automation Magazine, 2020. doi: 10.1109/MRA.2020.2979954.

상세보기
손태영, 임성락, "WSN을 위한 Xenomai의 실험적 성능평가," 한국산학기술학회 논문지, 제18권, 제1호, pp.709-714, 2017.
길진수, 곽대식, 신제호, 최기수, 김근연, "특수목적용 기계를 위한 실시간 제어기 S/W 설계 및 구현에 관한 연구," 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집, pp.862-863, 2017.
C. M. Krishna and Kang G. Shin, Real-Time Systems, McGraw-Hill, 1997.
고영환, 박세영, 이철훈, "실시간 운영체제 uC/OSII를 위한 델타 프로세싱 설계 및 구현," 한국콘텐츠학회 종합학술대회 논문집, pp.25-26, 2012.
이상길, 이철훈, "실시간 태스크 관리를 위한 주기 기반의 테이블 자료구조 연구," 한국통신학회 학술대회논문집, pp.1600-1601, 2017.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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