[논문]윈도우10에 실시간 성능을 제공하기 위한 타이머 구현 및 성능 측정

이정국; 이상길; 이철훈

doi:10.5392/jkca.2020.20.10.014

윈도우10에 실시간 성능을 제공하기 위한 타이머 구현 및 성능 측정
Timer Implementation and Performance Measurement for Providing Real-time Performance to Windows 10 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.20 no.10, 2020년, pp.14 - 24

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

초록
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실시간 성능이란 정확한 주기에 정확한 결과값을 반환하거나, 일정 주기마다 정해진 일을 수행하는 것이다. 윈도우는 실시간 성능을 지원하지 못하므로 RTX나 INtime과 같은 고가의 서드파티를 사용하여 실시간 성능을 지원한다. 본 논문은 윈도우에 디바이스 드라이버 형태로 동작하는 실시간 커널인 RTiK을 통해 윈도우에 실시간 성능을 지원하고자 한다. 윈도우 7에서 RTiK은 x86 하드웨어에서 지원하는 Local APIC를 이용한 타이머를 사용하였다. 하지만 윈도우 10에서 KPP(Kernel Patch Protection)으로 인해 Local APIC 타이머를 사용하는 것이 불가능해졌다. 이에 Local APIC IPI를 사용하여 정해진 주기를 알리는 타이머를 구현하였고 성능 측정을 수행하여 주기가 오차범위 내에서 정상 동작함을 확인하였다. 이를 통해 윈도우 10에서 실시간 성능 제공을 가능하게 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Real-time performance is to return the exact result value to the correct cycle, or to perform the specified work at a certain cycle. Windows does not support real-time performance, so it supports real-time performance using expensive third parties such as RTX and INtime. This paper aims to support real-time performance of Windows through RTiK, a real-time kernel that operates in the form of a device driver in Windows. In Windows 7, RTiK used a timer using local APIC supported by x86 hardware. However, due to the Kernel Patch Protection (KPP) on Windows 10, it became impossible to use a local APIC timer. Therefore, a timer is implemented to inform the determined cycle using Local APIC IPI, and performance measurement is performed to confirm that the cycle operates normally within the error range. This enables real-time performance on Windows 10.

주제어

표/그림 (24)

그림 그림 1. RTX의 구조[5]
그림 그림 2. INTime의 하드웨어 분할[6]
그림 그림 3. RTiK의 구조도
그림 그림 4. Local APIC 타이머 관련 레지스터
그림 그림 5. ICR의 구조[19]
그림 그림 6. IPI 타이머 동작 과정
그림 그림 7. 타이머 시작 명령을 받으면 처리하는 코드
그림 그림 8. 타이머 관련 처리 코드
표 표 1. 구현을 위한 소프트웨어 환경
그림 그림 9. IPI 생성 코드
그림 그림 10. IPI 처리 및 타이머 동작 코드
표 표 2. 실험 환경의 PC 사양
그림 그림 11. 전체적인 동작 구조
그림 그림 12. 사용자 입력에 따른 타이머 시작/중단 코드
그림 그림 13. 타이머 시작 명령 전송 코드
그림 그림 14. 타이머 중단 명령 전송 코드
표 표 3. 구현 환경의 PC 사양
그림 그림 15. 주기, 카운트 등 사용자 입력 코드
그림 그림 16. 주기 및 생성한 이벤트 전달 코드
그림 그림 17. 주기마다 수행하는 코드
그림 그림 18. 주기 측정(1ms)
그림 그림 19. 주기 측정(5ms)
그림 그림 20. 주기 측정(10ms)
표 표 2. 주기 측정의 상세 결과

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이에 본 논문에서는 윈도우 10에 실시간 성능을 제공 하기 위한 방법으로 Local APIC IPI를 이용하여 타이머를 구현하였다. 해당 타이머는 IPI가 발생하여 인터럽트 서비스 루틴이 완료되고 인터럽트 서비스 루틴에서 등록한 DPC가 수행되고, DPC내에서 다시 IPI를 발생시키며 해당 시점의 시간을 매번 검사하여 바로 직전의 함수를 호출한 이후로 1ms가 지났는지 확인하고 1ms가 지났으면 함수를 호출하는 방식으로 동작한다.

가설 설정

e, E를 입력하면 타이머 시작 명령을 전송하는 rtik_coreStartTimer()함수가 호출된다. d, D를 입력하면 타이머 중단 명령을 전송하는 rtik_coreStopTimer()함수가 호출된다.

제안 방법

타이머는 시작 명령을 받으면 해당함수를 호출하여 IPI를 발생한다. DPC로 인터럽트 처리가 넘어가게 되면 현재 시점을 저장하고 다시 IPI를 발생시키고 직전 Default Handler의 호출시점과 현재 시점을 비교해 1ms이상이면 Default Handler를 호출하는 방식으로 타이머를 구현하였다. 구현을 위한 소프트웨어 환경은 다음 [표 1]과 같다.
Default Handler를 호출했던 시점과 현재 시점의 차이가 10000(1ms)보다 크면 현재 시점을 Default Handler를 호출한 시점으로 저장하고 Default Handler인 rtik_systimer_defaultHandler()를 호출하여 원하는 주기 작업을 수행할 수 있도록 한다.
[그림 10]과 같이 IPI가 발생하고 DPC로 인터럽트 처리가 넘어가게 되면 RTiKDpc()함수에서 100ns의 intervals를 갖는 KeQuerySystemTimePrecise()함수를 사용하여 현재 시점을 변수에 저장한다. 그리고 저장되어 있는 직전의 Default Handler를 호출했던 시점과 현재 시점의 차이를 계산한다. 그리고 다시 ICR을 설정하여 IPI를 발생시킨다.
카운트 값이 [그림 15]에서 입력받은 카운트값보다 크거나 같은 경우 QueryPerformanceFrequency()함수를 호출하여 현재 Performance counter의 주파수를 획득한다[23]. 그리고 획득한 주파수를 이용하여 이벤트 시그널을 수신한 시간의 차이를 주파수값으로 나눠 1초 단위로 계산한 주기를 파일에 저장하고 쓰레드를 종료한다.
본 논문에서는 윈도우 10에 실시간 성능을 제공하기 위해 IPI(InterProcessor Interrupts)를 사용하여 새로운 타이머를 구현하고 성능을 측정하였다. 2장에서는 관련 연구인 서드파티에 대해 설명한다.
본 논문에서는 주기를 1ms, 5ms, 10ms로 설정해 10,000회 반복을 수행하여 설정한 주기에 어느 정도의 오차가 있는지 측정하였다. 오차는 실제 측정된 주기의 최대값과 최소값을 바탕으로 계산하였다.
이렇게 구현된 타이머를 이용하여 주기 작업이 정확하게 이루어지는지 실험해보았다.
윈도우10에 디바이스 드라이버를 설치하고 타이머 제어 프로그램을 실행하여 타이머를 제어하였다. 이후 타이머 확인 프로그램을 실행시켜 동작 주기를 입력하고 해당 주기를 측정한 값을 파일에 저장하고 프로그램 종료 후 이를 확인하였다.
이러한 방식으로 1ms 주기의 타이머를 설계하였다. 타이머는 1ms의 주기마다 Default Handler를 호출하도록 하여 원하는 주기 작업을 수행할 수 있도록 하였다.
실험을 위해 윈도우 10이 설치된 PC를 이용하여 테스트를 진행하고자 한다. 테스트를 위해 실험용 PC에 RTiK 디바이스 드라이버를 설치하고 타이머를 제어하는 프로그램과 타이머의 주기성을 확인하는 테스트 프로그램을 만들어 실행시켜 주기값을 측정한다.

대상 데이터

실험을 위해 윈도우 10이 설치된 PC를 이용하여 테스트를 진행하고자 한다. 테스트를 위해 실험용 PC에 RTiK 디바이스 드라이버를 설치하고 타이머를 제어하는 프로그램과 타이머의 주기성을 확인하는 테스트 프로그램을 만들어 실행시켜 주기값을 측정한다.

이론/모형

그리고 INTime은 RTOS 애플리케이션이 서로 독립적으로 실행될 수 있도록 AMP(Asymmetric Multi-Processing;비대칭 멀티프로세싱) 접근법을 사용한다. INTime 역시 [그림 2]에서 볼 수 있듯이 RTX처럼 하나 이상의 코어를 INTime용으로 전용하여 실시간 성능을 제공하는 프로세스만 동작할 수 있도록 한다[6].

성능/효과

1ms, 5ms, 10ms의 결과를 살펴보면 주기가 클수록 오차범위는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 오차범위가 가장 큰 1ms주기에서 3.
9%이다. 마지막으로 10ms 주기의 경우 9.9960ms~10.0211ms 사이에 측정값이 존재한다는 것을 확인할 수 있었고 오차범위는 0.2%이다.
윈도우 7은 윈도우 XP처럼 APIC의 Timer 인터럽트를 사용해 타이머를 구현하여 실시간 성능을 제공한다. 멀티프로세서 기반의 윈도우 7이 설치되어 있는 유도무기 휴대용 점검장비가 실시간 성능을 제공할 수 있도록 RTiK이 설계 및 구현되었고, 성능을 검증하기 위해 유도무기 휴대용 점검장비와 오실로스코프를 사용한 실험 환경에서 주기를 측정하였더니 1ms 주기를 만족하는 결과가 나왔다[12].
실험의 결과는 1ms 주기에서 0.9822ms~1.0329ms 사이에 측정값이 존재한다는 것을 확인할 수 있었고 5ms 주기에서는 4.9687ms~5.0963ms 사이에 측정값이 존재한다는 것을 확인할 수 있으며 10ms 주기의 경우 9.9960ms~10.0211ms 사이에 측정값이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 이를 보았을 때 모든 주기 값을 크게 벗어나지 않고 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
1ms, 5ms, 10ms의 결과를 살펴보면 주기가 클수록 오차범위는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 오차범위가 가장 큰 1ms주기에서 3.3% 오차 이내로 측정된 것을 보아 모든 주기 값을 크게 벗어나지 않고 비교적 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
0211ms 사이에 측정값이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 이를 보았을 때 모든 주기 값을 크게 벗어나지 않고 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.
해당 논문에서 제안한 윈도우10에서 IPI를 이용한 타이머가 기존 연구인 윈도우7에서의 Local APIC Timer 성능과 유사하게 나타나는 것을 보면 제안한 방식이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이러한 하드웨어를 설계 및 제작하여 RTOS를 포팅하는 것은 개발 비용과 개발 기간이 증가한다는 문제가 있다. 따라서 표준화된 x86 기반의 하드웨어에 윈도우를 설치하는 것이 개발 비용의 절감과 개발 기간을 단축하는데 도움이 될 수 있을 것이다.
향후 연구로는 IPI의 호출구조로 인한 오차를 줄여 더욱더 안정적인 타이머 성능을 제공할 수 있도록 개선할 필요가 있다. 그리고 사용자들이 타이머를 편리하게 사용하기 위한 POSIX API와 같은 범용적인 API가 필요하다.

참고문헌 (23)

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https://zadd.tistory.com/56, 2020.07.10.

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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