[논문]우선순위 역전을 해결하기 위한 iRTOS에서의 확장 MuTexS 설계 및 구현

강희성; 손필창; 정충회; 이철훈

[국내논문] 우선순위 역전을 해결하기 위한 iRTOS에서의 확장 MuTexS 설계 및 구현
Design and Implementation of Advanced MuTexS For Prevent Priority Inversion in iRTOS 원문보기

강희성 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 손필창 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 정충회 (한국원자력안전기술원) , 이철훈 (충남대학교 컴퓨터공학과)

실시간 시스템에서는 두 개 이상의 태스크가 공유자원을 사용한다. 이러한 자원에 의해서 높은 우선순위 태스크가 낮은 우선순위 태스크에 의해서 CPU를 점유 당하는 우선순위 역전현상(Priority Inversion)이 발생한다. 우선순위 역전 문제는 실시간 시스템의 스케줄 가능성과 예측성에 심각한 결함을 야기할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 비교적 크기가 작으면서도 실시간 운영체제의 핵심적 특징을 잘 갖추고 있는 $iRTOS^{TM}$ 커널을 사용하였고 우선순위 역전을 해결하기 위해서 Priority Inheritance Protocol을 사용하여 확장된 MuTexS를 구현하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 실시간 운영체제에서 태스크들간에 공유자원을 사용하는데 발생하는 우선순위 역전현상을 해결하기 위해 세마포에 우선순위 상속 프로토콜을 적 용함으로써, 커널에 의해 우선순위 역전을 능동적으로 해결할 수 있도록 하였다. 본 연구에 이어 계속 연구 되어져야 할 부분은 중첩(nested)된 MuTexS 에 의해 발생하는 데드락(deadlock)을 해결하는 방법과 운영체 제의 정확성 및 신뢰성의 향상을 위해 스케줄링과 관 련하여 구현된 모듈이 얼마나 태스크 완료의 예측성을 제공하는지 갖가지 환경에서의 분석이 필요할 것이다.

제안 방법

우선순위 역전의 해결방안으로는 우선순위 역전의 원인이 되는 태스크의 우선순위를 현재 실행 준비 상 태에 있는 최상위 태스크의 수준으로 우선순위를 일시 적으로 올려주어 실행하게 하는 우선순위 상속 프로토 콜(Priority Inheritance Protocol)과 우선순위 역전 발생 가능 영역을 수행하는 태스크들의 우선순위 한계 를 지정하여 해당 영역이 수행될 때 임의의 우선순위 로 실행되게 하는 우선순위 상한 프로토콜(Priority Cei I ing Protocol)이 있다. 본 논문에서는 우선순위 역전을 능동적으로 해결하기 위해 세마포(Semaphore) 에 우선순위 상속 프로토콜을 적용하였다.
본 논문의 구성은 2 장에서 우선순위 역전문제(PIP: Priority Inversion Problem)의 개념을 기술하고, 3 장에서는 우선순위 상속 프로토콜 방식을 이용한 MuTexS(Mutual Exclusion Semaphore)의 설계 및 구현 을 다룬다. 4 장에서는 테스트 환경 및 결과를, 마지 막으로 5 장에서는 결론 및 향후 과제에 대해 기술한 다.
본 연구는 ARM-920T CPU 가 탑재된 S3C₂₄00 보드에서 ADS ARM 용 통합개발환경으로 진행되었다. 커널은 본 연구팀에서 자체 개발한 jRTOSTm을 사용하여 세마포만 을 새롭게 구현하였다.
00 보드에서 ADS ARM 용 통합개발환경으로 진행되었다. 커널은 본 연구팀에서 자체 개발한 jRTOSTm을 사용하여 세마포만 을 새롭게 구현하였다.
테스트는 세 개의 태스크를 생성시키고(Task A/Task B/Task C), 두 개의 태스크(Task A/Task C)가 공유자 원을 배타적으로 사용하기 위해 기존의 세마포를 사용 하는 방법과 새롭게 구현한 MuTexS 를 사용하는 방법 을 비교하였다. 이는 전체 태스크의 프로세서 이용률 을 [그림 4-1]와 같은 방식으로 측정하였으며 결과는 [그림 4-2]과 같다.

성능/효과

[그림 4-2]기 프로세서 이용률 결과

결과에서 보는 것과 같이 일반적인 세마포를 사용하 면 MuTexS 를 사용했을 경우보다 우선순위 역전현상으 로 발생한 지연시간으로 프로세서 이용률이 낮은 것으 로 나타났다. 이는 Task A 의 우선순위가 가장 높음에 도 불구하고 Task B 의 수행시간에 의존하는 경우가 발생하므로 Task A 의 수행완료 바운드 타임 예측이 힘들다는 문제도 발생하게 된다’ 이는 MuTexS 를 사용 함으로써 PIP 를 완전히 해결할 수는 없지만, 세마포 만을 사용한 경우보다 우선순위 역전시간이 훨씬 줄어 들기 때문에 실시간 운영체제를 사용함으로써 얻는 태 스크 수행 완료시간의 바운드 타임을 보장해줄 수 있 는 측면에서 매우 중요한 기능을 제공하는 요소이다.

후속연구

본 논문에서는 실시간 운영체제에서 태스크들간에 공유자원을 사용하는데 발생하는 우선순위 역전현상을 해결하기 위해 세마포에 우선순위 상속 프로토콜을 적 용함으로써, 커널에 의해 우선순위 역전을 능동적으로 해결할 수 있도록 하였다. 본 연구에 이어 계속 연구 되어져야 할 부분은 중첩(nested)된 MuTexS 에 의해 발생하는 데드락(deadlock)을 해결하는 방법과 운영체 제의 정확성 및 신뢰성의 향상을 위해 스케줄링과 관 련하여 구현된 모듈이 얼마나 태스크 완료의 예측성을 제공하는지 갖가지 환경에서의 분석이 필요할 것이다. 아울러 다른 실시간 운영체제와의 비교 기준을 정의하 고, 이 기준에 따른 성능 평가가 수반되어야 할 것이 다.

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