[FreeRTOS] RTOS와 FreeRTOS가 뭔데요?

임베디드 세계에 발을 들인지 어연 3개월, 지금의 단계까지 오면서 취업공고나 랩실 설명에서 RTOS라는 키워드를 굉장히 자주 마주쳤다. 그리고 나는 이게 어떠한 종류의 OS라고 생각해왔다. 그리고 드디어 이 RTOS라는게 도대체 어떤 녀석인지 공부할 단계가 되었다. 후하! 그럼 들어가보자.

 

글을 열심히 적다보니깐, 내용이 막 길어지는 것도 있고 하나의 글에 담기에는 어울리지 않는 내용들이 점차 불어나는 것 같아서, 글을 분리하였다. 이번 글에서는 RTOS와 FreeRTOS가 무엇인지에 대해서 간략하게 살펴보고, FreeRTOS의 구조나 사용 방법, 타고 들어가서 확인할 수 있는 레지스터나 어셈블리 코드의 동작들, 그리고 프로세스 아키텍처까지 정리하면서 다뤄보려고 한다.

 

RTOS의 두둥등장

우선 RTOS는 Real-Time Operating System 을 의미한다. 이 RTOS가 그래서 어떤 것들을 말하는 건지, 어떤 특징을 가지고 있는 시스템을 말하는건지 한 번 살펴보자.

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임베디드 시스템이란?

특정한 목적을 수행하기 위해서 필요한 SW와 HW를 내장하여 모두 가지고 있는 시스템. 임베디드 시스템에서 개발을 한다면 제한된 자원을 최대한 활용하여 주어진 목적을 수행해야함.

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그렇다면 임베디드 개발의 미션은 무엇이냐?

• 코드 크기가 줄어야한다 (RAM 용량이 모자랄 수 있어서)
• 실행 속도가 보장되어야한다
• 전력 소비를 아껴야한다

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리얼타임은 실시간 처리를 말하는건가?

RTOS에서 말하는 리얼타임이라는 것은 입력 조건이 들어왔을 때, 정해진 시간 내에 처리할 수 있음을 말한다. 즉, 이벤트에 대한 응답 속도가 매우 중요한 (응답 속도 빼면 시체라고 할 수 있는) 시스템이 리얼타임 시스템이고, 이를 위한 운영체제가 RTOS이다.

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리얼타임에는 크게 2가지 종류가 있다. 리얼타임이면 좋은가 vs 리얼타임이어야만 하는가.

• Hard Real-time
  • 반드시 정해진 시간 내에 처리되어야하는 시스템. 시간이 오버되면 치명적인 오류가 발생.
  • 의료기기, 군사장비 등
• Soft Real-time
  • 주어진 시간 내에 처리가 되지 않더라도 시스템 전반에 큰 영향이 없는 시스템
  • 네트워크 장비 등

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왜 RTOS가 제시되었을까?

기존의 펌웨어 방식에서 여러가지 목적의 작업을 동시에 돌리기 위해서 나는 아래와 같은 방식을 선택했었다.

int main(void)
{
	... 코드 설정 ...
	
	while(1) {
		// 센서 값을 읽고 -> 10ms
		read_sensor();
		
		// LCD에 센서값을 기록하고 -> 50ms
		update_lcd();
		
		// UART 로 PC로 정보 전달하기 -> 40ms
		process_communication();
	}
}

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위 방식을 사용한다면 센서값을 읽는 시간이 10ms 밖에 안걸림에도 다른 모든 작업들의 처리를 기다리면서 80ms마다 센서 값을 측정하게된다. 또, 급한 Task에 대한 Event가 발생한 상황(에어백을 터뜨려야하는 상황 등)에서도 앞선 LCD 에 대한 처리를 수행하느라 처리 완료 시간이 늦어지게 된다. 만약 정말로 에어백을 터뜨려야 하는 상황이였다면 당장 1ms 안에 에어백을 터뜨려야하는데 LCD 때문에 무려 50ms나 더 기다려서(50배!!) 에어백이 터지는 상황이 만들어질 수도 있다. 아주 문제가 많다.

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그래서, 위 상황에서 발생하는 여러 문제들을 해결하기 위해서 RTOS 라는 개념이 등장했다.

• 작업들이 하나의 While 문 안에 하나로 묶여있음 → 각각을 별개의 Task로 분리하기
• 급한 작업이더라도 차례가 올 때 까지 기다려야함 → “우선순위”의 개념을 도입
• 각 작업을 모두 완료해야 차례대로 넘어감 → 스케줄러가 자동으로 Task를 전환

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이를 통해 실시간 처리를 만족시키기 어려웠던 기존의 펌웨어 방식에서 나아가서 실시간 제약 조건을 보장하는, 즉 정해진 시간 내에 반드시 응답을 하는 시스템에 대한 요구사항을 충족하고자 한다.

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인터럽트를 적극적으로 활용해서 이벤트가 들어왔을 때 우선적으로 처리해내도록 개발을 해보면 안되나?

인터럽트는 그런 용도가 아니다.

• 인터럽트 내에서 처리 시간이 길어지면 전반적인 성능 저하가 발생할 수 있다.
• 지금 당장 처리하지 않으면 소실되는 것만 수행하고, 나머지는 인터럽트 바깥에서 처리하는게 맞다.

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그러면 윈도우같은 좋은 OS를 쓰면 안되나?

윈도우나 macOS 같은 녀석들은 범용 OS (General Purpose OS) 라고 부른다. 요런 범용 OS와 임베디드를 위한 RTOS의 목적은 약간 다르다.

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General Purpose OS의 목표는 Maximum Throughput!

• 여기에서는 비선점형 커널을 주로 사용한다.
• 자꾸 새로운 Task가 들어와서 Context-Switch 발생하면 오버헤드가 생겨서 산출량이 줄어드니깐.
• 용량이 크다. 수백MB~GB 단위. 그래서 임베디드에 올리기에는 메모리 용량이 상당히 부담스럽다.
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Real-Time OS의 목표는 Minimum Response Time!

• 여기에서는 선점형 커널을 주로 사용함. 그래야 높은 우선순위에 대해서 빠르게 응답할 수 있음.
• Deterministic한 특성을 가진다 (정해진 입력 값 → 정해진 시간 내에 정해진 출력이 나옴)
• 얘는 KB 단위라서 그나마 임베디드에서 덤벼볼만하다.

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막간을 활용한 OS가 무엇이냐?

RTOS도 OS의 일종. 범용적인 OS와 임베디드 OS를 논할거라면 OS가 무엇인지도 함께 논하는게 인지상정.

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OS는 제한된 시스템 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 관리해주는 프로그램을 말한다. 윈도우나 맥 같은 범용 OS는 CPU나 코어의 메모리를 효율적으로 사용해 최대의 Throughput을 낼 수 있게 하고, 임베디드 OS는 코어를 할당받는 Task를 제어해서 응답 시간을 보장할 수 있게 한다. 또, 컴퓨터의 전반적인 동작을 제어하며, 컴퓨터 시스템과 사용자 (App Program) 간의 인터페이스를 담당해 편의를 제공한다.

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사용자와 컴퓨터 시스템 간의 인터페이스 역할을 한다는 것은 요런 의미이다. printf() 함수를 통해서 “Hello World!” 라는 메시지를 출력한다고 해보자.

1. 사용자 프로그램에서 printf() 함수를 호출한다.
2. printf 함수의 내부에서 write() 함수를 호출한다.
3. write() 은 OS 커널에 진입하는 시스템 콜이며, 커널에게 메시지를 표준 출력해달라고 요청한다.
4. 시스템 콜에 의해 CPU는 커널 모드로 진입하며, 표준 출력 장치 드라이버로 메시지를 전달한다.
5. 디바이스 드라이버는 전달받은 메시지를 자신이 담당하는 디바이스(터미널 에뮬레이터)로 보낸다.
6. 커널은 다시 사용자모드로 복귀하고, write 시스템콜은 출력한 byte 수를 반환하며, printf 는 이 값을 전달받으며 다시 사용자 프로그램으로 실행 흐름이 돌아온다.

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ARM 3형제 중에서 RTOS와 가장 적합한 프로세서 라인업은 누구일까

임베디드에서 널리 사용되는 ARM 프로세서에는 크게 3가지 라인업이 있다. 그 이름도 A, R, M. 이중에서 리얼타임 시스템에 가장 적합한 프로세서는 누구일까?

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Cortex-A

• 이름은 Application 을 의미
• 가상메모리를 지원하는 MMU와 캐시, 높은 성능을 가지고 있음.
• 고성능 덕에 Linux나 Android를 위해 사용된다. (아이폰과 갤럭시)
• 리눅스 같은 범용OS는 응답시간이 아닌 산출량을 목표로 하기 때문에, 물론 성능이 좋긴 하지만 리얼타임 시스템을 위해서 쓰기에는 부적합하다.

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Cortex-R

• 이름은 Real Time을 의미
• MPU나 MMU를 이용한 메모리 보호, 안정성을 위한 여러가지 장치들을 가지고 있다.
• Cortex-A 시리즈에서 MMU를 제거한게 Cortex-R 일 정도로 매우 고성능의 장치이다.
• Hard Real-time용 시스템이다. 이를 위한 HW 적인 장치들도 여럿 가지고있다.

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Cortex-M

• 이름은 MCU를 의미
• 저전력, NVIC 덕분의 빠른 인터럽트 응답, 단순하고 결정론적인 아키텍처를 가지고 있다.
• 적당히 예측 가능하고 적당한 성능과 저전력 저비용의 시스템으로, 대부분의 RTOS 시스템에 적합하다. (왜냐? 마이컴 시장을 흡수하기 위해 CISC를 많이 참고해서 만든 프로세서이기 때문에. )
• Cortex-M 역시 RTOS를 위해 설계된 프로세서임 😮😮😮

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그럴테면 이름을 Cortex-R 이라고 짓지 말았어야지… 확실하게 안전한 RTOS를 위해서는 Cortex-R을 쓰지만, 이게 너무 비싸고 필요 이상으로 고성능이기 때문에 보통은 Cortex-M을 쓴다고한다. 차량을 예로 든다면 에어백 ECU, 브레이크 ECU 같이 안전과 직결되는 곳은 Cortex-R을 이용한 시스템을 사용해야하고, 에어컨이나 엔진 같이 고장에 의한 즉각적인 영향이 오지 않는 곳은 Cortex-M으로도 충분할 것 같다. 왜냐? Cortex-R은 비싸니깐.

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혹시 Cortex-M의 성능이 좋아지면 리눅스 같은 일반적인 OS를 올릴 수 있나? 라고 잠깐 상상해봤다. 그런데 찾아보니 Cortex-M과 Cortex-A 의 차이는 가상메모리를 위한 HW인 MMU의 탑재 유무라고한다. 그래서 가상메모리 같은 기법들이 적용되기 어렵기 때문에 일반적인 OS는 Cortex-M에 탑재하기 어렵다고 한다. (불가능하지 않을까?)

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이외에도 ARM에서 시스템의 신뢰성을 제공하기 위해서 여러가지 장치들을 달아주었다.

• Fault Exception
  • Hard Fault, Usage Fault, Bus Fault, MMF → Exception이 발생하면 처리할 수 있도록 개선
• NMI (Non-Maskable Interrupt)
  • NVIC 설정으로 무시할 수 없는 가장 높은 인터럽트
  • 예를 들어서 크리스털이 깨져버리면 → 인터럽트로 우선 내부 RC 발진을 사용하도록 변환
• MPU (Memory Protection Unit)
  • 메모리 접근에 대한 오류
  • 필수는 아님. 펌웨어에서는 딱히 필요는 없고, RTOS로 올라가면 의미가 있음.
  • 그런데 완전히 세부적으로 나누지는 못하고, 대략 8개의 공간으로 나눠서 관리함.

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FreeRTOS는 RTOS의 카테고리인가?

RTOS와 함께 나오는 키워드가 바로 FreeRTOS이다. 현재 실습으로 사용해보고 있는 RTOS 역시 FreeRTOS. 그렇다면 이 FreeRTOS가 뭐길래 자꾸 언급되는 것일까? 궁금해서 찾아봤다. 앞으로 쓰게될 기술의 이름인데, 모르면 말이 안되지.

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우선, FreeRTOS는 가장 널리 사용되고 있는 AWS에서 관리하는 무료 RTOS이다. 즉, FreeRTOS라는 이름은 제품명이라고 보면 된다! FreeRTOS는 초경량으로 구현되어있기에, Cortex-M 에 최적화되어 사용할 수 있다.

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FreeRTOS와 다른 RTOS 제품들

FreeRTOS

• 오픈소스이며 무료
• 초경량, 단순한 구조의 모델
• Soft Real-Time과 중간 정도의 Hard Real-Time 시스템에 적용할 수 있다.
• “학습용으로는 최고”

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상용 RTOS : ThreadX, VxWorks, QNX, AUTOSAR

• 유료 (← 벌써 타격이 온다)
• 더 엄격한 인증을 받아, Real-Time 성능 우수
• 상용 제품에서 사용하는 모델
• 특히 AUTOSAR는 차량 산업 표준이며 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있다.

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FreeRTOS는 특히 다음의 상황에서 적용하기에 적합하다.

• 서로 대기나 블로킹이 없는 테스크의 멀티테스킹
• 시간 제약이 있는 작업이 섞여있을 때 스케줄 관리
• 우선순위와 정확한 주기를 지켜서 테스크를 처리해야하는 경우
• 네트워크 스택을 다루어야하는 경우
• 모듈화가 필요한 크기가 큰 프로젝트