Drone's DIYer

ChibiOS/RT는 Giovanni Di Sirio에 의해서 개발하였으며, 임베디드(embedded) 애플리케이션을 위한 무료이자 효율적이고, 컴팩트하며 빠른 RTOS(Real Time Operating System)입니다. Kernel primitive의 이해가 쉬운 세트를 제공하며 다양한 아키텍처(ARM7, Cortex-M0, Cortex-M3, Cortex-M4, PowerPC e200z, STM8, AVR, MSP430, ColdFire, H8S, x86)를 지원합니다. ChibiOS/RT는 RTOS로 GPL3 라이센스 하에서 배포됩니다.

ChibiOS/RT는 8, 16, 32-bit 마이크로컨트롤러의 임베디드 애플리케이션을 위해서 설계되었습니다; 사이즈와 실행 효율이 주요 프로젝트의 목표입니다. 참고로 커널 사이즈는 STM32 Cortex-M3 프로세스에서 활성화된 모든 서브시스템에서 최소 1.2KB에서 최대 5.5KB입니다. 커널은 초당 220,000 이상의 스레딩을 생성시키거나 종료할 수 있고, 72MHz의 STM32에서 1.2ms 내에 컨텍스트 스위칭(context switch)을 실행할 수 있습니다.

특징

• Tiny memory footprint, 고성능, 쉬운 이식성(portable), 깔끔하고 이해가 쉽습니다.

• 선점형 마이크로커널이자 멀티스레딩(multithreading), 128 우선 순위 레벨, 신뢰성 있고 정적 아키텍처.

• Semaphores, Mutexes, CondVars, Messages, Event Flags, Mailboxes, Virtual Timers를 위한 커널 지원.

• Counting semaphores

• Mutexes with support for the priority inheritance algorithm

• Condition variables

• Synchronous and asynchronous Messages

• Event flags and handlers

• IRQ abstraction, non-OS fast IRQ sources(zero latency buzzword) 지원.

• ARM, ARM-CM0, ARM-CM3, ARM-CM4, PowerPC, STM8, MSP430, AVR, ColdFire, H8S, Linux/Win32/MacOS 시뮬레이터를 지원.

• HAL(Hardware Abstraction Layer) 컴포넌트는 지원되는 플랫폼 간에 애플리케이션의 이식이 가능.

• Port(GPIO), Serial, ADC, CAN, DAC, EXT, GPT(general-purpose timer), I2C, I2S, ICU, MAC, MMC/SD, PAL, PWM, RTC, SDC, SPI, UART, USB, WDG 디바이스 드라이버 모델을 위한 HAL 지원.

• uIP과 lwIP TCP/IP stacks(demo 포함)를 위한 지원.

• FatFS 파일 시스템 라이브러리(demo 포함)를 지원.

• 동일한 우선 순위 레벨에서 스레드를 위해서 Round-robin 스케쥴링

• Software timers

• Queues

• Synchronous and asynchronous I/O with timeout capability

• Thread-safe memory heap and memory pool allocators.

스레드, semaphore, 타이머와 같은 모든 시스템 객체는 실행 중에 생성되고 삭제될 수 있습니다. 가능한 메모리를 제외하고 어떤 상한이 없습니다. 시스템 신뢰성을 개선하기 위해서, 커널 아키텍처는 전체적으로 정적이고, memory allocator가 요구되지 않습니다(그러나 옵션으로 가능합니다). 그리고 테이블 혹은 배열과 같은 상한 사이즈 제한과 함께 어떠한 데이터 구조가 존재하지 않습니다. 시스템 API는 에러 코드나 예외와 같은 에러 조건을 갖지 않도록 설계되었습니다.

RTOS는 임베디드 디바이스 애플리케이션을 위해서 설계되었고 다양한 마이크로컨트롤러를 위한 데모 애플리케이션을 포함합니다:

• ST STM32F1xx, STM32F2xx, STM32F3xx, STM32F4xx, STM32L1xx, STM32F0xx

• ST STM8S208x, STM8S105x, STM8L152x

• ST/Freescale SPC56x / MPC56xx

• NXP LPC11xx, LPC11Uxx, LPC13xx

• NXP LPC2148

• Atmel AT91SAM7S, AT91SAM7X

• Atmel Mega AVR

• TI MSP430x1611

• TI TM4C123G and TM4C1294

• Microchip PIC32MX

소프트웨어 I/O 에뮬레이션(emulation) 모드로 Win32 프로세스에서 커널을 실행시키는 것이 가능합니다. 이는 물리적인 하드웨어의 요구 없이 쉬운 애플리케이션 개발을 허용합니다.

실시간 시스템(real time system)은 임의의 정보가 시스템 내/외부에서 이벤트 혹은 인터럽트(interrupt)의 형태로 시스템에 입력되었을 때 주어진 시간 안에 작업이 완료되어 결과가 주어져야 하는 시스템입니다. 즉, 이벤트 발생과 처리가 실시간으로 이루어지는 시스템입니다. 물론 CPU의 처리 속도를 증가시킬 수도 있지만 속도는 느리더라도 이벤트 처리 시간을 보장할 수 있도록 하여야 한다는 의미입니다.

RTOS(Real Time Operating System) 없이 펌웨어를 제작하여도 모든 작업을 할 수는 있습니다. 예전의 시스템에서 펌웨어(firmware)는 비교적 간단해서 OS의 개념을 적용하지 않고 순차적인 프로그램만으로 작성했어도 그리 문제가 되지 않았습니다. 하지만 최근에 점점 더 소형기기에 들어가는 기능이 다양해지고 Windows OS처럼 이벤트가 수ms 정도에 처리되어도 가능한 상황과 달리, 임베디드 시스템(embedded system)에서는 훨씬 빠른 응답을 요구하여 순차적인 프로그래밍 방식으로는 기능을 구현하기에 어려워졌고 시간도 많이 걸려 다음의 장점으로 여러개의 태스크(task)로 분할하여 개발할 필요가 있다는 것입니다. 왜냐면 여러가지 일을 할 수 있는 순차적인 프로그램 방법으로 구현하면 프로그램의 복잡도가 일의 갯수의 승수에 비례하기 때문입니다.

1. 코드의 개발, 수정, 유지, 보수가 보다 용이합니다.

2. 이벤트에 대해 보다 신속하게 응답할 수 있습니다. - 인터럽트가 발생하면, 진행 중인 태스크 대신 인터럽트를 처리할 태스크를 우선적으로 실행할 수 있습니다.

3. 시스템의 신뢰도와 성능을 높일 수 있습니다.

한편 우선 순위 방식에는 2가지가 있는데, 우선 순위가 높은 태스크가 우선 순위가 낮은 태스크를 잠시 멈추게 하고 프로세서를 차지할 수 있는 권한이 부여되면 최근 대부분 OS가 그렇듯 선점형 우선순위(Preemptive)가 됩니다. 반면에 우선 순위가 높다 하더라도 우선 순위가 낮은 태스크가 완료할 때까지 기다려 주는 방식을 Windows 95이전의 OS와 같은 비선점형 우선순위(Non-preemptive)라 부릅니다.

임베디드 시스템에서는 주로 선점형을 사용하는데, 우선 순위에 따라 프로세서의 사용 권한을 조정하는 것을 스케줄링(Scheduling)라고 부릅니다. 이와 같이 진행 중인 태스크가 바뀌게 되면 컨텍스트(Context)라고 불리는 기존의 태스크에 대한 정보를 저장하고 새로운 태스크를 불러오는 동작을 해야 하는데 이를 컨텍스트 스위칭(context switching)이라고 합니다. 또한 진행 중인 태스크들의 각종 정보를 태스크 컨트롤 블럭(TCB: Task control block)이라고 부릅니다. 다음은 선점형 OS에서 사용하는 스케줄링 방식입니다.

1. Priority Scheduling Algorithm

2. Round-Robin Scheduling Algorithm

이처럼 예전에는 하드웨어 성능과 크기의 제약으로 OS 없이 단순한 기능만 수행 가능했던 것이 하드웨어 성능의 향상으로 다양한 일이 요구되었습니다. 이에 RTOS라는 OS 개념을 도입하여 각각의 태스크에 대한 스케줄링으로 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 하고 복잡한 일들을 태스크로 나눔으로써 일을 단순화 시킬 수 있다는 것입니다. 뿐만 아니라 다음과 같은 까다로운 문제가 발생하는데, 이들 문제를 직접해결하기 보다는 멀티태스킹(multi-tasking; 엄밀하게 multi-threading) OS를 도입하는 것이 훨씬 효과적이라는 것입니다. 근래에는 멀티태스킹 뿐 아니라 Network, File System, GUI도 구현하고 있습니다.

1. 태스크간 경쟁의 관리

2. 데드락(deadlock)

3. 우선 순위 역전(priority inversion)

4. 재진입 문제(reentrancy)

5. 태스크간 통신

※ 일반적인 OS vs. RTOS

• 효율성 / 시간 제약성 : 일반 OS 경우에 태스크들 사이에 효율성을 유지하려고 하지만 real-time OS에서는 태스크에 시간 제약성이 존재하고 이런 시간 제약성 때문에 효율성을 무시하는 경우가 발생하며 효율성은 고려하지 않습니다.

• 공평성 / 우선순위 : 일반 OS 경우 여러 명의 사용자가 쓰는 경우에는 각 사용자들이 실행하는 프로그램이 태스크로서 수행이 되고 대개의 경우에는 각 태스크가 공평성을 유지하려고 한다. 그러나 real-time OS에서 태스크는 대개 우선순위가 차이가 있도록 하며 이때 태스크 사이의 공평성은 고려하지 않습니다.

결론적으로 RTOS는 시간의 정확성을 보장하는 멀티태스킹 호출과 인터럽트에 대한 반응시간의 최대값을 보장할 수 있고 실행시간의 편차가 작아야 하는데 즉, 작업의 소요시간을 예측할 수 있어야 합니다. 우선순위가 높은 일이 우선적으로 자원을 분배하여 시간제한 내에 끝날 수 있도록 해야 합니다.

1. 다수의 작업에 우선 순위를 두어 멀티태스킹을 지원합니다.

2. 짧은 interrupt lattency - interrupt latency는 인터럽트가 걸려서 인터럽트 핸들러에 도착하기까지의 시간이며 이벤트에 의한 반응 속도가 빠릅니다.

3. 적은 용량의 kernel 사용 - 작고 유연한 구조(10 ~ 50 KB 수준)