임베디드 리눅스 운영체제

임베디드 운영체제

(리눅스 중심)

목 차

 임베디드 운영체제 개요

 운영체제

 임베디드 운영체제

 리눅스

 임베디드 리눅스

운영체제

 운영체제란?

 자원 관리자 (Resource Manager)

 응용프로그램에게 자원 서비스 제공 (Computing Environment)

 자원의 종류

 물리적인 자원: 처리기, 메모리, 디스크, 터미널, 네트웍, ...

 추상적인 자원: 태스크, 세그먼트/페이지, 파일, 드라이버, 통신 프로토콜, 패킷, 보안, ...

운영체제 종류

 Windows System

 Windows XP, Windows CE.NET

 UNIX

 SVR4, Solaris, BSD, HP-UX

 Linux

 RTOS(Real-Time OS)

 VxWorks, pSOS, LEX, uITRON, EPOCH, Nucleus 

실시간 시스템

 실시간 시스템의 정의

 정해진 시간 내에 시스템이 결과를 출력하는 시스템

 주어진 작업을 빨리 처리하는 것이 아니고 정해진 시간을 넘어서는 안 된다는 뜻임

 임베디드 시스템은 대부분 실시간 적인 요소 내포

 임베디드 시스템에 실시간 시스템이 포함됨

 Hard real-time system/Soft real-time system

 Hard real-time system

 정해진 시간 내에 작업의 결과가 절대적으로 출력되어야 하는 시스템으로 시간 내에 처리되지 않으면 치명적인 결과를 초래하는 경우

 전투기의 비행제어 시스템, 핵발전소의 제어 시스템, 인공위성의 제어 시스템 

 Soft real-time system

 정해진 범위를 넘는 시간 지연이 발생하더라도 그것이 시스템의 에러가 되지 않는 시스템

임베디드 운영체제

 실시간 시스템에서의 S/W

 간단하고 단순한 순차적인 작업에 관련

 순차적인 프로그램으로 충분하였음

 8bit, 16bit 마이크로프로세서 및 마이크로콘트롤러 사용

 임베디드 시스템에서의 운영체제

 시스템의 규모가 커짐에 따른 Multi Tasking 기능 요구

 Network이나 multimedia가 시스템의 기본으로 자리 잡음

 Networking, GUI, Audio, Video

 임베디드 시스템의 특성상 실시간이라는 요소를 만족해야 함

 지능성이 부가되고 기능이 많아지고 복잡해짐

 순차적인 프로그램 작성이 불가능하여 운영체제가 도입됨

 임베디드 운영체제

 기존의 상용 RTOS(Real-Time OS)

 윈도우 CE

 임베디드 Linux

 임베디드 JAVA

임베디드 운영체제 종류 (1)

 상용 RTOS: Hard RealTime/Multi-thread/ Preemptive

 pSOS, VxWorks, VRTX 등  다수

 일반 운영체제와 거의 같은 기능을 수행

 시간 제약성, 신뢰성 등을 일반 운영체제 보다 중요시 함

 일반적으로 한가지 목적에 최적화 되어있음

 임베디드 OS:  Soft RealTime/Multi-process/ non preemptive

 Windows CE

 임베디드 리눅스

 임베디드 자바

 최근 동향

 임베디드 OS 세계시장 : 

 최근 WinCE, 임베디드 리눅스가 기존의 RTOS 보다 시장 점유율이 높아지는 추세

 OS 선정

 시스템의 특성 파악 그 시스템에 적합한 OS 선정이 매우 중요

임베디드 운영체제 종류 (2)

 윈도우 CE

 MS사에서 임베디드 시스템을 위하여 제공하는 운영체제

 기존의 데스크 탑 PC와 동일한 윈도우 환경 제공

 데스크 탑 윈도우 및 응용 프로그램과의 호환성 우수

 프로그램 개발 환경이 아주 우수. (특히, GUI 개발 환경 우수)

 실행 환경에서 요구되는 H/W 사양이 높고, 가격이 비쌈 

 MS사에서 제공되는 라이브러리에 종속적

임베디드 운영체제 종류 (3)

 임베디드 자바

 SUN사에서 제공하는 JAVA를 이용한 운영체제

 임베디드 환경에 맞는 개발환경을 제공하고 있으며 웹 기반의 환경에 우수

 스크린폰, 셋톱박스 등을 중심으로 사용

 휴대폰 등 이동 서비스 : K자바 기반의 KVM(Kilobyte Virtual Machine) 기술을 적용

임베디드 운영체제 종류 (4)

 리눅스

 일반 리눅스

 일반 테스크 탑 환경인 고성능 프로세서와 대용량 메모리 환경에서 동작 하는 범용 컴퓨터용 리눅스

 임베디드 리눅스 

 저성능의 마이크로 프로세서와 제한된 메모리 환경에서 동작하는 임베디드 시스템 용 리눅스

임베디드 운영체제 종류 (5)

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 태스크(Task)

 수행중인 프로그램 (an instance of a running program)

 프로그램의 수행 환경 (an execution environment of a program)

 스케줄링 단위 (scheduling entity)

 제어 흐름과 주소 공간의 집합 (a control flow and address space)

 멀티 태스킹(Multitasking)

 여러 개의 태스크를 동시에 실행시키는 것

 일반 OS 에서의 태스크

 각 태스크들은 대분분 무관한 프로그램임

 임베디드 시스템에서의 태스크

 하나의 큰 응용 프로그램을 논리적으로 나눈 것 

 기능상 매우 밀접한 관계 

 태스크 사이에 이루어지는 작업들이 많다.

 응용 프로그램을 실행을 위해 여러 기능들이 동시 실행 요구 

 순차적이 아닌 동시 실행의 필요성이 있다.

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 스케쥴러(Scheduler)

 OS의 핵심기능

 다음 번에 어떤 태스크를 실행해야 하는 지를 결정하는 코드 부분

 태스크 선택 정책 : 우선순위 기반의 스케쥴링

 FIFO(First In First Out), Round-robin 등

 선점(Preemptive)

 어떤 태스크가 수행되고 있을 때 커널이 중간에 그 태스크의 수행을 중지 시키고 다른 태스크의 기능을 수행시키는 기능

 선점형 커널 / 비선점형 커널

 다른 태스크로 실행이 넘어갈 때 문맥전환(context switching) 발생

 Context switching

 일단 현재 수행 중인 태스크 상황 하에서의 시스템 상태(문맥)를 TCB(Task Control Block)이라는 특정한 자료구조에 저장하고, 다음에 새로운 태스크의 문맥을 가져와 시스템 상태를 복원한 후에 실행하는 것

 Context switching은 overhead이기 때문에 짧을 수록 효율적 임

 thread의 개념을 통해 이를 보완하는 방법

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 Mutual exclusion

 두개의 태스크가 동시에 하나의 공유자원에 접근하려고 할 때 한 태스크에게 자원 사용에 대한 배타적 권리를 보장하는 것

 Critical section : 공유자원을 access하는 일련의 코드부분

 다른 태스크에 의해서 중단되어서는 안 되는 일련의 명령 혹은 코드 블록

 상호배제 기법 

 인터럽트 발생을 방지

 Critical section에 들어가기 전에 인터럽트를 disable시키고 (CLI) 빠져 나오면서 인터럽트를 다시 enable 시키는 방법 (STI)

 단일 CPU의 경우 단순하게 사용 가능

 semaphore 이용

 semaphore를 얻지 못하면 공유자원을 얻을 수 없으며 일단 semaphore를 얻으면 공유자원을 마음 놓고 쓸 수 있다.

 다른 태스크를 위해서 공유자원을 다 쓰면 semaphore를 풀어야 한다.

 Semaphore가 0 이면 waiting한다.

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 Semaphore

 공유변수 사용

 mutual exclusion을 만들어 공유자원을 제어

 태스크 사이의 동기화에 사용 가능

 사용 방법

 공유자원에 해당하는 semaphore를 만든다.

 공유자원을 사용하기 직전에  해당 semaphore 얻는다.

 변수 값이 0이 아닌 경우 그 변수 값을 1 감소 시킨다.

 0이면 양수가 될 때까지 기다린다. (SLEEP상태)

 공유자원을 다 쓰면 그 값을 1 증가 시킨다.

 종류

 Binary semaphore : 공유자원의 변수가 0,1인 경우

 Counting semaphore : 1이상의 값

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 Task communication

 태스크간에 통신하는 방법

 Global variable을 쓰는 방법 / message passing 방법

 Global variable   

 exclusive access를 해야 하며, ISR이 포함된 인터럽트를 disable해야 한다.

 Task 사이에서는 인터럽트를 disable하는 방법 외에 semaphore를 사용할 수 있다.

 message passing

 Mailbox, queue, pipe – message의 크기에 따라 결정됨

 Task synchronization

 태스크 간의 동기화 기능

 Semaphore/event flag/signal 등을 사용

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 Interrupt service

 Asynchronous event를 CPU에 알리는 방법

 Interrupt는 외부에서 들어오는 중요한 신호로서 시간에 민감한 경우가 있기 때문에 interrupt latency가 짧은 것이 좋음.

 ISR자체도 짧은 것이 좋은데 그 이유는 ISR 자체가 길어지면 interrupt nesting이 되기 쉽기 때문.

 ISR에서는 보통 그에 상응하는 태스크 수준의 service routine을 부르고(HISR) 끝나도록 구성.

 HISR에서는 마치 태스크처럼 존재해서 수행이 된다.

임베디드 운영체제의 주요 개념 

 Reentrancy code

 인터럽트, 선점의 개념과 연관

 하나의 함수를 여러 태스크가 동시에 수행 가능

 ‘Reentrant하다’ 

 태스크 1이 함수 1을 수행하다가 태스크 2로 제어가 넘어가고 태스크 2가 이 함수를 호출해도 함수 1이 제대로 동작하는 것

 전역변수를 사용하지 말 것 - 전역 변수는 shared resource이기 때문에 mutual exclusive 하도록 만들어 주지 못하는 문제가 생긴다.

 Reentrant하지 못한 code는 공유하지 않거나, 공유해야 하는 경우에는 semaphore를 쓴다거나 동일 우선 순위를 갖는 태스크 사이에서 round-robin을 하지 않아야 한다.

리눅스 역사

 Linux 역사

 핀란드 대학원생 Linus B. Torvalds

 1991 version 0.01 발표

 1994년에는 리눅스 커널 버전 1.0

 1996년 2.0

 1999년 2.2 버전의 발표로, 엔터프라이즈 환경에 진입할 수 있는 초석 마련

 최근 2.4 및 2.6 버전이 주로 사용

 A. Tanenbaum 교수의 Minix 기반(http://www.cs.vu.nl/~ast/minix.html)

 Philosophy of COPYLEFT(open source)

 GNU support

 Various Distributions: Redhat, Debian, Slackware, Alzza, MontaVista, Lineo, Gmate, Zaurus, Samsung, IBM, ..

Linux/GNU를 만들어가는 사람

리눅스와 GNU

 GNU (GNU’s not Unix)

 80년대 초반 리차드 스톨만(Richard Stallman)에 의하여 시작

 GPL (GNU Public License)

 GPL에 의거한 모든 소프트웨어는 무료

 변경 사항을 포함해서 재판매 하는 것은 허용하나 소스는 공개해야 함

 프로그래머는 자신의 소프트웨어로 발생하는 어떤 위험이나 손해에 대한 법률적 책임이 없음

 Linux에 gcc, emacs 등을 이식

 BSD의 많은 유용한 유틸리티를 포함하게 하는 게기가 됨

 리눅스는 GPL에 의거하여 배포

리눅스 커널 버전의 선택

 커널 버전

 역사 : http://www.linux.org/dist/kernel.html

 버전 숫자 : X.Y.ZZ

 X : 커널의 버전

 Y : 릴리즈 번호, 홀수->개발 중, 짝수->안정된 버전

 ZZ : Modifications, 사소한 변화를 의미

 최신 버전

 새로운 다양한 기능이 이미 추가되어 있음

 크기가 매우 크다는 단점이 있음

 커널 버전의 선택

 임베디드 시스템의 크기, 기능 및 확장성을 고려

임베디드 리눅스 (1)

 임베디드 리눅스 출현 배경

 H/W의 발전

 32/64bit 고성능 CPU

 S/W의 많은 기능 요구

 OS의 기능이 중요, 안정된 운영체제의 제공(멀티 태스킹의 제공)

 강력하고 다양한 네트워크 환경의 제공

 다양한 형태의 파일시스템과 실행파일 포맷 지원

 확장성의 다양함과 용이함의 제공

 Free Software

임베디드 리눅스 (2)

 임베디드 리눅스 장점

 기능성과 확장성이 우수 (리눅스 이용에 따른 장점)

 PowerPC, ARM, MIPS 등 다양한 CPU Platform지원함

 로열티가 없으므로 가격 경쟁력이 우수

 사용자 층이 넓어 오류 수정이 빠르고 안정성이 우수

 기존의 데스크 탑 개발 환경과 동일하여 개발이 용이함

 임베디드 리눅스 단점

 기존의 RTOS보다 많은 메모리를 요구함

 범용 OS로 설계되어 Real-Time을 지원하지 못함

 개발 환경이 Text 기반의 환경임으로 개발에 어려움이 있음

 GUI 환경을 개발하기 어려움

 제품화하기 위한 솔루션 구성이 어려움

 많은 업체들과 개발자들이 독자적으로 개발하고 있어 표준화가 어려움

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