실시간 운영체제 — Hard／Soft Real-Time, 스케줄링

실시간 시스템은 "빠른 시스템"이 아니라 "정해진 시간 안에 반드시 응답하는 시스템"입니다. 에어백, 항공기 제어, 산업 로봇 등 마감 시간(deadline)을 놓치면 안 되는 시스템에서 사용됩니다.

실시간 시스템이란

주어진 시간 제약(deadline) 안에 연산을 완료하는 것이 보장 되는 시스템입니다.

중요한 것은 평균 응답 시간이 아니라 최악의 응답 시간(WCET, Worst Case Execution Time) 입니다.

Hard Real-Time vs Soft Real-Time

Hard: 에어백이 100ms 안에 터져야 함 → 101ms에 터지면 의미 없음
Soft: 영상이 33ms마다 프레임을 보여야 함 → 가끔 넘기면 끊기지만 치명적이지 않음

RTOS의 특징

일반 OS와 RTOS의 차이:

실시간 스케줄링 알고리즘

Rate Monotonic Scheduling (RMS)

주기가 짧은 태스크에 높은 우선순위 를 부여합니다. 정적 우선순위 방식입니다.

태스크 A: 주기 = 20ms, 실행 시간 = 5ms → 우선순위 높음
태스크 B: 주기 = 50ms, 실행 시간 = 10ms → 우선순위 낮음
태스크 C: 주기 = 100ms, 실행 시간 = 20ms → 우선순위 가장 낮음

타임라인:
0    5   10   15   20   25   30
|AAA||BBB|BBBBB|CC|AAA||BBB|...
A실행  B실행        C실행 A다시

스케줄링 가능 조건 (Liu & Layland 정리):

CPU 활용률 ≤ n(2^(1/n) - 1)

n=2: 약 82.8%
n=3: 약 78.0%
n→∞: 약 69.3% (ln2)

이 조건을 만족하면 RMS로 모든 데드라인을 지킬 수 있습니다.

Earliest Deadline First (EDF)

데드라인이 가장 가까운 태스크를 우선 실행 합니다. 동적 우선순위 방식입니다.

현재 시간: 10ms
태스크 A: 데드라인 = 25ms → 우선순위 중간
태스크 B: 데드라인 = 15ms → 우선순위 높음 (가장 급함)
태스크 C: 데드라인 = 50ms → 우선순위 낮음

→ B를 먼저 실행

• 이론적으로 최적: CPU 활용률 100%까지 스케줄링 가능
• RMS보다 활용률이 높지만 구현이 복잡 (우선순위가 계속 변경)

RMS vs EDF 비교

리눅스의 실시간 지원

리눅스는 범용 OS이지만 PREEMPT_RT 패치 로 Soft Real-Time 수준을 지원합니다.

# 실시간 스케줄링 정책 확인
chrt -m

# 프로세스에 실시간 우선순위 부여
chrt -f 99 ./my_realtime_app  # SCHED_FIFO, 우선순위 99
chrt -r 50 ./my_realtime_app  # SCHED_RR, 우선순위 50

리눅스 스케줄링 정책:

• SCHED_FIFO: 선점형 FIFO — 같은 우선순위 내에서 FIFO
• SCHED_RR: 라운드 로빈 — 같은 우선순위 내에서 타임 슬라이스
• SCHED_DEADLINE: EDF 기반 — 리눅스 3.14부터

핵심 포인트

• Hard vs Soft: "시간을 놓치면 어떻게 되느냐"가 구분 기준
• RMS는 최적인가: 정적 우선순위 중에서는 최적이지만, EDF(동적)가 이론적으로 더 우수
• 리눅스가 RTOS가 아닌 이유: 커널 내부에 비선점 구간이 있고, 페이지 폴트 등 예측 불가능한 지연이 존재

정리

실시간 OS는 "빠름"이 아니라 "예측 가능함"이 핵심입니다. 실제로는 Hard/Soft의 차이, RMS와 EDF의 비교, 리눅스의 실시간 한계를 설명할 수 있으면 충분합니다.