Danny Kim

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NCS (7) - Zephyr OS 주요 특징 - RTOS 와 커널 (Kernel)

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7. Zephyr OS 주요 특징 - RTOS 와 커널 (Kernel)

Zephyr OS 란? 자원이 한정된 임베디드 (embedded) 기기 같은 장치를 구동하기 위해 고안된 실시간 운영체제 (Real-Time OS, 이하 RTOS)의 일종이다.

이러한 유형의 RTOS는 단순 동작을 수행하는 임베디드 기기에서부터 비교적 정교한 웨어러블 기기나 IoT 기기를 구동하는데에도 활용될 수 있는데, 노르딕 사의 통합 개발 환경인 nRF Connect SDK 는 Zephyr OS 를 기반으로 동작한다.

Zephyr OS 특징에 대해 살펴보기전, 먼저 운영체제와 커널에 대해 살펴보자.

7.1 운영체제 (OS)와 커널

nRF Connect SDK 와 RTOS 에 대해 공부하다보면 커널이라는 단어가 사용되고 있는 것을 종종 볼 수 있다 (특히, 커널이라는 용어는 컴퓨터 공학이나 머신러닝 등의 분야에서 서로 다른 형태로도 사용되는 것으로 알고 있다). 노르딕 개발 페이지에서는 Zephyr OS 에 대해 다음과 같이 언급하고 있다.

The Zephyr OS is based on a “small-footprint” kernel designed for use on resource-constrained and embedded systems

여기서의 “small-footprint” 커널 (Kernel)을 기반으로 한다는 것은 무슨 뜻일까?

7.1.1 운영체제의 시작

이와 관련해서 구글링 하던 도중 실시간 운영체제 (RTOS)와 커널 (Kernel)에 관해서 잘 정리된 오래된 글을 하나 발견할 수 있었다.

위 블로그 포스팅의 내용을 정확히 이해했는지는 모르겠으나, 필자의 입맛에 맞게 각색을 좀 해보자면 대략 다음과 같다.

  1. 운영체제(OS)가 없던 시절에는 사용자(user)가 특정 소프트웨어를 만든 뒤에도 이를 실행시키는 과정에 직접 관여를 해야했다.

  2. 그런데, 이러한 과정을 반복하다보니 소프트웨어의 기능은 저마다 달라도 동작하는 구조는 대부분 비슷하다는 사실을 알게 되었다.

  3. 나중에는 소프트웨어를 동작시킬 “관리자”를 하나 만들어두고, 해당 관리자에게 “특정 소프트웨어를 실행해라”라고 전달하는 식의 구조가 자리 잡게 되었다.

위에서 언급한 관리자가 현재 운영체제라고 부르는 소프트웨어의 시초가 되었다고 한다. Zephyr OS의 경우 운영체제 중에서도 멀티태스킹과 인터럽트 처리 기능 등 실시간 동작 특성에 보다 초점을 맞춘 임베디드 기기 전용 운영체제라고 할 수 있겠다.

7.1.2 커널이란?

특정 목적 (임베디드 기기 제어)을 위해 고안된 운영체제인 RTOS 또한, 내부적으로는 다양한 기능을 수행하기 때문에 이 중 중요한 부분을 따로 구분지어서 부르기 시작했는데 이것들을 가리켜 커널 (Kernel)이라고 한다.

주로 스케쥴링 (Scheduling), 메모리 관리, ISR (Interrupt Service Routine) 등을 관리하는 부분에 해당하는 것으로 보인다

다만, 위에서 참고한 블로그 페이지를 보면, 작성자가 글을 썼던 2009년도에도 커널이라는 용어를 정의하는 것에 있어서 논란이 많았던 것으로 보인다.

아무튼… 적당히 정리하자면, 커널이란? RTOS 핵심 서비스 (Threads, Scheduling, CPU Idling, Interrupts,. etc) 제공자 정도로 이해할 수 있을 것 같고, 이러한 커널로부터 핵심 서비스를 제공받기 위해서는 커널 API를 이용해 관련된 명령어를 호출하면 되는 것으로 보인다.

7.2 Zephyr OS 특징

본 주제로 돌아와서 Zephyr OS 의 특징에 대해 살펴보자면 대략 다음과 같다.

7.2.1 Small-footprint

앞서 언급한 노르딕 개발 페이지에서 설명하는 Zephyr OS 특성을 다시 살펴보자

The Zephyr OS is based on a “small-footprint” kernel designed for use on resource-constrained and embedded systems

여기서 footprint라는 단어는 메모리 (그중에서도 RAM) 영역에서 애플리케이션이 차지하는 사이즈를 가리키는 것으로 보인다. 물론, 경우에 따라서는 실행중인 프로그램이 차지하는 영역 이외의 남겨진 여유 용량을 가리키기도 하겠지만 핵심은 “프로그램이 차지하는 영역 혹은 사용하는 자원”이 얼마나 되는가를 나타내기 위해 사용되는 용어인 셈이다.

The configurable nature of the kernel allows you to incorporate only those features needed by your application, making it ideal for systems with limited amounts of memory (as little as 2 KB!)

길게 늘려서 설명하긴 했지만, 쉽게 말해서 Zephyr OS가 자원을 적게 쓰는 운영체제라는 것을 강조하려는 것으로 보인다.

7.2.2 Multiple architectures

Zephyr OS는 다음과 같이 다양한 시스템 아키텍쳐를 지원하고 있다.

  • ARCv2 (EM and HS) and ARCv3 (HS6X)
  • ARMv6-M, ARMv7-M, and ARMv8-M (Cortex-M)
  • ARMv7-A and ARMv8-A (Cortex-A, 32- and 64-bit)
  • ARMv7-R, ARMv8-R (Cortex-R, 32- and 64-bit)
  • Intel x86 (32- and 64-bit)
  • MIPS (MIPS32 Release 1 specification)
  • NIOS II Gen 2
  • RISC-V (32- and 64-bit)
  • SPARC V8
  • Tensilica Xtensa

7.2.3 Distinguishing Features

노르딕 개발 문서에서 언급하고 있는 Zephyr OS 특징은 다음과 같다. 물론, 이중에는 기본적으로 RTOS 로서 갖는 특징들도 있는 것으로 보이는데, 아무래도 노르딕 칩 개발 관점에서는 저전력 블루투스 (BLE) 기능을 지원해주는 점을 핵심 요소로 꼽을 수 있을 듯 하다.

  • 멀티 스레드(**thread**) 및 ISR, 메모리 할당, 스레드 동기화 및 데이터 교환
  • 전원 관리 서비스 (Power Management)
  • 다중 스케쥴링 알고리즘 관련 기능
  • 저전력 블루투스 및 블루투스 5.0 (메시 프로토콜) 지원

그 외 세세한 기능들의 경우 아래의 링크에서 확인할 수 있다

References

https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/2.1.2/zephyr/introduction/index.html

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