Danny Kim

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NCS (8) - Zephyr RTOS 기본 구성요소

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8. Zephyr RTOS 기본 구성요소: Threads, Scheduler, ISRs

8.1 실시간 운영체제 기반 SDK

이전 세대 노르딕 사 개발 환경이었던 nRF5 SDK 와 비교했을 때, nRF Connect SDK 가 갖는 차별점 중 하나는 Zephyr RTOS 를 기반으로 동작한다는 점일 것이다.

Zephyr RTOS 는 다양한 커널 (Kernel) 서비스와 쓰레드 (threads)를 기반으로 해서 멀티 쓰레드 (multi-threaded) 애플리케이션을 구동하는 역할을 수행한다.

이전 포스트 에서 설명 했듯이, 임베디드 시스템에서 이야기하는 커널은 “CPU 스케쥴링이나, 메모리, ISR 관리 등” 을 담당하는 부분를 가리킨다 (혹은 그러한 서비스 자체를 커널이라고 봐도 될 것 같다).

이번 포스팅에서는 아래 링크의 정리된 내용을 토대로 nRF Connect SDK 에서 활용되는 Zephyr RTOS 의 기본 구성요소 대해 정리하고자 한다.

8.2 쓰레드 (Threads)

쓰레드 (Threads)는 이어서 살펴볼 스케쥴러에 의해 관리되는 최소 실행 단위이다. Zephyr OS 와 같이 처럼 임베디드 기기를 위한 고안된 실시간 운영체제 내에서는 CPU 에서 반복적으로 수행할 동작을 정의해 놓은 일종의 함수라고 봐도 될 것 같다.

nRF Connect SDK 개발 환경에 있는 쓰레드의 종류는 크게 다음의 두 가지로 구분할 수 있다.

  • Cooperative Thread
  • Preemptible Thread

여기서 음의 우선순위 (negative priority)를 갖는 Cooperative 쓰레드의 경우 용도는 제한적이라 개발자가 직접적으로 다루는 경우는 많지 않은 것으로 보인다. 실제로 개발하면서 다루게 될 쓰레드는 대부분 Preemptible 쓰레드에 해당한다 (사실 이 부분은 위에 참고할 페이지의 내용을 토대로 작성한 거라 확실하는 않다).

쓰레드의 상태는 다음과 같이 구분할 수 있다. 실제 원문 링크에는 Running, Ready, Unready 등의 단어를 혼용해서 사용하고 있다.

  • 실행중 (Running): 문자 그대로 현재 CPU가 실행 중인 쓰레드.
  • 실행가능 (Runnable): 스케쥴러에 의해 다음에 실행될 블록으로 선택되기를 기다리고 있는 쓰레드. 다른 쓰레드나 시스템 (e.g. ISRs)에서 사용되지 않으므로 CPU 내 시간 관련 자원 (e.g. Timer)만을 사용하며 대기하고 있으므로 이 상태를 대기(Ready) 상태라고 부르기도 하는 듯 하다.
  • 실행불가 (Non-runnable): 하나 이상의 요소에 의해 실행할 수 없는 상태에 놓여있는 쓰레드. 가령, 해당 쓰레드에서 필요로하는 변수의 우선순위가 다른 쓰레드에 있다거나 해서 사용할 수 없는 경우 실행불가 상태에 놓이게 된다. 이러한 경우 해당 쓰레드는 스케쥴링 배정에 포함되지 않으며, 이 상태를 준비되지 않은 상태 (Unready)라고 부르기도 한다.

8.3 스케쥴러 (Scheduler)

CPU에서 동작시킬 쓰레드를 결정해주는 요소. 특정한 규칙 (스케쥴링 알고리즘)을 이용해서 CPU가 다음에 수행할 업무 (쓰레드)를 배정해주는 역할을 수행한다. 자원이 한정적이기 때문에 정해진 알고리즘에 따라 실행시킬 쓰레드 순서를 배치할 관리자 (스케쥴러)가 필요한 것이다.

노르딕 사 반도체 칩 (SoC)의 경우 한 번에 실행 가능한 쓰레드의 개수는 애플리케이션 코어 개수와 동일하다. 코어가 한 개라면 (e.g. nRF52840) 한 번에 하나의 쓰레드만 실행시킬 수 있다.

nRF Connect SDK에서 사용되는 Zephyr RTOS는 기본적으로 “tickless RTOS”이다. 따라서, 스케쥴러 활성화를 위해 주기적으로 타이머를 체크하는 대신, 특정 “이벤트”에 반응해 (event-driven) 스케쥴러가 활성화된다. 따라서, 프로그램 내에 여러 개의 쓰레드가 정의되어 있다면, 어떤 식으로든 스케쥴러를 활성화시킬 포인트 (Rescheduling Point)가 정의되어 있어야 한다.

이러한 “Rescheduling Point”가 없다면? CPU는 하나의 쓰레드만 계속해서 동작시키게 될 것!!

nRF Connect SDK 에서는 "k_yield()" 처럼 현재 실행 중인 쓰레드 상태를 바꾸는 (예: "Running" to "Runnable") 함수나 세마포어 등의 요소를 활용해 이러한 이벤트 (Rescheduling point)를 생성하거나, 데이터 패싱이나 타임 슬라이싱 등에 의해 쓰레드의 상태가 결정되기도 한다.

쓰레드와 스케쥴러에 대해서는 추후에 보다 자세하게 다룰 예정이다.

8.4 인터럽트 서비스 루틴 (Interrup Service Routine, ISR)

인터럽트 (Interrupt) 에 대해 아예 모른다면 위키피디아 등의 인터럽트 관련 글을 먼저 읽어볼 것을 권장한다. (구글링으로 다른 사람들이 간단하게 정리한 글을 보는 것이 더 나을 수도 있다. 아니면 ChatGPT 한테… )

간략하게 이야기하자면 인터럽트 란 프로세서 (e.g. CPU)가 지금 하고 있는 작업보다 중요한 일을 처리해야 할 때, 이를 수행하도록 알리는 방법의 일종이다. 이러한 인터럽트의 발생으로 인해 우선적으로 처리할 업무를 수행하는 과정을 인터럽트 서비스 루틴 (이하, ISR) 이다.

쓰레드의 경우 스케쥴러에 의해 그 순서가 관리되고 어느 정도 동기화되어있는데 반해, ISR은 비동기적인 예외처리 이벤트라고 할 수 있다. 인터럽트가 발생하게 되면, CPU는 현재 실행 중이던 쓰레드는 잠시 멈춰두고, ISR을 먼저 처리하게 된다. 기존에 실행 중이던 쓰레드는 (갑작스럽게 발생한) ISR의 처리가 끝난 뒤에 다시 진행된다.

따라서, ISR을 통해 호출되는 콜백 함수에서는 시간이 오래 걸리는 작업을 수행하거나 다른 쓰레드에 영향을 주는 (e.g. blocking) 작업을 수행해서는 안된다.

8.5 요약

쓰레드는 Zephyr RTOS의 기본 실행 단위이며, 이러한 쓰레드의 순서를 관리하는 것이 스케쥴러이다. 인터럽트를 처리하는 ISR 의 우선순위는 대개 쓰레드 보다 높기 때문에 전체 프로그램 동작에 영향을 주지 않도록 유의해야 한다.

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