STM32F407_FreeRTOS_4_상호배제(Mutual exclusion)

STM32F407_FreeRTOS_4_상호배제(Mutual exclusion)

이전 포스팅은 각종 Task예제를 통해 STM32CubeMX를 통해 생성한
CMSIS_RTOS_API의 FreeRTOS 코드 내용 및 log 출력값을 정리했습니다.

이번 포스팅은 Kernel System을 사용하는데 앞서 기본적으로 알아야하는 개념인
상호배제(Mutual exclusion)에 대해 정리해볼까 합니다.

0. 서론

여러 Task들이 서로 정보를 주고 받을 수 있는 방법 중에 가장 쉬운 방법은 공유자원(Shared Resource)을 이용하는 것입니다.

• 공유자원 : 여러 Task들이 공통적으로 사용 및 접근할 수 있는 모든 것을 말함.
  • Global variable(전역변수)
  • 함수 및 Public형의 클래스/메소드
  • 각종 Register(I/O)
  • 그 외 Local로 사용할 수 있는 모든 것들
• 공유자원을 쓰는 것은 괜찮은데, 여러 Task 사이의 경쟁이나 다른 이유에 의해 공유자원이 손실되는 상황이 발생합니다.
  • 어느 한 Task에서 공유자원을 접근중에 다른 Task(Priority가 높은 Task)가 강제로 공유자원을 사용하는 경우
• Kernel System에서는 위의 경우로 인한 데이터 손실을 막아야합니다.
• 그래서 나온 개념이 상호배제(Mutual exclusion) 입니다.

1. 상호배제(Mutual exclusion)

1.1 상호배제(Mutual exclusion)란?

• 모든 Task가 접근하여 사용할 수 있는 공유자원의 활용에 대해 하나의 Task만 할 수 있도록 하는 개념.
• Task가 공유자원을 활용하는 과정은 아래와 같습니다.
  1. 공유자원 접근(Access) 및 호출(Call)
  2. 공유자원 시작(Start)
  3. 공유자원 수행(Perform)
  4. 공유자원 종료(End)
  5. 공유자원 탈출(Exit)
• 상호배제(Mutual exclusion)는 공유자원’A’가 어느 Task에 접근(Access)했고 다른 Task가 공유자원’A’를 활용하고자 한다면,
  공유자원’A’가 탈출(Exit)할 때까지 활용하지 못하게 합니다.

  1.2 상호배제(Mutual exclusion)가 필요한 경우

  1.2.1 비재진입(Non-Reentrancy)

• 재진입(Reentrancy) : 언제 어느 시점에서든 호출되어도 문제가 없는 자원(변수 및 함수)
  • ex : Task1이 ‘A’함수를 호출해서 수행 중, ISR이 걸려서 ‘A’함수를 호출하고 또 ISR 복귀후 Context Switching에 의해
    Priority가 높은 Task로 CPU점유율이 넘어 갔는데 거기서 또 ‘A’함수를 호출해버리고…
  • 위와 같이 진행되어도 아무런 문제가 없는 형태.
    • 보통, Local Variable만 사용하는 함수.
    • Local Variable의 경우, 각 Task의 Stack에 각 각 올라가기 때문에 서로 별개의 변수가 됩니다.
• 비재진입(Non-Reentrancy)
  • 공유자원을 사용하는 함수의 경우, 여러 Task들의 접근으로 인해 Sequence가 분리되어 공유자원값이 꼬여버리는 자원
  • Sequence가 분리되어 여러 Task들이 진입을 할 경우, 데이터 손실의 우려가 매우 큼.
• Critical Section : Sequence가 분리될 경우, 데이터 손실 등의 오류를 일으킬 수 있는 구간.
• 위와 같이 비재진입성을 가진 자원에 접근 할 경우, Critical Section 구간에서 여러 Task들이 접근할 경우, 데이터 손실 등의 문제가 발생.

2. 상호배제 구현방법

2.1 Interrupt Enable/Disable

• 가장 손쉬운 방법 중 하나.
• ISR이 일어나지 않도록 해서 CPU점유율이 Kernel Scheduler로 넘어가지 않게 하기.
  • CPU점유율이 다른 Task로 넘어가는 경우를 원초적으로 방지.
• Interrupt Disable 시간이 너무 길면 시스템의 응답성에 영향을 줄 수 있음.
  • 많은 데이터 복사 등의 시간이 많이 걸리는 작업이라면 다시 한번 생각해봐야함.

    2.1.1 예시

• ARM-Cortex-M Series에서는 아래와 같은 Interrupt Enable/Disable 함수를 지원합니다.

  __enable_irq();
  

__disable_irq();

2.2 Test - And - Set(TAS)

• 제가 전경/배경 System에서 자주 썼던 방법입니다.
• Kernal System에서는 자주 쓰지는 않을 것 같습니다.(세마포어가 있음)
• 마찬가지로, 위의 2.1방법도 같이 병행해야함.
• 함수가 공유자원을 Access하기전에 별도의 Flag 변수를 점검하고 그 변수의 값에 따라서
  Access 여부를 정함.

  2.2.1 예시

  void Function_A(void)
  {
   if(A_Flag == 0)
   {
      __disable_irq();
      A_Flag = 1;
      _Uses_A(); // 공유자원 활용(Access ~ Exit)
      A_Flag = 0;
      __enable_irq();
   }
   else
   {
      // 공유자원을 활용할 수 없다.
   }
  }
  

2.3 Scheduler Lock/Unlock

• preemptive Kernel 한정으로 적용 가능
• 무조건 ISR이 공유자원을 접근하지 않는 경우에만 적용 가능.
• 거의 사용하지 않을 거 같음. 이런것도 있구나 하고 알기만 하기

  2.3.1 예시

  __Scheduler_Lock();
  _Uses_A(); // 공유자원 활용(Access ~ Exit)
  __Scheduler_UnLock();
  

2.4 Semaphore

• 세마포어에 대한 내용은 아래의 링크 참고

2.5 portENTER_CRITICAL(), portEXIT_CRITICAL()

• CPU에서 실행되는 독점코드(exclusive code)가 필요할 때 사용.
• base priority register(BASEPRI)를 사용. ISR보다 더 높은 priority를 가짐.
• CPU 레지스터 값 변경 등에서 유용하게 쓰일 것 같음.

  2.5.1 예시

  portENTER_CRITICAL();
  //...sensitive code execution
  portEXIT_CRITICAL();
  

3. 정리

오늘은 Kernal System사용에 있어서 매우 중요한 개념인 상호배제에 대해 정리했습니다.
추후 RTOS 제품 개발 시, 디버깅하면서 꼭 기억해야겠습니다.