실시간 시스템 고려 사항과 지연 시간

실시간 시스템은 정해진 기한 안에 응답해야 합니다. 기한을 놓치면 장애가 발생합니다:

• 하드 실시간 — 기한을 놓치면 시스템 장애로 이어집니다(의료, 항공전자)
• 소프트 실시간 — 기한을 놓치면 품질이 저하되지만 허용됩니다(오디오, 비디오)

실시간 코드는 최고 성능보다 예측 가능한 실행 시간을 중요하게 여깁니다. 항상 10us가 걸리는 함수가 1~20us가 걸리는 함수보다 선호됩니다.

힙 작업은 예측하기 어렵습니다. 메모리 단편화와 할당자의 결정이 영향을 주기 때문입니다. 시작할 때 할당한 뒤 재사용하세요. 임베디드 코딩 표준에서는 초기화 코드 외부의 new를 금지하는 경우가 많습니다.

예외를 발생시키는 데는 예측하기 어려운 비용이 듭니다. 대부분의 실시간 C++ 코드는 -fno-exceptions로 컴파일합니다.

가상 함수는 간접 참조를 추가하고 분기 예측을 방해할 수 있습니다. 정적 다형성에는 템플릿이나 CRTP를 사용하세요.

잠금은 우선순위 역전을 일으킬 수 있습니다. 낮은 우선순위의 스레드가 잠금을 보유하면 높은 우선순위의 스레드가 차단됩니다. 무잠금 자료 구조는 이 문제를 피합니다.

잠금을 사용해야 한다면 우선순위 상속을 지원하는 잠금을 우선 사용하세요. OS가 잠금을 보유한 스레드의 우선순위를 일시적으로 높입니다.

코드에서 실행될 수 있는 최악의 경로를 분석하세요. 도구와 수동 분석을 통해 함수가 실행되는 데 걸릴 수 있는 최대 사이클 수를 추정합니다. WCET는 스케줄링 결정을 좌우합니다.

하드 실시간 시스템에는 RTOS(FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) 또는 베어 메탈 환경을 사용하세요. 범용 OS는 작업을 무기한 지연시킬 수 있습니다.

캐시 누락과 TLB 누락은 예측하기 어려운 지연을 일으킵니다. 가장 중요한 부분의 데이터는 캐시에 고정하거나 스크래치패드 RAM을 사용하세요.

일반 힙 대신 미리 크기를 정한 풀에서 할당하세요. 할당과 해제가 일정한 시간 안에 수행됩니다. 많은 임베디드 C++ 프로젝트가 메모리 풀에만 의존합니다.

워크스테이션에서의 성능은 MCU에서의 성능과 거의 관련이 없습니다. 항상 실제 사용량을 적용하여 대상 하드웨어에서 성능을 측정하세요.

실시간 C++ 코드에서 힙 할당이 문제가 되는 이유는 무엇인가요?

실시간 C++에서는 최고 성능보다 예측 가능성을 우선합니다. 힙, 예외, 가상 호출 및 OS가 관리하는 잠금을 피하세요. 정적 메모리, 메모리 풀, 무잠금 자료 구조를 사용하고 최악 실행 시간을 분석하세요. 실제 대상에서 성능을 측정하세요.