실시간 운영 체제(RTOS)란 무엇인가요?

이러한 시스템은 산업 자동화, 로봇 공학, 의료 기기 및 임베디드 시스템과 같이 지연이나 고장으로 인해 심각한 결과를 초래할 수 있는 응용 분야에서 매우 중요합니다. 실시간 운영 체제는 또한 안전과 성능을 위해 실시간 응답이 필수적인 고위험 환경(예: 항공우주 및 방위)에서 일반적으로 사용됩니다.

범용 운영 체제(GPOS)와 실시간 운영 체제(RTOS)는 모두 시스템 하드웨어 리소스(예: CPU, 메모리, I/O 장치, 스토리지)를 조정하지만 초점과 능력이 크게 다릅니다.

Microsoft Windows, Linux, Unix와 같은 운영 체제는 전체 시스템 효율성을 극대화하고 멀티태스킹을 지원하는 데 중점을 두지만, 비결정론적 스케줄링에 의존합니다. 비실시간 시스템이기 때문에 특히 부하가 심하거나 리소스가 공유되는 가상 머신(VM) 환경에서는 작업을 제시간에 완료하지 못할 수도 있습니다.

범용 OS와 달리 실시간 OS는 실시간 애플리케이션을 위해 설계되었으며, 작업이 마이크로초 이내의 엄격한 타이밍 요건을 충족하도록 보장합니다. 실시간 시스템의 리소스는 결정론적 스케줄링으로 관리되어 부하가 많은 상황에서도 우선순위가 높은 작업이 특정 시간 내에 완료되도록 보장합니다. RTOS는 VM을 지원할 수 있지만 가상화의 오버헤드는 실시간 요구 사항을 충족하는 능력에 영향을 미칠 수 있습니다.

실시간 운영 체제는 1960년대와 1970년대에 개발되기 시작했으며, 주로 군사, 항공우주 및 산업 부문에서 시간에 민감한 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었습니다. 기존 운영 체제는 예측 가능하고 빠른 응답을 위해 설계되지 않았기 때문에 실시간 운영 체제는 작업이 최소한의 지연으로 외부 이벤트를 처리할 수 있는 엄격한 기한을 충족하도록 만들어졌습니다. 이 기간 동안의 주요 혁신으로는 선제적 스케줄링 알고리즘과 작업 우선순위 지정 및 중단 처리 개선이 포함되었습니다.

1980년대와 1990년대에는 상용 RTOS 제품(예: VxWorks, QNX)이 널리 사용되었으며, 특히 통신, 자동차 및 임베디드 시스템과 같은 산업에서 널리 사용되었습니다. POSIX 실시간 확장과 같은 표준화 노력은 실시간 운영 체제 설계를 통합하는 데 도움이 되었습니다. 2000년대에는 사물인터넷(IoT)과 임베디드 시스템이 성장하면서 FreeRTOS와 같은 가벼운 실시간 운영 체제가 인기를 얻었습니다.

오늘날 실시간 운영 체제는 의료 기기부터 중요 인프라와 연결된 산업 제어 시스템에 이르기까지 다양한 앱에서 안정적인 실시간 작동을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 많은 실시간 운영 체제가 인공 지능(AI)과 머신 러닝(ML)을 통합하여 보다 동적이고 적응력이 뛰어나며 복잡한 시스템을 처리하고 있습니다. 예를 들어, AI 지원 RTOS는 시스템 상태에 따라 실시간으로 데이터 패턴을 분석하고, 장애를 예측하고, 작업 스케줄링을 최적화할 수 있습니다.

2024년 RTOS 시장 규모는 59억 7,000만 달러(미화 10억 달러)로 추정되었습니다. 또한, 이 시장은 2025년 64억 1천만 달러에서 2034년에는 122억 1천만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 예측 기간(2025~2034년) 동안 연평균 성장률(CAGR)은 7.41%에 이를 것으로 전망됩니다.¹

실시간 운영 체제(RTOS)의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 결정론: RTOS는 예측 가능하고 정해진 시간 내에 작업이 실행되도록 보장하며, 이는 시간에 민감한 애플리케이션에 필수적입니다.

• 멀티태스킹: RTOS에서의 멀티태스킹은 여러 작업을 스케줄링하고 관리하며, 어떤 순서로 작업을 실행할지 결정하고 이들 작업 간에 빠르게 전환함으로써 마치 병렬로 실행되는 것처럼 보이게 합니다.

• 메모리 관리: RTOS는 작업이 서로의 메모리 공간을 방해하는 것을 방지하여 시스템 안정성과 보안을 향상시킵니다.

• 지연 시간 최소화: RTOS는 외부 이벤트 또는 인터럽트에 대한 응답 시간을 단축하여 실시간 환경에서 빠른 응답을 보장하고 인터럽트 지연 시간을 최소화합니다. RTOS의 효율적인 컨텍스트 전환은 작업 전환 지연을 더욱 최소화하여 CPU에서 작업을 빠르게 스왑할 수 있도록 함으로써 실행 간 지연을 줄이고 전반적인 시스템 응답성을 향상시킵니다.

• 우선순위 기반 스케줄링: RTOS는 우선순위가 높은 작업을 우선순위가 낮은 작업보다 먼저 실행하여 중요한 작업을 먼저 처리합니다.

• 리소스 할당: RTOS는 메모리 할당, 처리 능력 및 기타 시스템 리소스를 효율적으로 처리하여 실시간 성능을 지원합니다.

• 인터럽트 처리: RTOS는 RTOS 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스 메커니즘을 사용하여 하드웨어 또는 소프트웨어 인터럽트에 빠르고 효율적으로 응답합니다. 이 능력은 인터럽트 처리에 소요되는 시간을 최소화하고 실시간 작업 완료를 보장합니다.

• 작업 동기화: RTOS는 세마포어(semaphore), 메시지 큐(message queue)와 같은 메커니즘을 통해 작업 간 통신(ITC)을 제공하며, 이를 통해 여러 작업 간의 동기화를 이루고 자원 공유를 안전하게 수행할 수 있도록 합니다.

실시간 운영 체제(RTOS)에는 세 가지 주요 유형이 있으며, 각 유형은 다양한 수준의 타이밍 정밀도(종종 밀리초 단위)와 놓친 기한에 대한 허용 오차를 처리하도록 설계되었습니다.

• 하드 실시간 운영 체제(Hard Real-Time Operating Systems)

• 펌 실시간 운영 체제(Firm Real-Time Operating Systems)

• 소프트 실시간 운영 체제(Soft Real-Time Operating Systems)

하드 실시간 운영 체제는 마감 기한을 지켜야 할 때를 대비해 엄격한 시간 제약이 따르도록 설계되었습니다. 기한을 지키지 못하면 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 신뢰성이 가장 중요합니다. 하드 실시간 운영 체제의 일반적인 애플리케이션으로는 항공우주, 로봇 공학 및 산업 제어 시스템이 있습니다. 이러한 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해 하드 실시간 시스템의 파일 시스템은 종종 간소화되어 오버헤드를 줄이고 엄격한 시간 제약 내에서 데이터에 액세스하거나 기록할 수 있도록 합니다.

펌 실시간 운영 체제는 일반적으로 마감일을 준수해야 하지만, 심각한 문제를 일으키지 않고 때때로 발생하는 지연을 견딜 수 있습니다. 이러한 시스템의 예로는 멀티미디어 재생, 네트워킹 및 특정 산업 자동화 애플리케이션이 있습니다.

소프트 실시간 운영 체제는 적시에 실행하는 데 중점을 두지만, 기한을 놓친다고 해서 심각한 결과가 발생하지는 않습니다. 시스템은 성능이 저하되더라도 제대로 작동할 수 있습니다. 예를 들어 데스크톱 운영 체제, 웹 서버 및 일부 사무 자동화 툴이 있습니다.

실시간 운영 체제(RTOS)는 다양한 주요 이점을 제공하므로 리소스가 제한된 중요한 애플리케이션에 이상적입니다.

• 신뢰성 및 예측 가능성

• 최소한의 오버헤드

• 내결함성

• 시스템 효율성 향상

• 안전성 향상

• 확장성

• 시스템 안정성

실시간 운영 체제는 중요한 애플리케이션에 정확한 타이밍, 안정성 및 예측 가능한 동작이 필수적인 다양한 산업에서 사용됩니다.

• 항공우주산업

• 로봇 공학

• 산업용 제어 시스템

• 의료 기기

• 자동차 시스템

• 통신

• 국방 및 군사

실시간 운영 체제는 비행 제어, 항법 및 타이밍 정밀도가 필수적인 미션 크리티컬 애플리케이션을 위한 항공우주 시스템에서 활용됩니다. 이러한 중요한 시스템은 고성능 컴퓨팅(HPC)을 사용하여 다양한 센서의 복잡한 데이터를 실시간으로 처리하여 안전과 성능에 중요한 빠르고 정확한 응답을 보장할 수 있습니다.

로보틱스에서 실시간 운영 체제는 로봇 움직임, 센서 처리 및 통신의 실시간 제어를 보장합니다. 이러한 시스템은 특히 산업 자동화, 의료 로봇 및 자율 주행 차량에서 높은 정밀도와 낮은 대기 시간으로 작동해야 합니다.

RTOS는 일반적으로 제조 공정, 공장 자동화 및 조립 라인과 같은 산업 제어 시스템에 적용됩니다. 이러한 시스템은 센서 및 기타 장비를 실시간으로 모니터링하기 위해 엄격한 타이밍 제약이 필요합니다.

RTOS는 환자의 안전과 장치 신뢰성을 보장하기 위해 시기적절하고 예측 가능한 작동이 필요한 Pacemaker, 주입 펌프 및 진단 장비와 같은 의료 장비에서 사용됩니다.

자동차 애플리케이션에서 실시간 운영 체제는 자율 주행 시스템 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)과 같이 안전과 응답성이 핵심인 중요한 기능을 지원합니다.

RTOS는 안정적이고 빠른 연결을 유지하기 위해 실시간 처리와 저지연 성능이 필요한 이동 기지국과 위성 통신 시스템을 포함한 통신 인프라에 필수적입니다.

RTOS는 레이더 시스템, 무기 제어 및 감시 시스템을 위한 방위 및 군사 애플리케이션에서 사용되며, 운영 정확도와 속도는 임무의 성공과 안전에 매우 중요합니다.

이러한 인기 있는 실시간 운영 체제(RTOS)는 다양한 산업의 특정 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. Intel 및 ARM과 같은 프로세서에서 실행되도록 최적화되어 다양한 애플리케이션에서 고성능, 안정성 및 효율성을 보장합니다.

• VxWorks: 항공우주, 방위 및 산업 자동화 분야에서 사용되는 매우 안정적인 RTOS로 확장성, 보안 및 안전 기능으로 잘 알려져 있습니다.

• QNX: 이 모듈식 POSIX 준수 RTOS는 자동차, 의료 및 산업 부문에서 선호되며 신뢰성과 내결함성을 제공합니다 

• FreeRTOS: 이 경량 오픈 소스 RTOS는 임베디드 시스템, 마이크로컨트롤러, IoT 디바이스 및 가전제품에 이상적이며 단순성과 효율성을 강조합니다.

• RTEMS: 이 오픈 소스 RTOS는 일반적으로 항공우주, 통신, 로보틱 애플리케이션에 배포되는 고성능 임베디드 시스템용으로 설계되었습니다.

• embOS: 이 소형 RTOS는 확장성과 결정론적 성능으로 유명하며, 신뢰성이 핵심인 산업 및 의료 시스템에서 자주 사용됩니다.

• Zephyr: Linux Foundation의 확장 가능한 오픈 소스 RTOS로, IoT 기기 및 웨어러블과 같이 리소스가 제한적인 소형 디바이스에 최적화되어 있습니다.

• ThreadX: 최소한의 설치 공간과 효율적인 리소스 관리로 유명한 이 고성능 RTOS는 가전제품, 자동차 및 산업 시스템에서 자주 사용됩니다.