Preemption과 Cooperation — 강제 전환 vs 자발 양보

#한 줄 요약

“Preemption은 실시간성을, Cooperation은 단순성을 제공합니다.” 둘 중 하나를 선택합니다. 임베디드 RTOS는 거의 다 preemptive를 씁니다.

#Preemption — 강제 전환

높은 priority task가 ready 되면 현재 running task를 강제로 중단시킵니다. 두 가지 트리거가 있습니다.

#Tick Preemption

시스템 tick (1 ms) → tick ISR → scheduler 호출 → 다음 task 결정. Higher priority ready가 있으면 전환됩니다.

매 tick(보통 1-10 ms)마다 scheduler를 확인합니다. Time slice 만료 또는 higher-priority 등장 시 전환됩니다.

#IRQ Preemption

ISR 종료 시 portYIELD_FROM_ISR(needYield)가 즉시 scheduler를 호출합니다.

ISR이 higher-priority task를 깨우면 (xSemaphoreGiveFromISR 등) ISR 종료 시 즉시 그 task로 전환됩니다.

#Cooperation — 자발 양보

각 task가 명시적 yield로만 전환합니다.

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void taskA(void *arg) {
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    while (1) {
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        do_work();
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        taskYIELD();    // 다른 task에 양보
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    }
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}

또는 blocking API가 implicit yield 역할을 합니다. vTaskDelay(), xQueueReceive() 등은 내부적으로 yield합니다.

#Cooperative만 사용 시

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configUSE_PREEMPTION = 0   // FreeRTOS

Tick 인터럽트는 time keeping만 담당하고 task 전환 트리거 역할을 하지 않습니다. 오직 task가 yield할 때만 scheduler가 동작합니다.

#비교 — Preemptive vs Cooperative 타임라인

#비교 표

#Trade-off — 예시

#시나리오: 1 task가 5 ms 작업 + 다른 task가 1 ms 주기 PID

Preemptive의 경우:

• PID가 매 ms 깨어나 즉시 실행됩니다.
• 1 ms PID를 만족합니다.
• 5 ms 작업이 조각조각 진행되어 6-7 ms 안에 끝납니다.

Cooperative의 경우:

• 5 ms 작업이 통째로 실행되고, 그 동안 PID를 못 합니다.
• PID가 최대 5 ms 지연되어 deadline을 miss합니다.
• 5 ms 작업이 깨끗하게 5 ms에 끝납니다.

Deadline이 있으면 preemptive를 쓰고, 없으면 cooperative를 씁니다.

#Preemption Disable (Critical Section)

Preemptive RTOS에서도 짧은 구간은 preemption disable이 필요합니다.

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taskENTER_CRITICAL();
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shared_counter++;
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shared_buffer[idx++] = value;
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taskEXIT_CRITICAL();

taskENTER_CRITICAL()은 *interrupt mask (BASEPRI)*와 scheduler suspend를 합친 것입니다. 짧게 유지하는 게 핵심입니다.

#ISR과 Preemption

ISR은 task가 아닙니다. 단순히 현재 task를 잠시 빼앗는 코드입니다. ISR 도중에는 다음 규칙이 적용됩니다.

• task 전환을 하지 않습니다 (ISR이 끝날 때까지).
• 다른 ISR이 더 높은 priority면 nested IRQ가 가능합니다.
• ISR이 task wake 시 ISR 끝 직후 scheduler를 호출합니다.

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void TIM1_IRQHandler(void) {
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    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
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    xSemaphoreGiveFromISR(semHandle, &xHigherPriorityTaskWoken);
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    /* 위 호출이 higher-priority task를 ready로 만들면
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       xHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE 설정됨 */
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    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
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    /* pdTRUE면 ISR 끝나면서 task 전환 발생 */
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}

#Tick Rate 선택

FreeRTOS의 configTICK_RATE_HZ = 1000이 기본값입니다. 100 Hz면 *vTaskDelay(1)*이 10 ms 지연임에 주의해야 합니다.

#Tickless Mode

Idle 시 tick interrupt를 멈추면 CPU sleep을 더 길게 할 수 있습니다. 배터리 동작에 필수입니다.

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configUSE_TICKLESS_IDLE = 1
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configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP = 2  // 2 tick 이상 idle 시 sleep

다음 task의 wake 시간을 알아내 그 시점까지 timer를 동적으로 설정합니다. 정밀한 hw timer가 필요합니다.

#SMP에서 Preemption

다중 코어에서는 코어별 독립적으로 preemption이 일어납니다. 한 코어의 ISR이 다른 코어의 task에 직접 영향을 주지 않습니다. **Inter-Processor Interrupt (IPI)**로 다른 코어를 깨웁니다.

예 — Core 0: ISR → IPI → Core 1 wake → Core 1의 ready task 실행.

#흔한 함정

⚠️ ISR에서 long work

Preemptive RTOS에서도 ISR 도중에는 어떤 task도 실행하지 못합니다. ISR은 짧게 유지하고(수 µs), 긴 작업은 deferred task로 넘깁니다.

⚠️ Critical Section 너무 김

taskENTER_CRITICAL() 안에 printf 같은 수 ms 작업을 넣으면 그 동안 모든 ISR과 task가 막힙니다. 짧게 유지해야 합니다.

⚠️ Cooperative에서 무한 루프

Yield 없는 무한 루프는 시스템을 행 상태로 만듭니다. while(1)에 항상 wait API나 yield를 넣습니다.

⚠️ Tick rate 너무 높음

10 kHz tick은 매 100 µs마다 ISR이 발생합니다. CPU 부담이 커집니다. 1 kHz로 충분합니다.

#정리

• Preemptive는 tick과 IRQ에서 강제로 전환하여 실시간성을 보장합니다.
• Cooperative는 yield만으로 전환되어 단순하지만 deadline을 보장하지 못합니다.
• 임베디드 RTOS는 거의 preemptive를 사용합니다.
• Critical section은 짧게 유지해야 합니다. preemption disable 구간이 latency를 결정합니다.
• Tickless mode가 배터리 동작의 핵심입니다.

다음 편에서는 인터럽트와 RTOS를 다룹니다. ISR context, deferred processing, FromISR API를 살펴봅니다.

#관련 항목

• 1-03: 스케줄링 알고리즘
• 1-05: 인터럽트와 RTOS
• 2-08: Tick과 타이머