RTOS Tick과 타이머 — SysTick·Generic Timer·configTICK_RATE_HZ

#한 줄 요약

Tick은 RTOS의 심장 박동에 해당합니다. 주기적인 IRQ가 scheduler, timeout, preemption의 토대가 됩니다.

#Cortex-M SysTick

Cortex-M에는 24-bit down-counter가 내장되어 있습니다. 대부분의 RTOS가 이를 기본 tick source로 사용합니다.

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#define configTICK_RATE_HZ              ((TickType_t) 1000)   // 1 kHz
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#define configCPU_CLOCK_HZ              ((unsigned long) 168000000)   // 168 MHz

내부 구현은 다음과 같습니다.

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void vPortSetupTimerInterrupt(void) {
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    /* SysTick 설정 */
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    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = (configCPU_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ) - 1UL;
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    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = (portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
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                                  portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
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                                  portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT);
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}

168 MHz를 1 kHz로 나누면 168,000 cycle입니다. 이 카운트마다 SysTick 인터럽트가 한 번씩 발생합니다.

#SysTick Handler

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void xPortSysTickHandler(void) {
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    vPortRaiseBASEPRI();              // IRQ mask
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    if (xTaskIncrementTick() != pdFALSE) {
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        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;   // preempt 필요
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    }
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    vPortClearBASEPRIFromISR();
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}

xTaskIncrementTick()이 하는 일은 다음과 같습니다.

• xTickCount를 1 증가시킵니다.
• delayed list에서 만료된 task를 wake해 ready로 옮깁니다.
• 같은 priority 안에서 round-robin rotation을 진행합니다.
• preemption이 필요하면 pdTRUE를 반환합니다.

#Tick Rate Trade-off

vTaskDelay(1)은 1 tick 뒤에 wake합니다. tick rate에 따라 실제 시간이 달라지므로, 100 Hz면 10 ms, 1 kHz면 1 ms로 의미가 달라집니다.

#Tick Overhead

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SysTick ISR @ 1 kHz:
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- HW enter: 12 cycle
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- BASEPRI set: 2 cycle
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- xTaskIncrementTick: 100-500 cycle (delayed list 처리에 따라)
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- BASEPRI clear: 2 cycle
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- HW exit: 6 cycle (tail-chain)
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Total ≈ 120-520 cycle/tick
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@ 168 MHz: 0.7-3 µs/tick = 0.07-0.3% CPU

부담이 작은 편입니다. 10 kHz로 올려도 0.7~3% CPU 정도라 여전히 견딜 만합니다.

#Cortex-A Generic Timer

Cortex-A에는 SysTick이 없습니다. 대신 Generic Timer(ARM Architecture Timer)를 제공합니다.

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// CNTFRQ_EL0 — 시스템 frequency (보통 24 MHz)
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// CNTPCT_EL0 — 64-bit physical counter (count up)
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// CNTP_CVAL_EL0 — compare value (interrupt trigger)

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uint64_t now = read_cntpct();
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uint64_t deadline = now + ticks_per_ms;
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write_cntp_cval(deadline);

64-bit counter라 wraparound가 사실상 일어나지 않습니다. 24 MHz로 돌려도 64-bit를 다 채우려면 약 24,000년이 걸립니다.

#RISC-V — mtime / mtimecmp

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// PLIC·CLINT의 mtime memory-mapped
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#define MTIME        (*(volatile uint64_t *)0x0200BFF8)
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#define MTIMECMP     (*(volatile uint64_t *)0x02004000)
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// Tick 설정
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MTIMECMP = MTIME + (FREQ_HZ / TICK_HZ);

mtime은 64-bit입니다. mtimecmp ≤ mtime 조건이 성립하면 mip.MTIP가 set되어 interrupt가 pending됩니다. wraparound는 사실상 없습니다.

#Time Slicing

configUSE_TIME_SLICING = 1(기본값)이면 매 tick마다 같은 priority 안에서 round-robin이 발생합니다. 다른 priority에는 영향을 주지 않습니다.

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// vTaskSwitchContext
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if (uxTopReadyPriority == pxCurrentTCB->uxPriority) {
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    // 다른 same-priority task가 있으면 yield
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    listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(...);
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}

configUSE_TIME_SLICING = 0으로 두면 같은 priority의 task끼리는 명시적으로 yield할 때만 전환됩니다.

#vTaskDelay vs vTaskDelayUntil

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// Relative delay
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vTaskDelay(100);                   // 지금부터 100 tick 대기
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// Absolute periodic delay
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TickType_t xLastWake = xTaskGetTickCount();
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while (1) {
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    do_work();
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    vTaskDelayUntil(&xLastWake, 100);  // 정확한 100 tick 주기
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}

vTaskDelayUntil은 주기를 정확히 유지합니다. do_work()가 50 ms를 잡아먹어도 다음 wake는 여전히 xLastWake + 100 tick입니다.

#Tickless Idle

configUSE_TICKLESS_IDLE = 1을 켜면 다음과 같이 동작합니다.

Idle 동안 SysTick을 멈춰 두고 CPU를 더 오래 sleep시킵니다. 깨어날 때 그동안 놓친 tick을 한 번에 보충합니다.

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void vPortSuppressTicksAndSleep(TickType_t xExpectedIdleTime) {
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    /* SysTick 다음 wake까지 reprogram */
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    uint32_t ulReloadValue = ulTimerCountsForOneTick * xExpectedIdleTime;
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    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ulReloadValue;
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    __WFI();  /* sleep */
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    /* 깨어났을 때 — 실제 경과 tick 보충 */
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    TickType_t ulCompleteTickPeriods =
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        (configSYSTICK_CLOCK_HZ - portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG)
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        / ulTimerCountsForOneTick;
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    vTaskStepTick(ulCompleteTickPeriods);
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}

5년 이상 동작해야 하는 배터리 기반 IoT 디바이스의 핵심 기술입니다.

#Tick 정확도 — Drift

내부 RC oscillator(HSI)는 ±1~2%의 drift를 보입니다. 외부 crystal(HSE)은 ±50 ppm 수준으로 훨씬 안정적입니다.

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HSI @ 168 MHz, ±1.5%:
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1 day = 86400 sec × 0.015 = 1296 sec drift = 21분 오차
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HSE @ 168 MHz, ±50 ppm:
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1 day × 0.005% = 4.3 sec drift

장시간 동작하거나 NTP, time-stamp처럼 동기화에 민감한 시스템에는 외부 crystal이 필수입니다.

#RTC와의 차이

대부분의 시스템은 RTC와 Tick을 동시에 사용합니다. RTC가 시간을 추적하고, Tick이 제어를 담당합니다.

#자주 하는 실수

⚠️ Tick rate를 임의로 가정합니다

vTaskDelay(10)을 10 ms라고 가정하기 쉽지만 실제로는 configTICK_RATE_HZ에 따라 달라집니다. pdMS_TO_TICKS() 매크로로 명시 변환을 거쳐야 합니다.

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vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));   // 명시적

⚠️ Tickless에서 wake source를 빠뜨립니다

WFI 이후 깨울 수단이 SysTick뿐인데 그것까지 꺼 버리면 영원히 sleep 상태에 머뭅니다. RTC alarm이나 GPIO IRQ 같은 다른 wake source를 반드시 마련해 둬야 합니다.

⚠️ HSI로 장시간 sync를 시도합니다

±1% drift만으로도 하루에 14분이 어긋납니다. 장시간 동기화가 필요하다면 HSE가 필수입니다.

⚠️ vTaskDelay 대신 busy-wait를 씁니다

짧은 delay라도 busy-wait를 쓰면 CPU가 100%에 머물러 다른 task가 굶게 됩니다. 항상 vTaskDelay를 사용해야 합니다.

#정리

• Cortex-M의 SysTick, Cortex-A의 Generic Timer, RISC-V의 mtime이 tick source입니다.
• 1 kHz가 RTOS의 표준 tick rate입니다.
• Tick ISR overhead는 약 0.1% CPU 수준이라 부담이 작습니다.
• Tickless mode가 배터리 동작의 핵심입니다.
• pdMS_TO_TICKS()로 절대 시간을 명시해 tick rate 의존을 피합니다.

다음 편은 tickless 모드 구현을 자세히 다룹니다.

#관련 항목

• 1-04: Preemption (tickless)
• 2-09: Tickless 모드 구현