RT-Thread 분석 — Object 모델·Components·Smart·Studio

#한 줄 요약

“RT-Thread는 경량 커널과 풍부한 component를 같은 트리에 묶어 둡니다.” — FreeRTOS만큼 가볍지만 Zephyr처럼 통합된 driver·filesystem·shell이 따라옵니다.

#어떤 문제를 푸는가

작은 MCU에서는 FreeRTOS가 충분하지만 파일 시스템·네트워크·POSIX·shell까지 필요한 순간 부족함을 느낍니다. 반대로 Zephyr는 풍부하지만 커널 LoC와 빌드 복잡도가 작은 프로젝트엔 과합니다. RT-Thread는 그 사이를 노린 RTOS입니다.

이번 편의 목표는 두 가지입니다. 첫째, object-oriented C로 구현된 RT-Thread의 커널 구조를 짚습니다. 둘째, components/에 모인 통합 서브시스템과 Smart variant까지 한눈에 정리합니다. 중국 시장에 압도적이지만 글로벌 IoT에서도 채택이 늘고 있는 RTOS의 모양을 잡아 두는 글입니다.

저장소는 github.com/RT-Thread/rt-thread이고, Apache 2.0 라이선스입니다.

#배경

채택 사례

• China Mobile OneNET (IoT 클라우드)
• BYD·길리 자동차 일부 ECU
• DJI 일부 모듈
• WCH·GD32·HK32 등 중국 MCU 표준 RTOS

중국 vendor MCU(GD32, HK32, N32, WCH CH32V 등)는 RT-Thread BSP를 공식으로 제공하는 경우가 많아 사실상 표준 RTOS로 자리잡았습니다.

#저장소 구조

1
rt-thread/
2
├── src/                       # 커널 본체 (~10K LoC)
3
│   ├── thread.c               # rt_thread
4
│   ├── scheduler.c
5
│   ├── ipc.c                  # semaphore·mutex·event·mailbox·msgqueue
6
│   ├── timer.c
7
│   ├── mem.c                  # heap
8
│   ├── memheap.c              # multi-region heap
9
│   ├── object.c               # object 시스템 (kobject 유사)
10
│   └── ...
11
├── include/
12
│   ├── rtthread.h
13
│   └── rtdef.h
14
├── libcpu/                    # 아키텍처별 port
15
│   ├── arm/cortex-m4/
16
│   ├── risc-v/
17
│   └── ...
18
├── bsp/                       # 보드 지원 (300+)
19
│   ├── stm32/
20
│   ├── esp32/
21
│   ├── ch32/
22
│   └── ...
23
├── components/                # 통합 서브시스템
24
│   ├── dfs/                   # device filesystem
25
│   ├── net/                   # LwIP 등
26
│   ├── libc/
27
│   ├── finsh/                 # CLI
28
│   ├── drivers/
29
│   └── posix/
30
└── examples/

코어가 작고 components가 별도 디렉터리에 모여 있어, 필요한 기능만 빌드에 포함시키는 구조가 분명합니다.

#rt_thread 구조

1
struct rt_thread {
2
    /* rt_object 상속 */
3
    char name[RT_NAME_MAX];
4
    rt_uint8_t type;
5
    rt_uint8_t flags;
6
    rt_list_t list;
7

8
    /* stack */
9
    void *sp;
10
    void *entry;
11
    void *parameter;
12
    void *stack_addr;
13
    rt_uint32_t stack_size;
14

15
    /* scheduling */
16
    rt_err_t error;
17
    rt_uint8_t stat;
18
    rt_uint8_t current_priority;
19
    rt_uint8_t init_priority;
20
    rt_uint32_t number_mask;       /* priority bitmap 보조 */
21

22
    /* time slice */
23
    rt_uint32_t init_tick;
24
    rt_uint32_t remaining_tick;
25

26
    rt_list_t tlist;               /* wait list 등록 노드 */
27

28
    /* SMP */
29
    int oncpu;
30
    rt_uint32_t cpus_lock_nest;
31

32
    void *user_data;
33
};

FreeRTOS TCB나 Zephyr k_thread에 비해 훨씬 단정한 크기입니다. 임베디드 MCU에 적합한 RAM 사용량이 유지됩니다.

#Object 시스템 — C로 흉내낸 상속

RT-Thread의 모든 커널 객체는 rt_object를 상속합니다. C에 클래스가 없으므로 첫 멤버를 base struct로 두는 관용이 사용됩니다.

1
struct rt_object {
2
    char name[RT_NAME_MAX];
3
    rt_uint8_t type;       /* THREAD, SEMAPHORE, MUTEX, ... */
4
    rt_uint8_t flag;
5
    rt_list_t list;
6
};

type별 container가 있어, 시스템에 존재하는 모든 스레드나 모든 세마포어를 한 번에 순회할 수 있습니다.

1
struct rt_object_information *info = rt_object_get_information(RT_Object_Class_Thread);
2
rt_list_t *list = &info->object_list;

Linux 커널의 kobject와 비슷한 발상입니다. FinSH의 list_thread, list_sem 같은 명령이 가능한 이유가 이 container에 있습니다.

#Scheduler — Priority Bitmap (최대 256)

1
rt_uint32_t rt_thread_ready_priority_group;   /* 상위 32 비트 그룹 */
2
rt_uint8_t  rt_thread_ready_table[32];        /* 그룹별 8 priority */
3

4
void rt_schedule(void)
5
{
6
    rt_uint8_t highest = __rt_ffs(rt_thread_ready_priority_group);
7
    rt_list_t *list    = &rt_thread_priority_table[highest];
8
    struct rt_thread *t = rt_list_entry(list->next, struct rt_thread, tlist);
9
    /* context switch */
10
}

ARM의 CLZ나 RISC-V의 clz 명령을 이용한 __rt_ffs로 O(1) priority lookup이 가능합니다. 최대 256 priority를 지원해 매우 다양한 RT 시스템을 표현할 수 있습니다.

#IPC — 다섯 가지를 한 파일에

src/ipc.c에 세마포어, 뮤텍스, event flag, mailbox, message queue가 모두 들어 있습니다. 자료구조가 작아서 한 파일에 다 들어가는 데다, 공통된 wait list와 schedule pattern을 한곳에 모은 효과가 있습니다.

1
rt_err_t rt_sem_take(rt_sem_t sem, rt_int32_t timeout)
2
{
3
    register rt_base_t temp;
4

5
    temp = rt_hw_interrupt_disable();
6
    if (sem->value > 0) {
7
        sem->value--;
8
        rt_hw_interrupt_enable(temp);
9
        return RT_EOK;
10
    }
11

12
    if (timeout == 0) {
13
        rt_hw_interrupt_enable(temp);
14
        return -RT_ETIMEOUT;
15
    }
16

17
    /* 현재 스레드를 wait list에 끼우고 schedule */
18
    rt_thread_t thread = rt_thread_self();
19
    rt_ipc_list_suspend(&sem->parent.suspend_thread, thread, ...);
20

21
    if (timeout > 0) {
22
        rt_timer_control(&thread->thread_timer, RT_TIMER_CTRL_SET_TIME, &timeout);
23
        rt_timer_start(&thread->thread_timer);
24
    }
25
    rt_hw_interrupt_enable(temp);
26

27
    rt_schedule();
28
    return thread->error;
29
}

rt_hw_interrupt_disable이 critical section 진입입니다. 이후 wait list 등록, timer 설정, schedule 호출이 일관된 순서로 일어납니다. mutex나 message queue도 같은 패턴 위에 priority inheritance나 데이터 복사 단계만 더해지는 모양입니다.

#Components — DFS (Device Filesystem)

1
#include <dfs_posix.h>
2

3
int fd = open("/dev/sd0/file.txt", O_RDONLY);
4
read(fd, buf, sizeof(buf));
5
close(fd);

POSIX 파일 API를 그대로 제공합니다. 백엔드는 FATFS, LittleFS, RomFS, ramfs 같은 여러 구현 중 KConfig로 선택합니다. SD 카드, SPI flash, USB mass storage가 같은 인터페이스 뒤에 숨습니다.

#Components — LwIP 통합 네트워크

1
#include <lwip/sockets.h>
2

3
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
4
connect(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
5
send(sock, data, len, 0);

표준 BSD socket API가 활성화됩니다. LwIP는 외부 라이브러리지만 기본 component로 통합되어 있어 별도 통합 작업이 거의 필요 없습니다.

#FinSH·MSH — Linux 같은 shell

1
msh /> help
2
msh /> ps
3
msh /> free
4
msh /> list_thread
5
msh /> ifconfig
6
msh /> ping 8.8.8.8
7
msh /> echo "Hello" > /dev/console

FinSH는 RT-Thread의 표준 CLI입니다. 디버그 시 시스템 상태를 인터랙티브하게 확인할 수 있어 개발 생산성이 크게 올라갑니다. 새 명령을 추가하는 것도 매크로 한 줄이면 됩니다.

1
static void hello(int argc, char **argv) {
2
    rt_kprintf("hello from finsh\n");
3
}
4
MSH_CMD_EXPORT(hello, simple hello command);

#Smart — POSIX + MMU

RT-Thread Smart(rt-smart)는 MMU를 활용한 변종입니다. Linux 같은 process와 user mode를 지원하면서 RT-Thread의 결정성을 유지합니다.

RT-Thread Smart

• 대상 하드웨어 — Cortex-A·RISC-V S-mode, 256 MB+ RAM
• 특징 — user/kernel 분리, fork·exec·shared library
• 적용 — 자동차 인포테인먼트, 산업 HMI, 디지털 사이니지
• 위치 — Linux는 너무 무겁고 RTOS는 부족한 중간 영역

자동차 인포테인먼트나 HMI에서 Linux를 쓸 만큼의 자원은 없지만 동적 application 로딩이 필요한 시나리오에 사용됩니다.

#env tool과 scons

RT-Thread 빌드 환경은 env tool + scons(Python 기반)입니다.

1
env                       # RT-Thread 빌드 환경 진입 (Windows·Linux)
2
scons --menuconfig        # 인터랙티브 KConfig
3
scons -j4                 # 빌드
4
scons --target=mdk5       # Keil project 생성
5
scons --target=iar        # IAR project 생성

Makefile이나 CMake가 아니라 scons를 쓰는 이유는 중국 임베디드 시장의 Keil·IAR 친화가 큽니다. scons가 project 파일 생성기 역할도 같이 해 줍니다.

#RT-Thread Studio — IDE

Eclipse 기반의 RT-Thread Studio가 별도 제공됩니다. project generator, SDK 관리, devicetree 비슷한 menuconfig UI, 디버그·플래시 통합이 한 IDE에 모입니다. 중국 임베디드 개발자에게는 STM32CubeIDE를 대체하는 표준 환경입니다.

#SMP Support

1
#define RT_CPUS_NR  4
2

3
struct rt_thread *rt_current_thread_per_cpu[RT_CPUS_NR];
4

5
rt_thread_t t = rt_thread_create("rt", entry, NULL, 2048, 5, 10);
6
rt_thread_control(t, RT_THREAD_CTRL_BIND_CPU, (void*)0);   /* CPU 0 affinity */

Cortex-A SMP, RP2040 같은 dual Cortex-M, RISC-V SMP를 모두 지원합니다. 단일 코어와 같은 API에 affinity 설정만 더해진 모양입니다.

#ESP32 적용

ESP32 BSP가 RT-Thread에도 정식 제공됩니다. ESP-IDF(Espressif 기본, FreeRTOS 기반)와는 별개의 선택지로, RT-Thread 친숙한 사용자가 ESP32 H/W를 활용할 때 유리합니다.

1
#include <rtthread.h>
2

3
int main(void)
4
{
5
    rt_kprintf("Hello RT-Thread on ESP32\n");
6
    while (1) {
7
        rt_thread_mdelay(1000);
8
    }
9
}

#RT-Thread vs FreeRTOS vs Zephyr

선택 기준은 단순합니다. 중국 MCU나 OneNET·CMCC 같은 중국 클라우드와 붙어야 하면 RT-Thread, 그 외 글로벌 IoT는 FreeRTOS 또는 Zephyr가 일반적입니다.

#자주 보는 함정

경고 — 너무 작은 스택

1
rt_thread_create("name", entry, NULL, 256, 10, 10);

DFS, LwIP, FinSH가 함께 도는 시스템에서는 256바이트는 거의 확실한 stack overflow입니다. 최소 512바이트, IPC와 component를 함께 쓴다면 1024바이트 이상이 기준입니다.

경고 — Component KConfig 미설정

1
#include <dfs_posix.h>
2
open(...);    /* link error: DFS component 비활성 */

components는 기본적으로 꺼져 있습니다. menuconfig에서 DFS, LwIP, POSIX 같은 옵션을 개별적으로 켜야 함수 본체가 빌드에 포함됩니다.

경고 — 영문 문서만 의존

공식 문서가 중국어 쪽이 더 자세하고 최신입니다. 영문 페이지가 outdated인 항목이 적지 않습니다. 중국 forum이나 issue tracker를 함께 보는 것이 도움이 됩니다.

경고 — Make 사용 시도

make는 동작하지 않습니다. scons + env tool 또는 RT-Thread Studio가 정식 빌드 경로입니다. Keil/IAR 사용자는 scons --target=mdk5 등으로 project 파일을 생성해서 그 IDE 안에서 빌드합니다.

#정리

• RT-Thread는 ~10K LoC 경량 커널과 풍부한 component를 같은 트리에 묶은 RTOS입니다.
• 모든 커널 객체가 rt_object를 상속하는 object-oriented C 설계로, kobject와 비슷한 container를 가집니다.
• Scheduler는 최대 256 priority bitmap + __rt_ffs로 O(1) lookup을 제공합니다.
• ipc.c 하나에 세마포어, 뮤텍스, event, mailbox, msg queue가 같은 wait/schedule 패턴 위에 구현됩니다.
• DFS, LwIP, POSIX, FinSH 같은 components가 KConfig로 켜고 끄는 모듈형 통합으로 제공됩니다.
• Smart variant는 MMU 기반 user/kernel 분리를 더해 Linux와 RTOS 사이를 메웁니다.
• 빌드는 env tool + scons가 표준이며, RT-Thread Studio가 별도 IDE로 제공됩니다.
• 중국 vendor MCU(GD32, HK32, N32, WCH 등)의 de facto 표준 RTOS입니다.

다음 편은 5-04 RTOS 포팅 가이드에서 새 아키텍처에 RTOS를 옮기는 절차를 정리합니다.

#관련 항목

• 5-01: FreeRTOS 소스 분석
• 5-02: Zephyr 커널 분석
• 5-04: RTOS 포팅 가이드
• 5-05: RTOS 선택 가이드