KR100281870B1 - 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신 방법에 관한 것으로서, 메세지에 중요도를 부여하여 메세지를 생성하는 단계; 상기 생성된 메세지들을, 메세지의 송신과 수신을 매개하는 기억장소(매개기억장소)에 보내는 시스템 호출이 발생할 때마다, 중요도 값을 수정하고, 수정된 중요도에 따라 메세지들을 정렬하여 상기 매개기억장소에 저장하는 단계; 및 상기 매개기억장소에 저장된 메세지를 처리하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 프로세스간 통신이 실시간 운영체제에서 상당히 큰 비중을 차지하고 있다는 점을 고려할 때, 실시간 운영체제가 효율적인 IPC 메카니즘을 갖게 함으로써 이를 채택하고 있는 시스템의 실시간성을 확보하게 하고 전체 성능향상에도 큰 도움을 줄 수 있다.

Description

데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신 방법

제1도는 본 발명이 수행되는 운영체제 환경의 계층도.

제2도는 일반적으로 사용되는 프로세스간 통신 서비스들.

제3도는 본 발명에서 사용되는 메세지 형태.

제4도는 본 발명의 동작 상황을 도시한 동작도.

제5도는 큐포스트(QPost) 시스템 호출을 도시한 흐름도.

제6도는 큐펜드(QPend) 시스템 호출을 도시한 흐름도.

제7도는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 타스크들의 초기상태도.

제8도는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 타스크들의 시간표와 메세지큐의 상태.

본 발명은 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제에 관한 것으로, 특히 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신 방법에 관한 것이다.

각종 자료들을 저장할 수 있는 메모리 장치와 외부의 신호들을 처리할 수 있는 입/출력 장치(I/O Device), 그리고 이러한 신호들과 자료들을 적절한 형태로 관리할 수 있는 중앙처리 장치(CPU)로 구성되어 있는 단일 프로세서 시스템(Single-Processor System) 환경하에서 수행되는 운영체제에서는 일반적으로 각 프로세스간 메세지를 전달할 수 있는 프로세스간 통신(Inter-Process Communication: 이하 IPC라 함) 방법으로 제2도에 도시된 바와 같이 여러 가지 형태의 IPC 서비스 기법이 사용되고 있다.

IPC는 다중 프로세스 환경(Multi-Processing or Multi-Tasking Environment)에서 존재하는 여러 프로세스간에 필요한 정보를 원활히 교환하거나 다른 프로세스에게 신호를 전달하는 동기화를 수행하는데 이용될 수 있다. 이러한 IPC는 모든 운영체제에 존재하는 것으로서 프로세스간의 효율적인 스케쥴링에 지대한 영향을 미치게 된다. 즉 IPC의 영향으로 인해 운영체제의 전체 성능이 빨라지거나 늦어지는 결과를 빚기도 한다. 따라서 잘 설계된 운영체제의 IPC는 전체 시스템 성능에 영향을 미침으로 프로세스간의 효율적 정보전달이 중요하다고 하겠다.

이러한 효율적인 IPC 방법은 운영체제의 주요한 서비스의 하나로 자리잡아 가고 있다. 특히 다중 프로세스 시스템(Multi-Process System)중에서도 실시간 처리 시스템에서 그 중요도가 높아가고 있는 실정이다. 실시간 처리 시스템은 외부의 정보를 입력하여 적절한 형태로 변경하는 프로세스, 입력된 정보에 대해 인간이 원하는 여러가지 처리를 수행하는 프로세스, 그리고 처리된 정보에 대해 외부세계(실세계)에 출력하는 프로세스들 간의 적절한 통신이 이루어진다. 실시간 처리 시스템의 기본은 외부세계에서 발생되는 각종 정보(신호, 사건)에 대응하여 인간이 원하는 동작을 적절히 수행하도록 하는 것에 있다. 따라서 실시간 운영체제에서 IPC 방법이 중요성을 띠는 이유는 외부의 정보를 내부의 처리기 안으로 전달하는 방법이 필요하게 되기 때문이다.

종래의 IPC 기술은 단순히 프로세스간의 메세지 전달에 역점을 두어 설계되었다. 따라서 메세지의 전달에는 그 메세지가 쌓여 있는 순서에 근거하여 전달되는 방식을 취하였기 때문에 긴급하거나 중요한 메세지의 경우에는 전달이 지연되어 전체 시스템의 성능이 저하된다. 특히 시간 제약성(Time Constraint)을 가지고 있는 실시간 처리 시스템에 채용되는 실시간 운영체제와 같은 것은 긴급한 처리를 정해진 시간 안에 완료하지 못하면 시스템에 치명적인 오류를 발생시킬 수 있다.

이를 해결하기 위해서 실시간 운영체제에서는 끼어들기(Jamming)라는 기법을 사용하고 있다. 메세지의 송수신을 위해서는 메세지의 전달을 매개하는 기억장소(매개기억장소)가 필요하고, 이 매개기억장소는 기본적인 관리법으로 선입선처리(First In First Service:FIFS)를 기본적으로 구성하고 있는데, 상기의 끼어들기 방법은 상기 매개기억장소의 일종인 메세지큐에 긴급하다고 여겨지는 메세지를 메세지 처리에 대한 운영체제 시스템 호출(system call)인 "OS_Q_JAM"과 같은 것을 이용하여 맨 앞에 강제적으로 삽입하는 것을 말한다. 따라서 끼어든 그 메세지는 그 긴급도에 따라 메세지 큐에 있는 다른 메세지들 보다 먼저 처리되게 된다.

하지만 끼어들기(Jamming) 기법은 운영체제에서 서비스해 주어야 하는 별도의 시스템 호출을 가지고 있어야 하고, 또한 응용 프로그래머가 상황에 맞도록 적절히 해당 시스템 호출을 사용해야만 하는 번거로움이 따른다. 따라서 끼어들기(Jamming) 기법을 사용하기 위해서는 모든 응용 프로그램에서 일어나는 매개기억장소(메세지 큐)의 내용에 대한 정보를 파악한 상태에서, 끼어들기가 필요한 그 메세지가 다른 메세지 처리에 어느정도 영향을 미치는 지에 대한 고려도 해야한다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상기 끼어들기 기법을 사용하지 않고 실시간 데이타 처리 시스템에 맞도록 실시간 운영체제에서 운용되는 IPC 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제에서의 IPC 방법은 메세지에 중요도를 부여하여 메세지를 생성하는 단계; 상기 생성된 메세지들을, 메세지의 송신과 수신을 매개하는 기억장소(매개기억장소)에 보내는 시스템 호출이 발생할 때 마다, 중요도 값을 수정하고, 수정된 중요도에 따라 메세지들을 정렬하여 상기 매개기억장소에 저장하는 단계; 및 상기 매개기억장소에 저장된 메세지를 처리하는 단계를 포함함을 특징으로 하여 이루어진다.

그리고 상기 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 IPC 방법에 있어서, 상기 중요도는 프로세스의 처리의 긴급성의 정도를 나타내는 긴급도; 및 프로세스의 처리가 반드시 이루어져야 함의 정도를 나타내는 필수도로 이루어 짐을 특징으로 한다.

또한 상기 긴급도는 타스크가 매개기억장소에 메세지를 보내는 시스템 호출을 한 프로세스 자신의 우선순위와 시스템에서 허용하는 최대 우선순위의 차에 의해 결정됨을 특징으로 하고, 상기 필수도는 정해진 초기값을 가지며, 타스크가 매개기억장소에 메세지를 보내는 시스템 호출 및 타스크가 매개기억장소에서 메세지를 가져가는 시스템 호출이 발생할 때 마다 상기 매개기억장소에 있는 모든 메세지의 필수도가 정해진 값만큼 증가함을 특징으로 한다.

한편 상기 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 IPC 방법에 있어서, 상기 메세지를 정렬하는 단계는 중요도의 값이 큰 메세지부터 순서대로 상기 매개기억장소의 앞에 위치하도록 정렬하고, 상기 매개기억장소의 메세지를 처리하는 단계는 상기 매개기억장소의 앞에 위치한 메세지부터 먼저 처리함을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 먼저 본 발명이 수행되는 운영체제의 환경은 제1도와 같다. 운영체제는 최하위에 각종 하드웨어 장치들-입출력 장치, 메모리 장치, 그외 입출력 인터페이스 장치등-이 있고, 그 위에 이들을 구동하고 제어하는 각종 디바이스 드라이브(Device Drivers)가 구비되어 있고, 그 위에 각종 응용 프로그램을 수행하는데 필요한 기본적인 프리미티브 서비스인 운영 체제 기능이 있으며, 최상위에는 응용 프로그램이 있다. 본 발명이 수행되는 곳은 프리미티브 서비스가 있는 중간 부분으로서 운영체제의 핵심을 이루고 있는 부분이다.

이러한 프리미티브 서비스는 제1도에서 보여주는 것 같이 몇 개의 부분으로 나뉘어 지는데 그 대표적인 것이 프로세스의 생성/소멸/관리를 담당하는 프로세스 관리(Process Management)부와 메모리 장치에서 응용 프로그램에서 사용할 수 있도록 논리적인 단위로 관리해주는 메모리 관리(Memory Management)부, 그리고 시스템의 전체 시간이나 계수(Count)를 위한 시간관리(Time Management)부 및 프로세스간 정보의 전달을 목표로 하는 IPC가 있다.

이 IPC 부분도 여러가지 자원을 가질 수 있는데 이에 대한 것을 제2도에 도시되어 있다. 이러한 IPC 방법은 프로세스의 흐름을 제어하고 외부신호에 대해 시스템이 적절히 반응할 수 있는 방법을 제시하고 있는데 이의 종류로는 메세지 큐(Message Queue), 시그널(Signal), 이벤트 플래그(Event Flag), 세마포(Semaphore), 공유 메모리(Shared Memory), 메일 박스(Mail Box) 등이 있다. 이 중에서도 주로 많이 사용되는 것은 메세지 큐인데, 이는 프로세스간에 전달 되어질 메세지를 매개기억장소인 버퍼(buffer)에 실어서 적절히 전달할 수 있는 장점 때문이다.

이하에서 매개기억장소로 메세지 큐를 사용하는 것으로 하여 설명하기로 한다. 상기에서 언급한 종래의 단점을 제거하는 방향으로 메세지의 형태를 개선한 것이 제3도이다. 그림에서 메세지에 대한 식별자(Message Identifier)는 해당 메세지가 프로세스들 사이에서 식별되는 역할을 수행하고, 메세지 몸체(Message Body)는 실제 프로세스들 사이에서 전달되는 메세지의 내용을 포함하는 부분이 된다.

다음으로는 본 발명의 핵심인 중요도(Importance) 항목이 나오는데, 중요도는 기본적으로 해당 메세지가 중요한 지 그렇지 않은 지에 대한 척도라고 보면 되겠다. 다시 말하자면 대상이 되는 메세지가 긴급히 처리되어야 하거나 또는 대상이 되는 메세지가 반드시 전달되어야 함을 의미하게 된다. 따라서 중요도는 상기 두 가지 요소 즉 대상이 되는 메세지가 긴급히 처리되어야 함을 나타내는 긴급성과 대상이 되는 메세지가 긴급히 처리되어야 함을 나타내는 필수성으로 이루어지고, 긴급성과 필수성의 값은 그 크기에 따라 해당 메세지가 더 빨리 혹은 더 늦게 처리되는 기준으로 작용한다. 긴급성은 가장 높은 타스크(Task) 우선순위(Priority)에서 그 메세지를 요청한 타스크의 우선순위 값을 뺀것이 되고, 필수성은 초기에는 0 으로 있다가 메시지 큐에서 메세지가 처리될 때마다 남아있는 메세지에 대해 10 씩 증가시킨 값이 된다. 이렇게 유지되는 두 가지 값을 합하여 중요도를 측정하게 된다.

상기와 같은 메세지 형태를 가지고, 실시간 운영체제는 메세지 방식의 IPC을 수행하게 되며 메세지 큐에 들어가 있는 메세지들 중에서 가장 중요도가 높은 메세지를 스케쥴링하게 된다. 이러한 스케쥴링 방법은 기존에 커널에 있는 메세지 처리 방법 알고리즘의 수정이 필요하게 되는데 그의 개괄적인 흐름이 제4도에 나타나 있다. 스케쥴링 알고리즘의 변경으로 인한 실시간 운영체제의 다른 부분에 대한 변경은 없으며 단지 메세지 형태를 저장하는 자료구조가 제3도를 반영할 수 있도록 항목들이 구성되며 메세지 큐의 운영 방법이라던가 처리방법이 바뀔 뿐이다.

한편 메세지를 기반으로한 IPC을 수행하는 실시간 운영체제에서는 해당 메세지의 전달방법이 실시간 운영체제를 이용하여 구축된 실시간 시스템의 전체 성능에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 발명에서는 메세지의 전달되어 처리되는 방법을 중요도에 따르도록 개선하는 개선된 알고리즘을 제시하였다.

이러한 방법이 구체적으로 동작되는 상황을 제5도에 도시하였다. 제5도에서는 두 개의 타스크가 존재하는데, 타스크1은 특정한 메세지 큐 식별자를 가진 메세지가 자신에게 도착되기를 기다리려고 메세지 큐의 대기 행렬에 들어가 있고, 타스크2는 특정한 메세지 큐 식별자를 가지고 있는 메세지를 메세지큐 대기 행렬에 쌓는 역할을 하고 있다. 중간에 타스크1. 타스크2 등에서 처리되기를 원하는 메세지들에 대한 관리를 담당하는 부분인 메세지 처리부가 있다. 이러한 타스크들이 메세지 큐에 메세지를 보내는 시스템 호출(이하 QPost라 함)에 대한 흐름도는 제4도에 도시되어 있고, 타스크가 메세시 큐에 들어온 메세지를 가져가는 시스템 호출(이하 QPend라 함)에 대한 흐름도는 제6도에 기술되어 있다.

제5도에서 타스크1이 수행되다가 QPend에 이르게 되면 큐고유번호1(Qid#1)을 가진 메세지를 기다리게 된다. 이렇게 QPend가 수행이 되면 제6도에서 보여주는 것과 같이 해당 큐 고유번호1(Qid#1)이 도착되지 않았을 때는 높은 우선 순위를 가지는 다른 타스크로 타스크전이가 일어나고, 도착했을 때는 해당 타스크가 수행을 계속한다. 여기서 타스크1이 메세지를 기다리는 상황이라면 적절한 메세지가 다른 타스크에서 메세지큐를 보내어 져야만 하는데 이런 역할을 하는 것이 타스크2이다. 타스크2는 QPost라는 시스템 호출을 사용하게 되는데 이는 제4도에서 보여준 바와 같이 QPend에 의해 적절한 메세지를 받기를 원하는 타스크에 대해 메세지를 주는 역할을 한다. 따라서, 타스크1과 타스크2는 메세지 큐라는 자료구조를 가지고 서로 연결되어 동기되는 형태를 취하고 있다.

한편, 어느 타스크에서 QPost를 수행하였을 때 메세지 큐에 해당 메세지를 전달하여 적절한 형태를 재구성하게 되는데 기준이 되는 인자가 바로 중요도이다. 여기서 적절한 형태란 메세지들이 있는 메세지 큐에서 중요도에 따라 메세지들이 내림차순으로 정렬되는 것을 의미한다. 이렇게 중요도에 따라 정렬되는 방법이 제4도에 제시되어 있다. 그러므로 메세지큐에는 중요다가 높은 메세지가 그렇지 못한 메세지보다 항상 메세지 큐의 위치상 뒤에 있게 된다. 이의 결과는 중요도가 높은 메세지가 먼저 처리되는 상황으로 연결된다. 따라서 본 발명이 목표로 하고 있는 중요도가 높은 메세지의 처리가 빨리 처리된다는 원칙을 만족하게 된다.

제7도에서는 여러개의 타스크들이 본 발명에 의해 적절히 동작되기 위한 초기 조건을 나타내는 상황를 도시하고 있는 것이다. 먼저 t1과 t2는 정보 상황을 처리하는 타스크1, 타스크2를 나타내고, t3와 t4는 일반 응용을 처리하는 타스크3, 타스크4를 나타낸다. 그리고 t1과 t3은 메세지 큐에 대하여 펜드(pend)를 수행하고, t2와 t4는 포스트(post)를 수행한다. 제8도는 제7도의 자료에 근거하여 메세지 큐가 처리되는 방법을 도시하고 있다.

제8도에서 원번호는 메세지 큐의 상태를 변경하는 상태점이 되며, 각 상태점에서의 아래로 꺽어진 부분은 제4도와 제6도와 같이 운영체제가 포스트/펜드(post/pend)를 처리하는 시간을 나타내는 것이다. 그 아래에 도시한 것은 메세지 큐가 각 상태에서 어떻게 유지되고 있는 지를 나타낸다.

이에 대한 설명을 하면 다음과 같다. 먼저 t2가 우선순위가 가장 높으므로 먼저 수행된다. 그러면 t2에 있는 메세지큐에 대한 시스템 호출인 QPost를 부르게 된다. 그러면 제4도에 의거하여 한 개의 메세지 Q11(Q1:큐식별자, 1:내부적인 순서)가 메세지 큐에 들어가게 된다. 이 상황이 ①에 나타나 있다. Q11은 Q1 식별자를 가진 메세지의 가장 첫번째 것이라는 의미이다. 이때 Q11의 중요도는 최대 우선순위에서 QPost를 부른 다른 타스크의 우선 순위를 뺀 165에 필수성 항목의 초기값 0 이 더해져서 165가 된다. 이후 t3에 중앙처리 장치 제어권이 넘어가서 Q2에 대한 메세지를 요구하는 QPend를 호출하게 된다. t3에 제어권이 넘어가는 이유는 t2가 어떤 이유로 인해서(자체적으로 지연(delay)되는 것과 같은 경우) 중앙처리 장치를 사용할 수 없는 타스크 상태에 있기 때문이다. 즉 준비(ready) 상태가 아니다. 따라서 제어권을 받은 t3은 ②의 상태에 이르게 된다. ②는 메세지 식별자 Q2에 대한 QPend 상태이므로 해당되는 메세지가 메세지 큐에 있는지 여부를 검사한다. 하지만 ①에서의 메세지 큐 상태가 아직까지 바뀌지 않았으므로 처리되는 메세지가 없으므로 t3는 아무일도 메세지 큐에 대해 하지 못하고 제어권을 t4에 넘기게된다. t4가 수행되면서 ③의 상태에 이르면 Q2에 대한 QPost를 호출하게 된다. 따라서, 메세지 큐의 상태를 보면 아직까지 처리되지 못한 메세지 Q11에 방금 전달된 Q21이 덧붙여서 중요도에 따라 내림차순으로 정려된 것이 상태 ③과 같다. 여기서 유의점은 상태 ①에서 있었떤 Q11 의 중요도는 필수성 항목이 10 이 증가되므로 전체적으로 175가 되었다. 그리고 Q21의 중요도는 Q2에 대한 post 요구가 발생한 타스크의 우선순위가 100 이므로 155가 된다. ④도 ①과 같은 개념으로 Q12가 추가되어 뒤에 들어가고 나머지 2개(Q11, Q21)는 내림차순으로 정렬된다. ⑤의 상태에 이르면 t1에서 Q1에 대한 QPend 시스템 호출을 수행하므로 맨 앞에 있는 중요도가 제일 높은 메세지가 먼저 처리된다. 이와 같은 방법으로 ⑦까지 수행하게 된다.

한편 본 발명은 상기 메세지큐 뿐만 아니라 기존의 다른 IPC 기법에도 응용되어 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 데이타처리 시스템에서 운용되는 운영체제의 IPC 방법은 프로세스간 통신이 실시간 운영체제에서 상당히 큰 비중을 차지하고 있다는 점을 고려할 때, 실시간 운영체제가 효율적인 IPC 메카니즘을 갖게 함으로써 이를 채택하고 있는 시스템의 실시간성을 확보하게 하고 전체 성능향상에도 큰 도움을 줄 수 있다.

Claims (4)

1. 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제에서의 프로세스간 통신방법에 있어서, 메세지에 중요도를 부여하여 메세지를 생성하는 단계; 상기 생성된 메세지들을 메세지의 송신과 수신을 매개하는 기억장소(매개기억장소)에 보내는 시스템 호출이 발생할 때 마다, 중요도 값을 수정하고, 수정된 중요도에 따라 메세지들을 정렬하여 상기 매개기억장소에 저장하는 단계; 및 상기 매개기억장소에 저장된 메세지를 처리하는 단계를 포함하며, 상기 중요도는 프로세스의 처리의 긴급성의 정도를 나타내는 긴급도 및 프로세스의 처리가 반드시 이루어져야 하는 정도를 나타내는 필수도에 의해 결정됨을 특징으로 하는 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신방법.
2. 제2항에 있어서, 상기 긴급도는, 타스크가 매개기억장소에 메세지를 보내는 시스템 호출을 한 프로세스 자신의 우선순위와 시스템에서 허용하는 최대 우선순위의 차에 의해 결정됨을 특징으로 하는 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 필수도는, 정해진 초기값을 가지며, 타스크가 매개기억장소에 메세지를 보내는 시스템 호출 및 타스크가 매개기억장소에서 메세지를 가져가는 시스템 호출이 발생할 때마다 상기 매개기억장소에 있는 모든 메세지의 필수도가 정해진 값만큼 증가함을 특징으로 하는 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 메세지를 정렬하는 단계는, 중요도의 값이 큰 메세지부터 순서대로 상기 매개기억장소의 앞에 위치하도록 정렬하고, 상기 매개기억장소의 메세지를 처리하는 단계는, 상기 매개기억장소의 앞에 위치한 메세지부터 먼저 처리함을 특징으로 하는 데이타처리시스템에서 운용되는 운영체제의 프로세스간 통신방법.