FreeRTOS Semaphore와 Mutex 활용하기

FreeRTOS는 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 실시간 운영 체제(RTOS)로, 태스크 간 동기화 및 리소스 보호를 위한 다양한 동기화 메커니즘을 제공합니다. 이 글에서는 Semaphore와 Mutex를 활용하는 방법과 주요 차이점, 함수 사용법, 그리고 실제 사용 사례와 예제를 통해 FreeRTOS(CMSIS v1)에서 동기화를 구현하는 방법을 알아보겠습니다.

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1. Semaphore와 Mutex의 차이점

Semaphore

• 용도: 주로 태스크 간 신호 전달 또는 리소스 접근 허용/제어에 사용됩니다.
• 특징:
  • 카운팅 세마포어와 바이너리 세마포어로 나뉩니다.
  • 특정 리소스의 사용 가능 여부를 태스크 간에 관리합니다.
  • 태스크 간 신호 전달(Signal)이 주 목적입니다.

Mutex (Mutual Exclusion)

• 용도: 리소스 보호에 특화되어 있습니다.
• 특징:
  • 소유권(Ownership)을 가지며, 소유한 태스크만 Mutex를 해제할 수 있습니다.
  • 우선순위 역전(Priority Inversion)을 방지하기 위한 우선순위 상속(Priority Inheritance)을 지원합니다.
  • 리소스 보호(Resource Protection)가 주 목적입니다.

주요 차이점

구분	Semaphore	Mutex
용도	태스크 간 신호 전달	리소스 보호
소유권	없음	있음
우선순위 역전	방지하지 않음	우선순위 상속으로 방지
타입	바이너리/카운팅 세마포어	바이너리 뮤텍스

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2. osSemaphoreAcquire()와 osSemaphoreRelease() 함수 사용법

osSemaphoreAcquire

osStatus_t osSemaphoreAcquire(osSemaphoreId_t semaphore_id, uint32_t timeout);

• 설명: 지정된 세마포어를 획득합니다.
• 매개변수:
  • semaphore_id: 세마포어 식별자.
  • timeout: 대기 시간(밀리초 단위, osWaitForever 사용 가능).
• 반환값:
  • osOK: 성공적으로 세마포어를 획득함.
  • osErrorTimeout: 지정된 시간 내에 세마포어를 획득하지 못함.

osSemaphoreRelease

osStatus_t osSemaphoreRelease(osSemaphoreId_t semaphore_id);

• 설명: 세마포어를 반환합니다.
• 매개변수:
  • semaphore_id: 세마포어 식별자.
• 반환값:
  • osOK: 성공적으로 세마포어를 반환함.
  • osErrorResource: 세마포어가 이미 반환된 상태.

코드 예제

osSemaphoreId_t semaphore;

// 세마포어 생성
semaphore = osSemaphoreNew(1, 1, NULL);

// 세마포어 획득
if (osSemaphoreAcquire(semaphore, osWaitForever) == osOK) {
    // 임계 영역 코드

    // 세마포어 반환
    osSemaphoreRelease(semaphore);
}

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3. 리소스 보호를 위한 Mutex 사용 사례

Mutex를 이용한 리소스 보호

Mutex는 여러 태스크가 동일한 리소스를 사용할 때 데이터 무결성을 보장하는 데 유용합니다. 예를 들어, 공유 메모리 접근 시 Mutex를 사용하여 태스크가 순차적으로 접근하도록 제어할 수 있습니다.

코드 예제

osMutexId_t mutex;

// Mutex 생성
mutex = osMutexNew(NULL);

void Task1(void *argument) {
    while (1) {
        // Mutex 획득
        if (osMutexAcquire(mutex, osWaitForever) == osOK) {
            // 공유 리소스 접근
            printf("Task1: Accessing shared resource\n");

            // Mutex 반환
            osMutexRelease(mutex);
        }
        osDelay(100);
    }
}

void Task2(void *argument) {
    while (1) {
        // Mutex 획득
        if (osMutexAcquire(mutex, osWaitForever) == osOK) {
            // 공유 리소스 접근
            printf("Task2: Accessing shared resource\n");

            // Mutex 반환
            osMutexRelease(mutex);
        }
        osDelay(150);
    }
}

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4. 다중 태스크 간 동기화 예제

세마포어를 활용한 태스크 동기화

두 태스크 간에 세마포어를 사용하여 동기화를 구현할 수 있습니다. 아래 예제는 Task1에서 신호를 보낼 때 Task2가 해당 신호를 대기하고 동작을 수행하는 구조입니다.

코드 예제

osSemaphoreId_t semaphore;

void Task1(void *argument) {
    while (1) {
        // Task1에서 신호 전송
        osSemaphoreRelease(semaphore);
        printf("Task1: Semaphore released\n");
        osDelay(500);
    }
}

void Task2(void *argument) {
    while (1) {
        // Task2에서 신호 대기
        if (osSemaphoreAcquire(semaphore, osWaitForever) == osOK) {
            printf("Task2: Semaphore acquired\n");
        }
    }
}

int main(void) {
    // 세마포어 생성
    semaphore = osSemaphoreNew(1, 0, NULL);

    // 태스크 생성
    osThreadNew(Task1, NULL, NULL);
    osThreadNew(Task2, NULL, NULL);

    // OS 시작
    osKernelStart();

    for (;;);
}

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결론

FreeRTOS(CMSIS v1)에서 Semaphore와 Mutex는 태스크 간 동기화와 리소스 보호를 위해 필수적인 메커니즘입니다. Semaphore는 신호 전달 및 다중 리소스 접근에, Mutex는 단일 리소스 보호에 적합합니다. 적절한 동기화 메커니즘을 선택하고 사용하는 것은 안정적이고 효율적인 시스템 설계의 핵심입니다. 위의 설명과 예제를 활용하여 FreeRTOS 기반 프로젝트에서 Semaphore와 Mutex를 효과적으로 적용해 보세요.