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서양민(Yangmin Seo),박정근(Jungkeun Park),홍성수(Seongsoo Hong) 한국정보과학회 1998 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2Ⅲ
내장 실시간 시스템이 높은 우선순위의 비동기적 이벤트를 적시에 처리하려면 필수적으로 적은 비용의 선점 다중쓰레드를 지원해야 한다. 사용자 레벨 쓰레드는 커널 레벨 쓰레드 보다 적은 비용의 유연한 추상적 기법들을 제공하지만, 기존의 실시간 시스템에서는 스케쥴링과 시그날(signal) 처리가 단순하다는 이유로 커널 레벨 쓰레드가 선호되어 왔다. 본 논문에서는 내장 실시간 시스템에 적합한 새로운 사용자 레벨 다중쓰레드 방식을 제안한다. 이 기법은 가상 쓰레드(virtual threads)와 개선된 스케쥴링 이벤트 업콜(scheduling event upcall) 메카니즘을 기반으로 한다. 가상 쓰레드는 사용자 레벨 쓰레드에게 커널 레벨의 실행 환경을 제공할 수 있도록 사용자 레벨 쓰레드를 커널 레벨로 형상화한 것이다. 이 쓰레드는 필요에 의해 잠시동안 사용자 레벨 쓰레드에 묶이는 수동적인 존재이다. 스케쥴링 이벤트 업콜 메카니즘은 쓰레드 블록킹과 타이머 만기와 같은 커널 이벤트를 유저 프로세스에게 전달할 수 있게 한다. 본 논문의 개선된 업콜 방식은 scheduler activation과 시그날과 같은 전통적인 업콜 구조에서 예측하기 힘든 요소들을 배제했다. 순간적인 시스템의 과부하 상황에서도 이벤트를 놓치지 않으면서 커널과 유저 프로세스의 비싼 동기화 작업들을 피할 수 있도록 하는 잠금(lock)이 필요 없는 이벤트 큐를 사용한다. 본 기법은 서울대학교 실시간 운영체계 실험실에서 구현한 ARX위에서 완벽하게 구현되었다. ARX 사용자 레벨 쓰레드가 사용자 레벨 쓰레드의 장점을 손상하지 않으면서 솔라리스와 윈도즈 98과 같은 상용 운영체제의 커널 쓰레드보다 성능이 우수함을 실험적 비교에 의해서 입증한다.
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실시간 시스템을 위한 선점형 사용자 레벨 쓰레드의 설계
서양민(Yangmin Seo),박정근(Jungkeun Park),홍성수(Seongsoo Hong) 한국정보과학회 1999 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.26 No.9
내장 실시간 시스템에서는 높은 우선순위의 비동기 이벤트들을 시의적절하게 처리하기 위해 낮은 비용을 갖는 선점에 기초한 다중 쓰레딩을 지원해야만 한다. 일반적으로 유저 레벨 쓰레드는 커널 쓰레드에 비하여 낮은 비용으로 훨씬 유연한 기능을 제공한다. 반면, 실시간 시스템에서는 커널 쓰레드가 단순한 쓰레드 스케쥴링과 시그널 처리를 할 수 있기 때문에 유저 쓰레드에 비해 훨씬 선호되어 왔다. 본 논문에서는 내장 실시간 시스템에 적합한 새로운 개념의 유저 레벨 다중 쓰레딩 기법을 제안한다. 이 기 법은 가상 쓰레드(virtual thread) 와 스케쥴링 이벤트 업콜(scheduling event upcall) 방식으로 구성된다. 가상 쓰레드는 유저 쓰레드의 커널 레벨의 체현 (incarnation)으로 유저 쓰레드가 커널에서 수행하기 위한 환경을 제공한다. 이것은 가상 쓰레드는 스케쥴링 되지 않는 수동적인 객체이며, 스케쥴링은 필요할 때마다 연결되는 유저 쓰레드에 의해 이루어짐을 의미한다. 스케쥴링 이벤트 업콜은 쓰레드가 커널에서 블록하거나 타이머의 만기될 때와 같이 커널에서 발생하는 이벤트들을 유저 프로세스에게 효율적으로 전달하기 위해 개발된 기법이다. 이 기법에서는 잠금(lock)없이 접근할 수 있는 커널/유저 공유 큐를 사용하여 커널에서 발생한 이벤트들을 유저에게 전달한다. 그 결과 순간적인 과부하 상태에서도 이벤트를 소실하지 않고 안전하게 유저에게 전달할 수 있다. 본 논문에서 제안된 기법들은 유지 레벨 인터럽트, 실시간 쓰레드 인터페이스와 같은 실시간 시스템을 위한 기법들과 함께 서울대학교에서 개발한 Arx 실시간 운영체계에 성공적으로 구현되었다. 본 논문의 실험 결과를 통해서 알 수 있듯이, 우리의 유저 레벨 쓰레드 기법은 유저 레벨 쓰레드가 갖는 본래의 장점을 유지하면서도 Solaris나 Windows와 같은 상업용 운영체제가 제공하는 커널 쓰레드에 비해 높은 성능을 제공한다. In real-time systems, it becomes imperative to support preemptive multithreading at a low cost in order to timely respond to high priority asynchronous events. Although user-level threads provide more flexible abstraction with lower overhead than kernel-level threads, kernel-level threads are more favored in real-time systems due to their simpler thread scheduling and signal handling. In this paper, we present a new user-level multithreading scheme suitable for real-time systems. It consists of virtual threads and a new scheduling event upcall mechanism. A virtual thread is a kernel-level incarnation of a user-level thread that provides for a kernel-level execution environment. It is a passive entity which is temporarily bound to a user-level thread, when necessary The scheduling event upcall mechanism enables the kernel to notify user processes of kernel events such as thread blocking and timer expiration. For our upcall scheme, we have eliminated unpredictable and nondeterministic components from traditional upcall schemes such as scheduler activations and signals. Our scheme makes use of a lock-free event queue which allows both the kernel and user processes to avoid costly synchronization operations without losing any events even in a transient overload. We have fully implemented the proposed schemes along with several other real-time system supports such as user-level interrupts, user-level timers, and real-time thread interlaces in the Arx real-time operating system that we have developed at Seoul National University Our experimental results show that these schemes outperform kernel threads that can be found in commercial operating systems such as Solaris and Windows 98, without compromising the benefits of user-level threads.
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ARX 실시간 운영체계에서의 효율적인 사용자 레벨 입출력
서양민(Yangmin Seo),박정근(Jungkeun Park),홍성수(Seongsoo Hong) 한국정보과학회 1998 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2Ⅲ
사용자 레벨 입출력은 유연성 있고 효율적인 디바이스 드라이버를 만들 수 있게 해주기 때문에, 내장 실시간 시스템에서 그 중요성이 더해가고 있다. 내장 실시간 시스템에서 사용자 레벨 입출력을 지원하기 위해서는 운영체계가 입출력 장치에서 발생한 외부 인터럽트를 프로세스에 예측 가능하고 효율적인 방법으로 전달할 수 있는 방법을 제공해야 한다. 본 논문에서는 새로운 사용자 레벨 시그널 처리 기법을 기반으로 한 효율적인 사용자 레벨 입출력 기법을 제안한다. 제안된 기법은 동적 가상 쓰레드 바인딩(dynamic virtual thread binding)과 스케줄링 이벤트 업콜(scheduling event upcall)등의 다중 쓰레딩을 지원하기 위한 커널 구초를 이용하여 기존 시그널 처리의 문제점을 해결한다. 본 논문에서는 제안된 기법을 ARX 실시간 운영체계상에 구현하여 그 성능을 측정하였다. 실험결과 제안된 기법은 적은 부하로 외부에서 발생한 인터럽트를 사용자 프로세스에 예측 가능한 시간에 전달한다.
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자바 가상 머신을 통한 ARX 쓰레드 라이브러리의 성능 측정
서양민(Yangmin Seo),박정근(Jungkeun Park),김기정(Ki-jung Kim),홍성수(Seongsoo Hong) 한국정보과학회 1998 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2Ⅲ
쓰레드는 프로그램의 동시성을 표현하는데 적합하고, 프로세스 모델에 비하여 동기화나 문맥교환의 비용을 줄일 수 있어 기존의 멀티 프로세스 프로그래밍을 대체하고 있다. 운영체계에서 멀티쓰레딩 환경의 제공은 이제 필수적이며, 좋은 성능을 위해서는 운영체계의 지원이 필요하다. ARX 실시간 운영체계는 유저 레벨 멀티쓰레딩을 지원하고 있으며 쓰레드의 성능을 높이고 유저 레벨에서 실시간 스케쥴링이 가능하도록 하기 위하여 동적 가상 쓰레드 바인딩(dynamic virtual stack binding)과 스케쥴링 이벤트 업콜(scheduling event upcall)등의 기법을 지원한다. 본 논문에서는 자바 가상 머신을 통하여 ARX 운영체계의 쓰레드 라이브러리의 성능을 측정하고 다른 운영체계의 멀티쓰레드 라이브러리와 성능 비교를 하였다. 실험 결과 ARX가 제공하는 쓰레드 라이브러리가 다른 운영체계에 비해 우수한 성능을 보여줌을 확인하였다.
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ARX / ULTRA : 유저 레벨 쓰레드를 지원하는 새로운 실시간 커널 구조
홍성수(Seongsoo Hong),서양민(Yangmin Seo),박정근(Jungkeun Park) 한국정보과학회 1997 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2Ⅳ
본 논문에서는 유저 레벨 쓰레드를 지원하는 실시간 커널 구조를 제안한다. 유저 레벨 쓰레드가 동시성을 표현하고 응용 프로그램을 구조화하는데 필수적인 방법을 제공하지만, 시그널 처리나 쓰레드 스케쥴링의 어려움으로 인해 실시간 프로그램에는 널리 사용되지 못하였다. ARX는 이 문제에 대한 명확하고 효율적인 방법을 제공한다. 첫째, 커널에서 블럭된 쓰레드가 프로세스 전체를 블럭할 수 없도록 동적 스택 바인딩(dynamic stack binding)기법을 제공한다. 둘째, 응용 프로그램이 원하는 방식에 따라 쓰레드를 스케쥴링할 수 있도록 커널의 이벤트를 효율적으로 유저 스케쥴러에 전달하기 위한 방법으로 스케쥴링 이벤트 upcall 기법을 제공한다. upcall에 의해 발생하는 오버헤드를 줄이기 위해 커널은 유저 스케쥴러를 lock-free하게 작성할 수 있는 방법과 기준 모델을 제공한다.
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