임베디드 리눅스

1. 개요

임베디드 리눅스는 데스크톱 및 서버 외에도 다양한 CPU에 이식되어 사용되는 리눅스 커널 기반 운영 체제이다. 소스 코드가 무료로 공개되어 전 세계 개발자들의 지속적인 개발이 이루어지고 있으며, 다양한 임베디드 시스템에 활용된다. 장점으로는 로열티 및 라이선스 비용이 없고, 소스 코드 수정 및 재배포가 자유로우며, 풍부한 미들웨어와 개발 환경을 제공한다는 점이 있다. 단점으로는 메모리 점유 공간이 상대적으로 크고, 장치 드라이버 프레임워크가 복잡하다는 점이 있다. 안드로이드, 타이젠, 우분투, OpenWrt 등 다양한 배포판이 존재하며, PDA, 스마트폰, 가전 제품 등 광범위한 분야에서 사용된다. 임베디드 리눅스와 관련된 특허 문제도 존재하며, 오픈 발명 네트워크(OIN)와 같은 특허 풀이 운영되고 있다.

2. 역사

리눅스는 데스크톱, 서버 컴퓨터의 프로세서뿐만 아니라 ARM, AVR32, ETRAX CRIS, FR-V, H8300, IP7000, m68k, MIPS, mn10300, 슈퍼H, Xtensa 등 다양한 중앙 처리 장치(CPU)에 이식되어 왔다. GNU/리눅스는 소스 코드를 완전 무료로 공개하여 전 세계적으로 약 5백만 명이 넘는 프로그램 개발자 그룹을 형성하게 되었으며, 이들에 의해 지속적인 업그레이드가 이루어지고 있다.

임베디드 리눅스 커널 서브셋은 구형 또는 낮은 사양 컴퓨터 하드웨어에 적합하도록 플로피 디스크에 담을 수 있는 리눅스 배포판 형태로 개발되었다.

3. 장단점

임베디드 리눅스는 상업용 임베디드 운영 체제와 비교하여 다음과 같은 장단점을 가진다.

3.1. 장점

임베디드 리눅스는 상업용 임베디드 운영 체제와 비교했을 때 다음과 같은 장점이 있다.

* 다양한 소프트웨어, 개발, 지원 공급 업체가 존재한다.
* 로열티나 라이선스 비용이 없다.
* 커널이 안정적이다.
* 소스 코드를 자유롭게 수정하고 재배포할 수 있다.

이는 자유 소프트웨어/오픈 소스 소프트웨어로서의 특징뿐만 아니라 기술적인 우위도 있다는 것을 의미한다.

3.2. 단점

임베디드 리눅스는 비교적 큰 메모리 점유 공간(커널 및 루트 파일 시스템)을 차지하고, 사용자 모드와 커널 모드 메모리 접근이 복잡하며, 장치 드라이버 프레임워크가 복잡하다는 기술적인 단점이 있다.

4. 종류

리눅스는 데스크톱, 서버 컴퓨터의 프로세서뿐만 아니라 여러 중앙 처리 장치에 이식되었다. 예를 들면 ARM, AVR32, ETRAX CRIS, FR-V, H8300, IP7000, m68k, MIPS, mn10300, 슈퍼H, Xtensa 등이 있다. GNU/리눅스는 소스 코드를 완전 무료로 공개하여 전 세계적으로 약 5백만 명이 넘는 프로그램 개발자 그룹을 형성하였으며, 이들에 의해 지속적인 업그레이드가 이루어지고 있다.

임베디드 리눅스 커널 서브셋은 구형 또는 낮은 사양 컴퓨터 하드웨어에 적합하도록 플로피 디스크에 담을 수 있는 리눅스 배포판이다.

5. 활용 분야

리눅스는 저렴한 비용과 사용자 정의가 쉽다는 장점 덕분에 다양한 소비자 기기에 탑재되었다. 샤프 자우루스와 같은 PDA, 톰톰 GPS 내비게이션 기기, 링크시스 WRT54G 시리즈와 같은 가정용 게이트웨이, 모토로라 exz 시리즈, 오픈모코 핸드셋, Jolla의 Sailfish OS를 실행하는 Jolla C 및 Intex Aqua Fish, 노키아 N900 및 노키아 N9과 같은 스마트폰 등이 그 예이다.

구체적인 제품들은 다음과 같다.

5.1. 스마트폰 및 태블릿

안드로이드는 구글이 2008년에 인수하여 확장한 리눅스 커널 기반 운영체제로, 스마트폰과 태블릿 컴퓨터의 주요 플랫폼으로 자리 잡았다. 2012년 7월, 미국의 안드로이드 스마트폰 시장 점유율은 52%였으며, 2015년 2분기에는 전 세계적으로 82%에 달했다.

모토로라는 RAZR² V8, RAZR² V9, ROKR E2, ROKR E6, A780, E680, A910, A1200, U9, E8 등의 모델에 임베디드 리눅스를 탑재했으며(MontaVista 등이 기반), DROID, Motorola Milestone 등의 모델에는 안드로이드를 기반으로 하였다.

일본에서는 NTT 도코모가 제정한 MOAP(L) 및 ALP 기반의 FOMA 단말기용 오퍼레이터 팩에 리눅스가 사용되고 있다. 파나소닉 모바일 커뮤니케이션즈는 FOMA P702iD, P901iTV, P902iS, P903i, P901i 등의 모델에 MOAP(L)을 기반으로, P-02B에는 FOMA 단말기용 오퍼레이터 팩을 기반으로 리눅스를 탑재하였다.

NEC는 FOMA N900iL, N901iC, N902iL, N902iL onefone, N902iX, N903i, N904i, N905i, N905iμ, N906i, N906iμ 등과, N-01B, N-02B 등의 FOMA 단말기용 오퍼레이터 팩 기반 모델, SoftBank 820N, SoftBank 821N, SoftBank 830N, SoftBank 831N, SoftBank 840N, SoftBank 841N, SoftBank 930N, SoftBank 931N, SoftBank 940N, SoftBank 001N 등의 모델에 리눅스를 탑재했다.

소니 모바일 커뮤니케이션즈는 SO705i, SO706i 등의 MOAP(L) 기반 모델과 Xperia SO-01B 등의 안드로이드 기반 모델을 출시했다.

샤프는 IS01 등의 안드로이드 기반 모델을 출시했다.

5.2. 가전 제품

대한민국에서는 네트워크 연결이 가능한 하이엔드급 TV에 거의 리눅스가 탑재되어 있다.

5.3. 기타 기기

GPS 내비게이션, 라우터, 게임 콘솔, 산업용 로봇 등 다양한 분야에서 임베디드 리눅스가 활용되고 있다. 예를 들어 톰톰 GPS 내비게이션 기기, 링크시스 WRT54G 시리즈와 같은 가정용 게이트웨이 등이 있다.

게임 콘솔의 경우, 플레이스테이션 2에서는 PS2 리눅스가 하드웨어와 함께 발매되었고, 플레이스테이션 BB 유닛에도 리눅스가 사용되었다. 플레이스테이션 3에서는 리눅스 설치를 지원했지만, 신형 출시와 펌웨어 업데이트로 인해 해당 기능이 제거되었다. Xperia Play나 ODROID와 같은 안드로이드 기반 휴대용 게임기도 등장했다. 그 외에도 GP2X/GP2X Wiz, LeapFrog Didj, Pandora, EVO 스마트 콘솔 등에서 임베디드 리눅스가 사용되었다. 밸브 코퍼레이션의 Steam Deck도 SteamOS를 사용한다.

산업용 로봇 분야에서는 산업기술종합연구소의 HRP-2m Choromet, HRP-4C(ART Linux), 후지쯔의 HOAP-1, HOAP-2, HOAP-3 (RT-Linux), 후지소프트의 PALRO (Ubuntu) 등이 임베디드 리눅스를 활용한다.

스타링크와 스페이스X는 자사의 위성망과 로켓에 임베디드 리눅스를 사용한다.

6. 개발 환경

임베디드 리눅스는 이식성이 뛰어나 데스크톱 컴퓨터나 서버뿐만 아니라 임베디드 시스템에도 많이 사용된다. 자유 소프트웨어/오픈 소스 소프트웨어로서 기술적 우위, 적은 메모리 사용량, 안정적인 동작, 큰 지원 기반 등의 이점을 가진다.

임베디드 리눅스는 리눅스 커널에 소수의 자유 소프트웨어를 조합한 것이다. 표준 C 라이브러리로는 glibc 대신 더 적은 리소스를 사용하는 dietlibc, uClibc, Newlib 등이 사용되기도 한다.

그레그 크로-하트만은 리눅스 드라이버 개발 키트를 출시했으며, 리눅스 재단은 개발 훈련 강좌와 무료 웹 세미나를 제공하고 있다.

임베디드 리눅스에 사용되는 오픈 소스 미들웨어로는 BusyBox와 같이 모든 기능이 통합된 방식이나, Samba, WebKit, FreeType 등과 같이 독점적인 대체제가 적고 중요한 것들이 있다. Maemo, Moblin, 안드로이드처럼 미들웨어 대부분을 오픈 소스로 다시 개발하거나, Palm webOS처럼 오픈 소스 소프트웨어를 조합하여 사용하기도 한다. 멀티미디어의 경우, GStreamer를 통해 하드웨어 디코더와 FFmpeg를 백엔드로 사용하는 경우가 많지만, 안드로이드에서는 OpenCore가 사용된다.

임베디드 리눅스 개발에는 이클립스나 상용 제품이 많이 사용되며, 특정 OS에 특화된 플러그인도 존재한다. 또한, 개발에는 에뮬레이터인 Qemu나 분산 컴파일을 위한 distcc, icecc 등도 사용된다. (개발 도구에 대한 더 자세한 내용은 하위 섹션을 참고)

리눅스의 임베디드 용도 사용을 추진하는 업계 단체가 몇몇 결성되어 활동하고 있다. (커뮤니티 및 표준화에 대한 더 자세한 내용은 하위 섹션을 참고)

6.1. 개발 도구

임베디드 리눅스 개발에는 이클립스와 같은 통합 개발 환경(IDE)과 다양한 플러그인이 활용된다. 이클립스에서는 다음과 같은 플러그인이 사용된다.

Moblin Eclipse Plug-in이나 Android 개발 도구 (ADT) 등 특정 OS에 특화된 플러그인도 존재한다.

개발에는 에뮬레이터인 Qemu나 분산 컴파일을 위한 distcc, icecc 등도 사용된다.

6.2. 커뮤니티 및 표준화

소비자용 임베디드 기기가 보급되면서, 이러한 기기를 중심으로 사용자 및 개발자 커뮤니티가 형성되었다. 기기에 탑재된 리눅스 배포판을 교체하거나 개선하는 것이 종종 가능해졌는데, 이는 소스 코드의 공개와 해당 기기를 둘러싼 커뮤니티 덕분이다. 기기 수가 많아지면서 Yocto, OpenEmbedded, Buildroot를 포함한 표준화된 빌드 시스템이 등장했다.

7. 임베디드 리눅스 커널 기능

임베디드 리눅스는 다양한 CPU 아키텍처와 하드웨어 플랫폼에서 동작하도록 설계되었다.

* ARM, PowerPC, MIPS 등 다양한 CPU에 포팅되었다.
* MMU(메모리 관리 장치)가 없는 CPU에서도 동작 가능하다(CONFIG\_MMU=n).

또한, 제한된 자원을 효율적으로 사용하기 위한 기능들을 제공한다.

* XIP(실행)
* romfs, cramfs, SquashFS 등 읽기 전용 파일 시스템
* Linux Tiny 등을 이용한 커널 크기 축소
* 단일 프로세서에 최적화 (CONFIG\_SMP=n)
* ramzswap(compcache)를 이용한 메모리 내 압축 스왑
* JFFS2, UBIFS 등 NAND형 플래시 메모리 직접 사용

임베디드 리눅스는 까다로운 실시간 응용 분야에도 사용될 수 있도록 다음과 같은 기능들을 제공한다.

* YAFFS2 등 빠른 마운트 속도를 제공하는 파일 시스템
* 소프트 실시간 (CONFIG\_PREEMPT)
* 하드 실시간 (CONFIG\_PREEMPT\_RT 패치 세트)
* rlimit, cgroups 등을 이용한 사용자 애플리케이션 리소스 제한
* 샌드박스 (seccomp)
* 컨테이너 (LXC)
* Ksplice를 이용한 재부팅 없는 보안 패치

8. 다른 임베디드 OS와의 비교

임베디드 리눅스는 다른 상업용 임베디드 운영 체제와 비교했을 때 다음과 같은 장점과 단점을 가진다.

임베디드 리눅스는 ARM, PowerPC, MIPS 등 다양한 CPU에 포팅되어 널리 사용되고 있으며, 독점 소프트웨어 운영 체제 및 관련 툴체인 대신 사용되기도 한다.

저렴한 비용(무료 소스 코드)과 손쉬운 사용자 정의 기능 덕분에 리눅스는 샤프 자우루스 (PDA), 톰톰 GPS 내비게이션 기기, 링크시스 WRT54G 시리즈 (가정용 게이트웨이), 모토로라 exz 시리즈, 오픈모코 핸드셋, Jolla의 Sailfish OS를 실행하는 Jolla C 및 Intex Aqua Fish, 노키아 N900, 노키아 N9 (스마트폰) 등 다양한 소비자 기기에 탑재되었다.

구글이 인수하여 확장한 리눅스 커널 기반 운영체제인 안드로이드는 스마트폰과 태블릿 컴퓨터 시장에서 경쟁력 있는 플랫폼으로 자리 잡았다. 2012년 7월 미국의 안드로이드 스마트폰 시장 점유율은 52%였으며, 2015년 2분기에는 전 세계적으로 82%에 달했다.

스타링크와 스페이스X는 자사의 위성망과 로켓에 임베디드 리눅스를 사용한다.

9. 실시간 성능

임베디드 리눅스 배포판이 모두 실시간 요구 사항을 충족하는 것은 아니다. 이는 특히 안전 필수 애플리케이션 및 시스템과 관련이 있다.

실시간 및 안전 필수 지원을 개발하기 위한 프로젝트로는 실시간 리눅스(PREEMPT RT)와 ELISA(리눅스 재단 산하)가 있다. 실시간 리눅스 프로젝트는 PREEMPT_RT 버전을 메인라인화하는 것을 목표로 한다.

9.1. 다른 마이크로커널과의 조합

임베디드 리눅스 배포판이 모두 실시간 요구 사항을 충족하는 것은 아니다. 이는 특히 안전 필수 애플리케이션 및 시스템과 관련이 있다.

실시간 리눅스(PREEMPT RT)와 ELISA(리눅스 재단 산하)는 실시간 및 안전 필수 지원을 개발하기 위한 프로젝트이다. 실시간 리눅스 프로젝트는 PREEMPT_RT 버전을 메인라인화하는 것을 목표로 한다.

다른 마이크로커널과 조합하여 사용되기도 하는데, 다음은 그 예시이다.

* RTAI (Adeos+리눅스)
* RTLinux (실시간 실행 환경+리눅스)
* Linux on ITRON (ITRON+리눅스)
* T-Linux (T-Engine+리눅스)
* L4-Linux (L4+리눅스)
* Litron (TOPPERS/JSP 커널+리눅스)
* 윈드리버 리얼타임 코어 for Linux (실시간 코어+리눅스)
* KURT-Linux
* ART-Linux

10. 관련 단체

CE Linux Forum, 리눅스 재단, Open Embedded Software Foundation, Linaro 등 여러 단체가 임베디드 리눅스 사용을 추진하고 있다. 이들 단체는 임베디드 리눅스 기술 표준화, 개발 지원, 커뮤니티 활성화 등 다양한 활동을 수행한다.

11. 플랫폼

* Qt Extended - 모바일 기기용 애플리케이션 플랫폼
* Openmoko - 휴대 전화용 플랫폼
* MeeGo - 리눅스 재단이 총괄하는 여러 기기용 플랫폼. 인텔과 노키아가 주도하였으며, Maemo와 Moblin을 통합하여 만들어졌다.
* Tizen - LiMo Foundation의 사양을 MeeGo에 통합하여 만들어진, 인텔과 삼성전자가 주도하는 휴대 전화용 플랫폼
* MOAP(L) - NTT 도코모가 주도하는 휴대 전화용 플랫폼
* Access Linux Platform - ACCESS가 주도하는 휴대 전화용 플랫폼
* Palm WebOS - Palm의 휴대 전화 플랫폼
* Android - 구글이 주도하는 휴대 전화, 태블릿용 플랫폼
* Ubuntu MID Edition - Canonical이 주도하는 모바일 인터넷 단말용 플랫폼
* OpenWrt - 라우터용 플랫폼
* DD-WRT - 라우터용 플랫폼
* OPIE - Qtopia (현 Qt Extended)의 파생
* Familiar Linux - PDA용 배포판
* JLime - 핸드헬드 컴퓨터용 배포판
* GPE Palmtop Environment - PDA용 애플리케이션 플랫폼
* OpenZaurus - 자우루스용 대체 OS

12. 특허 문제

임베디드 리눅스는 기반이 되는 리눅스 커널과 관련된 특허, 특히 소프트웨어 특허 문제가 존재한다.

12.1. 리눅스 커널에 포함된 특허

리눅스 커널에는 리드-복사-업데이트를 비롯하여 특허로 보호되는 몇 가지 기술이 사용되고 있다. 이러한 기술은 특허권자가 패치를 기고한 경우, 리눅스나 다른 오픈 소스 프로젝트에서 사용하는 것을 허가하는 경우가 많다. (이러한 특허 기술은 대부분 기업 직원이 리눅스 커널에 기여하면서 포함되는 경우가 많다.)

12.2. Open Invention Network (OIN)

오픈 발명 네트워크(OIN)는 2005년에 설립된 특허 풀로, 리눅스 및 관련 애플리케이션에 대해 자사 보유 특허를 행사하지 않기로 동의하는 기업, 단체, 개인이 참여한다. OIN과 라이선스 계약을 체결하면, OIN이 보유한 리눅스 관련 특허를 로열티 프리로 사용할 수 있다. 여기에는 Samba, Mono, 아파치 등이 이용하는 특허도 포함된다.

현재 OIN에는 IBM(메인프레임 및 AIX의 저작권 및 특허 보유), 노벨(유닉스의 저작권 및 유닉스 시스템 V의 특허 보유), 오라클(SunOS/Solaris의 특허 보유), HP(HP-UX 및 팜의 특허 보유), 시스코, 레드햇, 구글, 캐노니컬 (특히 이 3사는 FLOSS에 다수의 기여를 하는 기업으로 유명), 필립스, NEC, 소니, 후지쯔 제너럴, 후지쯔 등 수백 개의 기업, 단체, 개인이 라이선스 제공자 또는 라이선스 사용자로 참여하고 있다.

12.3. 마이크로소프트의 특허 주장

마이크로소프트는 2007년 5월, "소송을 제기할 의사는 없다"면서도 리눅스 커널이 자사의 특허 42건을 침해했다고 주장했다. 그러나 리누스 토르발스는 운영체제의 기본 이론이 1960년대에 성립되었다는 점을 들어 "마이크로소프트가 특허를 침해했을 가능성이 더 높다"고 반박하며, 구체적인 침해 내용 제시를 요구했다.

2009년 2월, 마이크로소프트는 톰톰의 리눅스 제품이 자사의 FAT 파일 시스템 관련 특허를 침해했다며 소송을 제기했다. (마이크로소프트 대 톰톰 사건 참조) 같은 해 3월, 이 소송은 화해로 마무리되었고, 문제가 된 리눅스의 FAT 파일 시스템 관련 코드는 이후 특허에 저촉되지 않는 형태로 수정되었다.

12.4. 기타 특허 분쟁

2010년, 애플은 HTC를 특허 침해로 제소했다. 애플이 침해했다고 주장하는 특허 중에는 OS 수준의 것도 포함되어 있다。 이 건으로 HTC는 구글 등의 파트너 기업과 협력하여 애플에 반소할 계획을 세우고 있다。 같은 해 4월, 마이크로소프트는 안드로이드가 특허를 침해하고 있다고 비난했고。 마이크로소프트와 협력 관계에 있던 HTC는 이 건으로 마이크로소프트와 특허 계약을 맺었다。 같은 해 4월, HP는 팜을 인수하여 팜이 보유한 1500건의 특허를 승계하게 되었다。 애플이 팜을 제소하지 않은 이유는 이러한 특허의 존재 때문이라는 소문도 있다。 팜은 Be의 BeOS에 관한 지적 재산을 인수했지만, 이러한 특허는 회사를 분할했을 때 PalmSource(현 ACCESS Systems)가 승계한 것으로 보인다.

12.5. 자유 소프트웨어 커뮤니티의 제언

자유 소프트웨어 재단(FSF)은 소프트웨어 특허 문제를 다룬 다큐멘터리 영화 Patent Absurdity를 공개했다. 이 영화는 빌스키 대 카포스 사건(Bilski v. Kappos)을 주제로 소프트웨어 특허 지지자와 반대자 양측의 의견을 모두 수록하였다.