[논문]MPSoC용 임베디드 소프트웨어 설계 및 검증을 위한 모델기반 프레임워크

하순회

문제 정의

이는 다양한 응용에 따라 가장 적합한 모델이 다를 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 특정한 모델을 선택하지 않고 다양한 모델을 지 원하는 환경을 개발한다. 현재 개발에 사용하고 있는 모델은 PeaCE 통합설계 환경에서 사용하는 PeaCE , 모델〔4〕 과, UML2.
범용 멀티프로세서 시스템과 달리 MPSoC 에서는 이형의 프로세서들로 구성되는 경우가 일반적이며 이 경우 마스터-슬레이브 구조나 코프로세서 구조로 구현하는 것이 간단하다. 이같이 다양한 경우에 동일한 태스크 코드를 재사용할 수 있도록 하기 위해서는 OS의 유무에 관계없이 동작하는 코드를 작성하는 것이 필요하며 이를 위하여 본 연구에서는 Generic APK 정의하였다. Generic API는 OS의 유무에 관계없이 정의되는 API이며 IEEE POSIX 1003.
프로 세서 별로 생성된 코드를 개별적으로 분석하여 메모리 오류와 프로세서 간의 통신 및 동기화와 관련된 오류를 정적 분석으로 검증한다〔6〕. 이렇게 정적 분석을 통하여도 걸러지지 않는 오류를 디버깅하기 위하여 마지막 단계로 가상 프로토타입 시스템을 이용한 검증 환경을 제공하도록 한다. 각 프로세서 시뮬레이터별로 디버깅 기능을 제공하도록 하고 병렬 디버깅 기능과 성능 분석 기능도 제공한다.
그러나 실제로 MP&Q를 개발함에 있어서 병목이 되는 것은 하드웨어 개발이 아니라 소프트웨어의 개발이다. 이에 본 연구에서는 MPSoC를 대상으로 임베디드 소프트웨어를 설계하고 검증하는 프레임워크를 개발하는 것을 목표로 한다.

가설 설정

예를 들어 PeaCE 모델의 경우에는 FSM 모델과 데이터 플로우 모델을 이용하여 태스크가 표현되는데, 모델 수준의 검증을 통하여 기능 블록 간 교착상태의 유무, 버퍼 오버플로우 상태의 유무 등을 점검할 수 있다. 단, 이 단계에서의 검증에서는 기능 블록이 오류 없이 동작하는 것을 가정한다. CIC 코드는 모델로부터 자동 생성되므로 CIC 수준에서는 오류가 없는 것을 보장한다.

제안 방법

두 번째 단계는 CIC 변환기를 통하여 프로세서 별로 생성된 코드의 정적 분석을 통하여 이루어진다. C 코드의 정적 분석을 통하여 검출할 수 있는 오류는 buffer overrun error, memory leak, zero dereferencing 등이며, 본 연구에서 개발된 정적 분석기는 오류 가능성이 있는 부분을 찾아서 사용자에게 정보를 제공한다. 사용자는 정적 분석기가 제공한 정보를 바탕으로 오류의 진정성을 검사하여 참 오류를 수정하도록 한다.
우선 모델 단계의 검증이다. 모델의 정형성을 이용하여 프로그램의 구문 에러를 분석하고 모델로부터 의 기능 시뮬레이션을 통하여 모델의 기능성을 검증한다. 두 번째 단계는 CIC로부터 각 프로세서 별로 코드가 생성된 다음에 이루어진다.
칩이 제작된 다음에는 소프트웨어를 변경할 수 없기 때문에 칩을 제작하기 전에 전체 시스템이 오류 없이 수행되는 것을 보장해야 하며 이는 매우 어려운 문제이다. 본 연구에서는 3단계에 걸쳐서 소프트웨어를 검증하도록 하여 오류의 검출율을 최대한 높이도록 한다. 첫 번째 단계는 모델 단계이다.
C 코드의 정적 분석을 통하여 검출할 수 있는 오류는 buffer overrun error, memory leak, zero dereferencing 등이며, 본 연구에서 개발된 정적 분석기는 오류 가능성이 있는 부분을 찾아서 사용자에게 정보를 제공한다. 사용자는 정적 분석기가 제공한 정보를 바탕으로 오류의 진정성을 검사하여 참 오류를 수정하도록 한다. 정적 분석기의 성능은 오류를 검출하는 속도와 아울러 오류의 진정성이 얼마인가에 의하여 결정된다.
그리고 프로세서 별로 나누어진 서브 태스크들의 수행 시간을 명세한다. 서브 태스크 별로 명세 된 수행 시간과 태스크들의 주기, 우선순위 등의 정보를 이용하여 각 프로세서별로 OS의 스케쥴 정책을 정하든지, OS가 없는 경우는 시 간 제약 조건을 만족하도록 런타임 시스템을 합성하도록 한다. "Structure" 부분에서는 태스크와 태스크 사이의 통신 방법을 기술하는데, 메시지 큐를 이용하는 통신 경로와 공유 메모리를 이용하는 통신 경로를 제공한다.
〔1〕. 시스템의 기능을 플랫폼에 독립적인 모델(PIM: Platform Independent Model)로 먼저 개발하고, 하드웨어 플랫폼 명세 사항을 입력으로 플랫폼에 종속적인 모델(PSM: Platform Specific Model)을 생성한 후, 타겟 프로세서에 탑재될 소스 코드를 생성하도록 하는 것이다. 이와 같은 모델기반 프로그래밍은 플랫폼에 독립적인 소프트웨어 모듈의 재사용성을 높임으로 해서 임베디드 소프트웨어의 설계 생산성을 크게 높일 수 있다.
CIC는 여러 모델을 동일한 프로그래밍 환경에서 사용하기 위한 중간단계의 표현이다. 여러 모델을 한 환경에서 사용하기 위한 일반적인 방법은 추상화 수준을 높인 메타모델을 정의하고 그 메타 모델로부터 개별 모델로 특화시키는 것이지만, 제안하는 기법은 그 반대로 추상화 수준을 낮춘 공통의 표현을 정의한 것이다. CIC는 그림 3에서와같이 “Architecture”와 "Task code”의 두 부분으로 구성된다.
(3)소프트웨어 자동생성 기술 : CIC로부터 주어진 타겟 아키텍처에 최적화된 코드를 자동으로 생성하도록 한다. 이를 위해서 OpenMP pragma 를 MPI library와 통신 API 등을 사용한 병렬 프로그램으로 변환하고, Generic API> 타겟 아키텍처에 최적화한 OS API 나 통신 API로 변환하도록 한다. 통신 API나 OS API는 타겟 아키텍처에 최적화된 라이브러리로 미리 준비되어야 한다.
MPSoC용 임베디드 소프트웨어를 개발하기 위해서는 이러한 단점들이 극복되어야 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 그림 1과 같은 모델기반의 프레임워크(가칭 HOPES) 을 제안한다.
제안하는 프레임워크에서는 각 모델로부터 CIC 코드를 자동으로 생성하도록 한다. 이를 위해서 모델로부터 각 프로세서별로 분할되는 서브 태스크를 정의하고 그에 해당하는 Task code를 위에서 정의한 _init0, _go0, _wrapup0 함수들로 나누어 자동으로 생성해 주어야 한다.
두 번째 단계는 CIC로부터 각 프로세서 별로 코드가 생성된 다음에 이루어진다. 프로 세서 별로 생성된 코드를 개별적으로 분석하여 메모리 오류와 프로세서 간의 통신 및 동기화와 관련된 오류를 정적 분석으로 검증한다〔6〕. 이렇게 정적 분석을 통하여도 걸러지지 않는 오류를 디버깅하기 위하여 마지막 단계로 가상 프로토타입 시스템을 이용한 검증 환경을 제공하도록 한다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 특정한 모델을 선택하지 않고 다양한 모델을 지 원하는 환경을 개발한다. 현재 개발에 사용하고 있는 모델은 PeaCE 통합설계 환경에서 사용하는 PeaCE , 모델〔4〕 과, UML2.0 기반의 모델이다.

이론/모형

(2) 실시간성 (Real-tim氓 constra函nts) : 임베디드 시스템의 일반적인 특징은 실시간 제약조건이 존재한다는 것이며 이를 해결하기 위하여 태스크의 우선순위에 기반을 둔 실시간 스케쥴링 기법을 사용한다. 널리 알려진 스케쥴 가능성 검사 기법은 단일 프로세서를 대상으로 한 것이기 때문에 MPSoC 와 같은 멀티프로세서 시스템에 직접 적용할 수 없다.
또한 표준의 변화나 사용자의 요구사 항이 계속 변화함에 따라 제품의 수명 주기가 짧아지고, 제품의 시장집입시간(Time-to-Market) 이 빨라지는 추세이기 때문에 소프트웨어의 생산성을 높이는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서도 모델 기반의 개발 방법론을 사용한다.
PeaCE 모델은 멀티 패러다임 모델링을 사용하고 있으며 다음 3가지 모델로 시스템을 명세한다. 멀티미디어 응용에서 핵심이 되는 신호 처리 알고리즘과 같이 계산 중심의 태스크를 명세하는 위해서 확장된 데 이 터 플로우 모델인 SPDF 모델〔8〕 을 사용한다. 시스템의 제어 기능을 담당하는 제어 태스크의 명세를 위해서는 계층성과 병렬성을 표현한 statechart 의 파생 모델인 fFSM 모델〔9〕 을 사용하다.
멀티미디어 응용에서 핵심이 되는 신호 처리 알고리즘과 같이 계산 중심의 태스크를 명세하는 위해서 확장된 데 이 터 플로우 모델인 SPDF 모델〔8〕 을 사용한다. 시스템의 제어 기능을 담당하는 제어 태스크의 명세를 위해서는 계층성과 병렬성을 표현한 statechart 의 파생 모델인 fFSM 모델〔9〕 을 사용하다. 그리고 시스템의 기능을 명세하는 최상위 계층에서는 태스크를 기본 블록으로 갖는 Task 모델을 정의하여 사용한다.

성능/효과

(4) 검증(Verification) : MPSoC는 제작 비용이 매우 비싸고 제작 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 제 작 후에는 수정이 불가능하기 때문에 하드웨어를 제작하기 이전에 소프트웨어를 개발하고 가상 프로토타입 시스템 위에서, 전체 시스템이 올바르게 동작하는지를 확실히 검증해야 한다.
첫 번째 단계는 모델 단계이다. 각 모델로 기술된 프로그램은 모델의 검증 도구를 통하여 모델 수준의 정확성이 검증된다. 예를 들어 PeaCE 모델의 경우에는 FSM 모델과 데이터 플로우 모델을 이용하여 태스크가 표현되는데, 모델 수준의 검증을 통하여 기능 블록 간 교착상태의 유무, 버퍼 오버플로우 상태의 유무 등을 점검할 수 있다.
첫째, 다양한 모델을 지원하는 융통성 있는 프레임워크라는 점이다. 둘째, 대상 아키텍쳐의 통신 구조와 OS에 독립적인 공통의 중간코드를 정의하여 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼에 적용할 수 있도록 하였다. 셋째, 3단계의 검증 기술을 적용하여 소프트웨어의 오류를 검증하는 다양한 기능을 제공한다는 점이다.
둘째, 대상 아키텍쳐의 통신 구조와 OS에 독립적인 공통의 중간코드를 정의하여 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼에 적용할 수 있도록 하였다. 셋째, 3단계의 검증 기술을 적용하여 소프트웨어의 오류를 검증하는 다양한 기능을 제공한다는 점이다.

후속연구

본 연구를 통해 개발되는 프레임워크는 시스템의 기능 모델로부터 시작하여 MPSoC의 각 프로세서에 탑재할 소프트웨어를 설계하고 검증하는 모든 과정을 지 원하는 통합 개발 환경이다. 연구의 결과물은 MPSoC 뿐 아니라 멀티프로세서를 대상으로 임베디드 소프트웨어를 설계하는데 사용될 수 있다.
멀티프로세서 코어를 대상으로 하는 시뮬레이션도 가 능하지만 성능과 확장성 면에서 제약점이 있다. 이에 비해 본 연구에서 개발하는 가상 프로토타입 시스템은 멀티프로세서 코어를 대상으로 하는 분산 시뮬레이션 환경이 될 것이며 병렬 프로그램을 디버깅하는 기능을 가진다는 점에서 구별된다.
현재의 프레임워크는 PeaCE 모델을 이용하여 Divx player 예제를 가지고 제안하는 설계 방법론을 검증한 수준으로 개발된 상태이며, 앞으로 UML 2.0 기반의 모델로부터 CIC 코드가 생성되는 기능, 멀티 프 로세서용 가상 프로토타입 시스템을 이용하여 디버깅하는 기술, 그리고 OpenMP 코드를 병렬코드로 치환 기술 등이 추가로 개발될 예정이다.

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