[논문]실습에 기반한 임베디드 소프트웨어 설계 교육

문정호; 박래정

doi:10.5391/jkiis.2011.21.5.581

실습에 기반한 임베디드 소프트웨어 설계 교육
A Project-Based Embedded Software Design Course 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.21 no.5, 2011년, pp.581 - 587

문정호 (강릉원주대학교 전자공학과) , 박래정 (강릉원주대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

이 논문은 임베디드 소프트웨어 설계 과목을 위한 실습 키트 하드웨어와 이 키트를 사용한 임베디드 소프트웨어 설계 교육 과정에 대해서 소개한다. 임베디드 소프트웨어 설계 과목은 그 특성상 실습과 한 학기에 걸친 프로젝트 위주로 진행되는데 이를 위해서는 소프트웨어를 실행시킬 실습 키트가 꼭 필요하다. 학생들이 하드웨어를 완벽하게 이해하고 소프트웨어 설계 및 개발을 진행할 수 있도록 학생들의 수준에 맞는 맞춤형 실습 키트 하드웨어를 설계하고 제작하였다. 학생들은 제작된 실습 키트를 사용하여 디바이스구동 소프트웨어에서부터 사용자 인터페이스까지 임베디드 소프트웨어 전 계층에 걸친 프로그램 설계하고 구현해 봄으로써 보다 수월하게 임베디드 시스템에 대한 이해를 넓히고 프로그램 개발 능력을 향상시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a senior-level embedded software design course using a customized training kit. Embedded software design courses commonly entail a lot of practice hours and a semester-long project and thus requires a hardware platform on which the embedded software runs. A training kit has been designed such that both hardware system and operating system are not too complicated or heavy for undergraduate students to fully understand and to develop embedded software on their own. The course using the customized training kit gives the students hands-on experience of embedded software design and programming ranging from device drivers to user interface, thereby enabling them to have in-depth understanding of embedded software and to improve their programming skills more easily and faster than when using commercial training kits.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그렇기 때문에 파워다운 모드에 서도 불필요한 전력 소비가 발생하지 않도록 만들어야 한다. 소비 전력은 휴대용 임베디드 시스템의 배터리의 사용 시간에 큰 영향을 미치기 때문에 이에 대한 중요성을 일깨우기 위한 목적으로 최종 시연 시간에 파워다운 상태에서의 소비 전력을 측정하여 학생들의 평가에 반영한다.
이 과목의 목표는 임베디드 소프트웨어 개발 실습을 통하여 임베디드 소프트웨어 개발 과정과 소프트웨어 설계 방법에 대한 학생들의 이해를 높이고 소프트웨어 설계 능력과 개발 능력을 향상시키는 것이다. 이런 점에서 이 과목에서는 학생들의 평가를 위한 별도의 시험은 없으며 다음의 기준으로 학생들을 평가한다.
이 논문에서는 임베디드 소프트웨어 설계 과목의 수업 내용과 실습 키트를 사용한 프로젝트에 대해서 소개하였다. 상용 실습 키트를 사용하지 않고 이 과목의 교육 목표에 맞춘 실습 키트를 자체 설계/제작하여 임베디드 소프 트웨어 설계와 구현 프로젝트를 진행하였다.
이 논문에서는 학부생을 대상으로 한 임베디드 소프트웨어 설계 교육을 위해 저자들이 설계/제작한 실습 키트와 이를 활용한 교육 내용에 관하여 소개한다. 이 논문에서 소개하는 임베디드 소프트웨어 실습 키트는 복잡하지 않으면서도 실시간 운영체제를 실행시키기에 충분한 성능을 가지고 있다.

제안 방법

•이 과목에서 사용한 실습 키트에 평소에 많은 관심을 가지고 있는 MP3 디코더나 터치스크린 등이 포함되어 있어서 무척 재미있게 프로젝트를 진행했다.
파일 시스템을 완전히 이해하고 이를 학생들이 스스로 구현한다면 매우 좋은 공부가 되지만 이를 위해서는 무척 많은 시간이 요구 된다. 그래서 FAT32 파일 시스템의 읽기 기능을 구현한 예제 코드를 배포하여 활용하도록 하였다.
학생들 입장에서 프로그래밍 장비를 들고 다니며 사용하는 것은 불편한 일이다. 그래서 프로그래밍 장비 없이도 ATmega128의 펌웨어 코딩이 가능하도록 플래쉬 메모리 프로그래밍 기능을 갖춘 부트로더 (bootloader)¹⁾를 미리 ATmega128의 플래쉬 메모리에 기록하여 학생들에게 제공하였다.
그래서 학기 시작 후 9주 동안은 강의를 통하여 각종 장치들의 인터페이스 방법, 통신 방법, 사용법을 설명하고 담당 교수가 작성한 예제 C 코드를 배포하여 학생들의 이해를 돕는다. 그리고 의도적으로 예제 C 코드에 포함시키지 않은 기능은 과제로 제출하게 하여 학생들이 데이터쉬트를 보며 원하는 기능을 구현하도록 한다.
많은 학생들이 그래픽 LCD와 터치스크린에 대해 높은 관심이 있다는 사실을 고려하여 터치스크린 기능을 갖춘 QVGA급 TFT LCD을 채택하였다. 터치스크린은 실습 키트의 주된 사용자 인터페이스 역할을 한다.
이 논문에서는 임베디드 소프트웨어 설계 과목의 수업 내용과 실습 키트를 사용한 프로젝트에 대해서 소개하였다. 상용 실습 키트를 사용하지 않고 이 과목의 교육 목표에 맞춘 실습 키트를 자체 설계/제작하여 임베디드 소프 트웨어 설계와 구현 프로젝트를 진행하였다. 실습 키트에는 학생들이 평소에 기술적으로 흥미를 가지고 있는 여러소자 및 디스플레이 장치가 포함되어 있어 학생들이 재미있게 실습하도록 유도하였다.
리얼 타임 클럭에는 동전 배터리가 추가로 연결되어 있어서 주전원인 배터리가 없을 때에도 전원이 공급되기 때문에 동전 배터리가 완전히 소모되지 않는다면 한번 설정한 시간 정보가 계속 유지된다.이 외에 학생들의 아이디어에 따라 다양한 기능을 추가로 구현할 수 있도록 몇 가지 장치들을 추가하였다. IR 송수신부를 사용하면 실습 키트로 전자 제품을 제어하는 리모컨 기능을 구현할 수도 있으며 실습 키트끼리 간단한 무선통신을 하도록 만들 수 있다.
그리고 휴대가 가능하다면 자신이 개발한 임베디드 소프트웨어를 주위의 동료들에게 쉽게 시연해볼 수 있으므로 이것이 학생들에게는 좋은 동기 유발 요인이 될 것이라 판단하였다. 저자들은 학생들이 실습 키트를 사용하여 전원을 켜는 순간부터 끄는 순간까지 전체를 제어하는 임베디드 소프트웨어 전체를 스스로 설계하고 구현할 수 있기를 기대하였다.
제안서와 보고서는 앞에서 설명한 작성 기준에 대한 준수 여부, 시스템 사양 정의의 정확성, 소프트웨어 설계의 타당성과 독창성 등을 위주로 평가한다. 학생들은 두 번의 발표 기회를 가지는데 발표 시간에는 담당 교수의 질문에 대해 답을 해야 한다.
학생들은 두 번의 발표 기회를 가지는데 발표 시간에는 담당 교수의 질문에 대해 답을 해야 한다. 질문의 내용은 소프트웨어 구조 설계, 디바이스 제어 방법, 프로그래밍 기법 등 실습 과정 전반에 걸친 것으로 이 질문을 통해 자신이 수행하고 있는 프로젝트 내용을 얼마나 잘 이해하고 있는지를 평가한다. 특히 소프트웨어 구조, 즉 시스템 구현에 이용한 태스크의 수와 각 태스크의 기능 및 태스크 간의 통신 방법에 대해 명확하게 설명하도록 요구한다.
학생들이 느끼는 이러한 어려움을 해결하고 수업에 대한 이해도를 높일 목적으로 구조가 간단하면서도 동시에 임베디드 시스템의 기본 기능을 잘 갖추고 있는 맞춤형 하드웨어 시스템을 설계하였다. 실습 키트를 설계할 때 다음과 같은 점들을 염두에 두었다.
한 학기 수업을 진행한 후 수강 학생들에게 이 과목에 대한 전반적인 의견과 평가를 위한 설문 조사를 진행하였다. 표 1은 2년간 이 과목을 수강한 학생들 30 명의 답변을 간단하게 요약한 것이다.

대상 데이터

그래픽 LCD 제어기 이외의 모든 외부 장치들은 직렬 통신 인터페이스를 통하여 ATmega128과 데이터를 주고 받는다. I2C 버스는 터치스크린 제어기 및 RTC와의 인터 페이스에 사용되고, SPI 버스는 외부 플래쉬 메모리, MP3 코덱, SD/SDHC 메모리 카드와의 인터페이스에 사용된다.
또한 학생들이 평소에 많은 관심을 가지고 있거나 산업 현상에서 표준으로 사용되고 있는 여러 주변 장치들을 포함하고 있다. 실습 키트는 ATMEL사의 8 비트 마이크로컨트롤러인 ATmega128과 터치스크린 기능을 가진 QVGA급 TFT LCD 패널, MP3 코덱, RTC, 직렬 플래쉬 메모리 등을 포함하고 있는 휴대용 시스템이며 소스가 공개되어 있는 실시간 운영체제인 uC/OS-II를 탑재하여 구동한다.
실습 키트의 핵심이라 할 수 있는 프로세서는 8051과 같은 8 비트 프로세서에서 ARM이나 X86 기반의 32 비트 고성능 프로세서에 이르기까지 선택의 폭이 넓지만 그 중에서 ATMEL사의 AVR ATmega128을 선택하였다. AVR ATmega128은 최고 16 MHz의 클럭을 지원하며 128 KB의 플래쉬 메모리, 4 KB의 데이터 RAM, 4 KB의 EEPROM 외에 타이머, 다양한 직렬 통신 포트, A/D 변환기 등의 장치를 내장하고 있는 8 비트 RISC 마이크로컨트롤러이다 [9].
전체 실습 키트는 ATmega128 프로세서 모듈, MP3 코덱 및 LCD 모듈, 그리고 이 두 모듈을 연결하는 역할을 하는 연결 모듈 3개로 구성되어 있다. 전체를 하나의 보드로 만들 수도 있지만 별도의 3개의 모듈로 만든 이유는 활용도와 유연성을 높이기 위한 것이다.

성능/효과

본문에서 제시한 설문조사 결과가 상용 제품을 사용하는 것보다 자체 제작한 실습 키트를 사용하는 것이 교육의 효과가 더 높다는 것을 뒷받침하지는 않는다. 다만 수년간 이 수업을 진행하면서 학생들의 수업에 대한 이해도와 관심의 강도를 관찰해 본 결과, 수강 학생들의 수준을 고려하여 자체 제작한 실습 키트를 사용한 수업에서 학생들의 참여도와 이해도가 훨씬 높은 것을 체감할 수 있었다.
본문에서 제시한 설문조사 결과가 상용 제품을 사용하는 것보다 자체 제작한 실습 키트를 사용하는 것이 교육의 효과가 더 높다는 것을 뒷받침하지는 않는다. 다만 수년간 이 수업을 진행하면서 학생들의 수업에 대한 이해도와 관심의 강도를 관찰해 본 결과, 수강 학생들의 수준을 고려하여 자체 제작한 실습 키트를 사용한 수업에서 학생들의 참여도와 이해도가 훨씬 높은 것을 체감할 수 있었다.
이 논문에서는 학부생을 대상으로 한 임베디드 소프트웨어 설계 교육을 위해 저자들이 설계/제작한 실습 키트와 이를 활용한 교육 내용에 관하여 소개한다. 이 논문에서 소개하는 임베디드 소프트웨어 실습 키트는 복잡하지 않으면서도 실시간 운영체제를 실행시키기에 충분한 성능을 가지고 있다. 또한 학생들이 평소에 많은 관심을 가지고 있거나 산업 현상에서 표준으로 사용되고 있는 여러 주변 장치들을 포함하고 있다.
또한 AVR GCC는 무료 소프트웨어라는 것이 다른 장점이기도 하다. 학생들은 대부분 Visual C++와 같은 통합 개발 환경에 익숙하지만 이런 개발 환경이 사용 가능하지 않을 수도 있기 때문에 make 유틸리티 기반의 개발 환경을 경험하는 것도 유익할 것으로 판단했다.

후속연구

실습 키트로 구현 가능한 가장 기본적인 기능은 메모리 카드에 저장된 이미지 데이터를 그래픽 LCD에 출력하고, mp3 오디오 파일을 읽어서 이어폰 잭을 통해 출력하는 것이며 가속도 센서, 밝기 센서, 적외선 송수신 모듈 등의 나머지 장치들은 학생들의 아이어디에 따라 다양한 응용이 가능하다. 실습 키트의 성능으로는 구현하기에 무리한 목표를 정하 거나 그래픽 인터페이스에 집착하여 눈에 보이는 부분에 많은 시간을 투자하려는 학생들이 있기 마련인데 이런 경우는 제안서 발표를 통해 목표를 낮추거나 핵심 기능에 먼저 집중하고 부차적인 부분은 핵심 부분의 구현이 끝나면 진행하도록 조언한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임베디드 시스템을 이해하기 위해선 무엇이 필수적인가?	컴퓨터 기술의 발전과 함께 다양한 임베디드 시스템이 일상생활에 사용되면서 임베디드 시스템 과목은 전자공학및 컴퓨터공학 교육의 핵심 주제들 중 하나의 위치를 차지하게 되었다. 임베디드 시스템은 특정 용도를 위한 하드웨어와 그 위에서 동작하는 소프트웨어가 밀접하게 결합되어 동작하는 컴퓨터 시스템이므로 임베디드 시스템을 이해하기 위해서는 그 기반이 되는 마이크로프로세서 관련 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 이해와 프로그래밍 기술이 필수적으로 요구된다. 이런 이유로 임베디드 시스템 관련 과목은 기본 선수 과목의 수강을 마친 4학년 과정에서 개설되는 것이 일반적이다.
	임베디드 시스템은 무엇인가?	컴퓨터 기술의 발전과 함께 다양한 임베디드 시스템이 일상생활에 사용되면서 임베디드 시스템 과목은 전자공학및 컴퓨터공학 교육의 핵심 주제들 중 하나의 위치를 차지하게 되었다. 임베디드 시스템은 특정 용도를 위한 하드웨어와 그 위에서 동작하는 소프트웨어가 밀접하게 결합되어 동작하는 컴퓨터 시스템이므로 임베디드 시스템을 이해하기 위해서는 그 기반이 되는 마이크로프로세서 관련 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 이해와 프로그래밍 기술이 필수적으로 요구된다. 이런 이유로 임베디드 시스템 관련 과목은 기본 선수 과목의 수강을 마친 4학년 과정에서 개설되는 것이 일반적이다.
	임베디드 시스템 관련 과목이 기본 선수 과목의 수강을 마친 4학년 과정에서 개설되는 이유는?	컴퓨터 기술의 발전과 함께 다양한 임베디드 시스템이 일상생활에 사용되면서 임베디드 시스템 과목은 전자공학및 컴퓨터공학 교육의 핵심 주제들 중 하나의 위치를 차지하게 되었다. 임베디드 시스템은 특정 용도를 위한 하드웨어와 그 위에서 동작하는 소프트웨어가 밀접하게 결합되어 동작하는 컴퓨터 시스템이므로 임베디드 시스템을 이해하기 위해서는 그 기반이 되는 마이크로프로세서 관련 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 이해와 프로그래밍 기술이 필수적으로 요구된다. 이런 이유로 임베디드 시스템 관련 과목은 기본 선수 과목의 수강을 마친 4학년 과정에서 개설되는 것이 일반적이다.

참고문헌 (10)

C.-S. Lee, J.-H. Su, K.-E. Lin, J.-H. Chang, and G.-H. Lin, "A project-based laboratory for learning embedded system design with industry support," IEEE Trans. Educ., vol. 53, no. 2, pp. 173-181, 2010.

상세보기
S. Hussmann and D. Jensen, "Crazy car race contest: multicourse design curricula in embedded system design," IEEE Trans. Educ., vol. 50, no. 1, pp. 61-67, 2007.

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E. Taslidere, F. S. Cohen, and F. K. Reisman, "Wireless sensor networks─A hands-on modular experiments platform for enhanced pedagogical learning," IEEE Trans. Educ., vol. 51, no. 3, pp. 400-412, 2008.

상세보기
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H. Mitsui, H. Kambe, and H. Koizumi, "Use of student experiments for teaching embedded software development including HW/SW co-design," IEEE Trans. Educ., vol. 52, no. 3, pp. 436-443, 2009.

상세보기
J.-S. Chenard, Z. Zilic, and M. Prokic, "A laboratory setup and teaching methodology for wireless and mobile embedded systems," IEEE Trans. Educ., vol. 51, no. 3, pp. 378-384, 2008.

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K. G. Ricks, D. J. Jackson, W. A. Stapleton, "An embedded systems curriculum based on the IEEE/ACM model curriculum," IEEE Trans. Educ., vol. 51, no. 2, pp. 262-270, 2008.

상세보기
ATMEL coporation, ATmega128 datasheet.
J. J. Labrosse, MicroC/OS-II: The Real-Time Kernel, 2nd ed. CMB books, 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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