[논문]PCI 기반 LEON2-FT 프로세서를 위한 시스템 소프트웨어 설계 및 시뮬레이션

최종욱; 남병규

PCI 기반 LEON2-FT 프로세서를 위한 시스템 소프트웨어 설계 및 시뮬레이션
System Software Design and Simulation for LEON2-FT Processor based on PCI 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.8 no.1, 2013년, pp.54 - 60

최종욱 (한국항공우주연구원 위성비행소프트웨어팀) , 남병규 (충남대학교 컴퓨터공학과)

초록
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인공위성의 임무가 다양해지고 요구사항이 높아짐에 따라 탑재컴퓨터의 성능 향상이 필수적으로 대두되었으며, 인공위성 탑재컴퓨터의 활용도를 높이기 위해 표준화 설계 및 시스템 재구성이 가능한 모듈화 기반으로 개발 되고 있다. 현재 한국항공우주연구원에서 개발 중인 차세대 인공위성의 탑재컴퓨터 경우 높은 성능을 제공하기 위해 SPARC v8 기반의 LEON2-FT/ AT697F 프로세서를 채택하였으며 SpaceWire, MIL-STD-1553B, CAN 등의 다양한 통신 디바이스들을 표준화 된 통신칩으로 구성하여 프로세서에서 PCI 통신을 통해 각종 디바이스들을 제어 및 통신 할 수 있도록 개발 하고 있다. 본 논문에서 차세대 탑재컴퓨터의 LEON2-FT 프로세서와 PCI 기반에서의 시스템 소프트웨어 개발 방안에 대해서 기술하며, PCI 소프트웨어 컴포넌트 설계 및 실시간 운영체제인 VxWorks 6.5 포팅 그리고 개발 된 시스템 소프트웨어를 검증하기 위한 시뮬레이션 방안을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The need for high performance of on-board computer (OBC) is essential due to the growing requirements and diversified missions, and so OBC has been developed on the basis of the standard design and reconfigurable modularization in order to improve the utilization of OBC for different missions. The processor in OBC of next generation satellite which is currently developed by KARI is adopted the LEON2-FT/AT697F processor based SPARC v8 as main processor and controls various devices such as SpaceWire, MIL-STD-1553B and CAN through PCI on the standardized communication chips. This paper presents the architecture and design of system software for LEON2-FT processor based on PCI, and development of PCI software component. Also it describes the porting of VxWorks 6.5 for LEON2-FT and the test under the simulation environment for LEON2-FT and PCI with communication chips.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 차세대 인공위성 탑재컴퓨터의 프로세서로 사용될 LEON2-FT/AT697F상에서 PCI 내부 버스를 통해 통신칩을 제어하기 위한 시스템 소프트웨어 개발 방안과 PCI 소프트웨어 컴포넌트 설계에 대해서 설명하였다. 그리고 테스트 환경을 구축하기 위하여 TSIM-LEON2와 개발된 시뮬레이션 모델을 통해 PCI 초기화 과정과 VxWorks 6.
본 논문에서는 현재 항우연에서 개발 중인 차세대 탑재컴퓨터에서 탑재소프트웨어 개발을 위한 PCI 디바이스 드라이버 개발 방안 및 PCI 소프트웨어 컴포넌트 설계에 대해서 기술하며, 실시간 운영체제인 VxWorks 6.5를 LEON2-FT에 포팅하는 과정에 대해서 설명한다. 그리고 TSIM-LEON2를 이용하여 통신칩과 PCI 인터페이스를 시뮬레이션 및 테스트 방안을 제시한다.

제안 방법

LEON2 프로세서의 경우 프로세서만을 위해 설계되었으나 ESA 및 협력업체에서 개발 된 다양한 IP (Intellectual Property)를 함께 설계할 수 있는 디자인이 필요했으며 SoC 및 Multi-Processor를 위해 ESA 주관 하에 Aeroflex Gaisler에서 GRLIB IP library를 개발하였다. GRLIB는 LEON3 프로세서, AMBA AHB (Advanced High-performance Bus)/APB (Advanced Peripheral Bus) 버스, 메모리 컨트롤러, Ethernet, SpW, CAN 등 수많은 라이브러리로 구성되며, VHDL으로 코딩되어 있어 쉽게 다양한 FPGA에 합성 할 수 있으며 이를 바탕으로 위성급 ASIC 으로도 개발 되었다.
Aeroflex Gaisler에서 판매하고 있는 TSIM-LEON2 에뮬레이터만이 LEON2 프로세서를 지원하며, TSIM-LEON2에서는 Atmel AT697 PCI를 에뮬레이션 할 수 있도록 외부 모듈 로딩 기능을 제공 하고 있다. PCI로 제어되는 통신칩을 시뮬레이션을 하기 위하여 Communication Chips Emulation Module을 개발 하였으며 TSIM-LEON2 구동시 함께 로딩되어 수행된다.
5를 LEON2-FT에 포팅하는 과정에 대해서 설명한다. 그리고 TSIM-LEON2를 이용하여 통신칩과 PCI 인터페이스를 시뮬레이션 및 테스트 방안을 제시한다.
본 논문에서는 차세대 인공위성 탑재컴퓨터의 프로세서로 사용될 LEON2-FT/AT697F상에서 PCI 내부 버스를 통해 통신칩을 제어하기 위한 시스템 소프트웨어 개발 방안과 PCI 소프트웨어 컴포넌트 설계에 대해서 설명하였다. 그리고 테스트 환경을 구축하기 위하여 TSIM-LEON2와 개발된 시뮬레이션 모델을 통해 PCI 초기화 과정과 VxWorks 6.5를 로딩 후 모든 PCI 운영이 정상적으로 수행되었다.
7로 변경이 불가피하다. 그리고 현재 VxWorks 5.4에서는 PCI 라이브러리를 지원하지 않기 때문에 테스트를 위해서 VxWorks 6.5를 사용하였으며, 기존에 개발 된 LEON3-FT 프로세서용 VxWorks 6.5 BSP를 기반으로 LEON2-FT BSP가 개발 되었다. 그리고 통신칩에 필요한 소프트웨어 모듈은 Aeorflex Gaisler에서 제공하는 GR701A[9]를 기반으로 개발 되었으며, 추후 자체 모듈로 개발 할 예정이며, 또한 VxWorks 5.
이후 LEON2 프로젝터를 통해 ARM 표준 버스인 AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스를 내부 버스로 사용하였으며 소프트웨어 개발과 디버깅을 위해 DSU (Debugging Support Unit)을 채택하였다. Gaisler Research에서 LEON2-1.
통신칩에 대한 에뮬레이션 기능은 PCI로 액세스 될 때 PCI Access 모듈이 수행되고, 메모리 접근시 PCI 주소에 따라 BAR0/BAR1로 구분한 뒤, BAR0 액세스인 경우 PCI Address Space를 시뮬레이션 해주며, BAR1 액세스인 경우 각 통신 모듈의 코어에 대한 에뮬레이션을 할 수 있도록 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 모두 C 언어로 개발되었으며, 동적 다운로드 기능을 가지고 있다.

대상 데이터

최초 Gaisler Research를 통해 개발 된 LEON1 프로세서는 SPARC v8 (5-stage pipeline), MEIKO FPU, 프로세서의 성능 향상을 위하여 instruction/data cache를 채택하였으며, 외부 확장을 위해 PCI 인터페이스를 사용하였다.

이론/모형

아직 차세대 탑재컴퓨터의 개발이 완료되지 않았기 때문에 시스템 소프트웨어를 테스트 및 개발 할 수 있는 시뮬레이터도 함께 개발이 되어야 한다. LEON2-FT와 통신칩을 시뮬레이션하기 위하여 Aeroflex Gaisler에서 개발 된 TSIM-LEON2[6]를 이용하여 개발/테스트 환경을 구축하였다.

성능/효과

개발된 디바이스 드라이브와 함께 시스템 소프트웨어를 시뮬레이터에 로딩 및 수행한 결과 정상적으로 PCI I/F를 모두 초기화하였으며, 통신칩의 Plug & Play (PnP) 정보를 정확히 액세스 할 수 있었다.
모든 PCI 초기화 및 설정 이후 그림 5와 같이 AT697F의 0xC8000000 ～ 0xD0000000 영역에 통신칩#0이 맵핑되며, 0xD0000000 ～ 0xD8000000 영역에 통신칩#1이 맵핑된다. 결과적으로 AT697F에서는 해당 영역에 통신칩 관련 레지스터와 메모리가 할당 되어 Direct Addressing 기법 즉 Memory Mapped I/O 방식으로 통신칩을 액세스 할 수 있으며, 대용량의 데이터를 전송 할 경우에는 DMA 기능을 통해서 송수신 할 수 있다.
5를 TSIM-LEON2와 함께 통신칩 시뮬레이션 모델을 로딩 한 뒤 테스트 한 결과이다. 정상적으로 VxWorks 실행 이후 PCI 인터페이스를 통해 초기화 및 디바이스가 등록 되었으며, 통신칩의 PnP 정보를 가져올 수 있었으며, 다양한 테스트를 통해 통신칩 모듈을 액세스 할 수 있었다.

후속연구

항우연에서는 아리랑위성 1호/2호에서는 인텔계열의 80186/80386 프로세서를 사용하였으며, 아리랑위성 3호/5호/3A에서는 ERC32를 확장한 MCMERC32 프로세서를 채택했으며, 현재 개발 중인 정지궤도복합위성의 경우 ERC32 프로세서를 사용한다. 그리고 차세대 탑재컴퓨터의 경우 아리랑 위성 6호 및 차세대 중형위성 (CAS500, Compact Advanced Satellite 500)에 적용 될 예정이다.
5 BSP를 기반으로 LEON2-FT BSP가 개발 되었다. 그리고 통신칩에 필요한 소프트웨어 모듈은 Aeorflex Gaisler에서 제공하는 GR701A[9]를 기반으로 개발 되었으며, 추후 자체 모듈로 개발 할 예정이며, 또한 VxWorks 5.4에서도 구동 될 수 있게 모든 PCI 라이브러리를 개발 할 계획이다.
시뮬레이터를 통해서 나온 결과와 실제 하드웨어에서 테스트 한 결과가 동일한 것을 확인하였으며, 추후 통신칩에 설계된 다양한 통신 모듈을 시뮬레이션 함으로서 소프트웨어 개발 플랫폼을 구성 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 개발된 PCI 디바이스 드라이브를 VxWorks 5.
이를 바탕으로 실제 개발 중에 있는 NGSCB/PM697 보드에서도 동일한 디바이스 드라이브를 이용하여 테스트 한 결과도 시뮬레이터의 결과와 동일하게 나왔으며, 추후 NGSCB/PM697 보드 개발 완료 이후 다양한 기능을 구현 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공위성 탑재컴퓨터에 사용되는 프로세서는 어떻게 설계되나?	인공위성 탑재컴퓨터에 사용되는 프로세서는 우주환경에서도 정상적으로 동작할 수 있도록 특수하게 설계된다. NASA의 경우 1990년도 초중반에는 인텔계열의 8085/80386 프로세서가 사용되었으나, 2000년대부터는 PowerPC 계열의 RAD750 및 RAD6000 프로세서가 사용되었다.
	ERC32 프로세서의 문제점은?	ERC32 프로세서의 경우 20MHz의 시스템 클록의 한계를 가지고 있으며, 인터페이스가 복잡하여 SoC (System On Chip) 형태로 개발이 어려우며 무엇보다 ERC32 프로세서 자체가 미국 라이센서를 기반으로 하고 있어 ERC32 프로세서를 변경/향상[3] 시킬 수 없었다. ESA에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 LEON 프로젝터를 2000년도 초반부터 시작하였으며, LEON 프로세서의 개발 개념으로 유럽 자체 디자인, radiation harden/SEU free, 표준 인터페이스, VHDL (VHSIC Hardware Description Language) 설계, 100MIPS 이상의 고성능 등을 목표[4]로 개발 되었다.
	차세대 탑재컴퓨터의 구조의 통신칩에 집적되는 통신 모듈의 특징은?	2개의 통신칩에는 다양한 미션을 수행 할 수 있도록 SpW, 1553B, DMA UART, UART, CAN, GPIO등의 통신 모듈과 메모리가 AMBA 버스로 연결되며, AT697F와 PCI 통신을 수행 할 수 있도록 PCI Initiator/Target을 가지고 있다. 통신칩에 집적되는 모든 통신 모듈은 VHDL로 개발 된 IP들이며 AMBA 표준 버스를 사용하기 때문에 새로운 모듈의 추가/삭제가 용이하다.

참고문헌 (9)

Atmel, "Rad-Hard 32bit SPARC V8 Processor AT697F", 2008.
The ESA Next Generation Microprocessor (NGMP), http://microelectronics,esa.int/ngmp/
Jiri Gaisler, "LEON-1 Processor - First Evaluation Results," European Space Components Conference (ESCCON), Vol. 439, pp.183-187, 2000.
Jiri Gaisler, "LEON SPARC Processor The past, present and future," RAMP (Research Accelerator for Multiple Processors), 2007.
Atmel, "Atmel Space Rad-Hard Processors and Communications ICs," 2012.
Aeroflex Gaisler, "TSIM2 Simulator User's Manual v2.0.24,", October, 2012.
David Edell, "Multi-Core Processing in Flight Software," Workshops on Spacecraft Flight Software, Nov. 7-9, 2012.
Aeroflex Gaisler, "Dual-Core LEON3-FT SPARC v8 Processor GR712RC User's Manual,", October, 2011.
Aeroflex Gaisler, "PCI to SpaceWire and 1553 Bridge GR701A User's Manual v1.0.0,", June, 2007.

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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