[논문]인공위성 탑재컴퓨터를 위한 리눅스 기반 ARINC 653 공간 분리

김덕수; 조현우; 김형신

doi:10.14372/iemek.2014.9.5.253

인공위성 탑재컴퓨터를 위한 리눅스 기반 ARINC 653 공간 분리
Linux-based ARINC 653 Space Separation for Spacecraft Computer 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.9 no.5, 2014년, pp.253 - 260

김덕수 (Chungnam National University) , 조현우 (Chungnam National University) , 김형신 (Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

European Space Agency has recognized Integrated Modular Avionics and ARINC specification 653 as avionics computer system for space application. Integrated Modular Avionics specification reduces the space by integrating a system composed of many electronic devices into a computer. recent researches have been studying how to apply the ARINC 653 into an open source operating system, such as Linux. These studies have concentrated on partition scheduling for time separation. However, requirements to guarantee spatial separation should be further analyzed to ensure deterministic execution time. Therefore, memory management is needed to verify spatial isolation on Linux systems. This research proposes a new method to accomplish spatial isolation for the ARINC 653 specification in Linux. We have added new data structures and system calls to handle functionalities for spatial separation. They are used during the partition startup process. The proposed method was evaluated on the LEON4 processor, which is the next generation microprocessor to be used in the future space missions. All implementations confirm that spatial isolation of the ARINC 653 specification was accomplished.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

효율적인 공간 분리를 지원하기 위해서는 그림 2와 같은 가상 주소 시스템을 MMU통해 지원해야 한다. 가상 주소 시스템을 사용하여 애플리케이션간의 메모리영역 침범을 막기 위해서이다. 만약 MMU 지원 없이 소프트웨어만으로 가상 주소 시스템을 지원하게 된다면 페이징 과정의 처리시간이 길어지기 때문에 시스템의 성능이 떨어지게 된다.

가설 설정

1) 시스템 통합자는 파티션의 환경설정 정보를 작성한다.

제안 방법

리눅스에서 일정 크기의 정적 메모리 할당 요구사항을 만족하기 위해 ARINC 653 표준의 파티션 초기화 과정을 수행하는 startup 프로세스를 구현하였다. 파티션 초기화 과정은 시스템 통합자에 의해서 설정된 파티션 자원 할당정보를 읽고 그 내용에 따라 파티션을 생성하는 역할을 한다.
본 논문에서 제안하는 ARINC 653 표준의 파티션 초기화 과정을 수행하는 startup 프로세스는 시스템 통합자에 의해서 설정된 파티션 자원 할당정보를 읽고 내용에 따라 파티션을 생성하는 역할을 한다. startup 프로세스의 구조는 다음 그림 3과 같다.
본 논문에서는 리눅스에 ARINC 653표준의 공간분리 요구사항을 적용하기 위한 기능을 추가 하였으며, 동작여부에 대한 실험을 추가적으로 실시하였다. 추가된 기능을 사용하여 초기 파티션 생성 루틴 startup 프로세스를 구현했다.
본 논문에서는 차세대 우주용 멀티코어 프로세서 LEON 4 에서 통합 항공 전자 시스템을 리눅스를 통해 지원하기 위해 리눅스에 ARINC 653표준의 공간분리 요구사항을 적용하기 위한 기능을 추가하였으며, 동작여부에 대한 실험을 추가적으로 실시하였다. 새로운 자료구조와 시스템 콜을 리눅스에 추가했으며 이러한 기능을 사용해 파티션 애플리케이션을 생성하는 초기화 과정을 수행하는 startup 프로세서와 partitionExecve()를 구현 했다.
본 논문에서는 차세대 우주용 멀티코어 프로세서 LEON 4 에서 통합 항공 전자 시스템을 리눅스를 통해 지원하기 위해 리눅스에 ARINC 653표준의 공간분리 요구사항을 적용하기 위한 기능을 추가하였으며, 동작여부에 대한 실험을 추가적으로 실시하였다. 새로운 자료구조와 시스템 콜을 리눅스에 추가했으며 이러한 기능을 사용해 파티션 애플리케이션을 생성하는 초기화 과정을 수행하는 startup 프로세서와 partitionExecve()를 구현 했다. 실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다.
애플리케이션에게 정적 크기의 메모리 할당이 가능하도록 구현된 초기 파티션생성 과정인 startup 프로세스가 정상적으로 동작하는지 검증한다. 실험 구조는 그림 5과 같다.
일반 리눅스의 방법으로 생성한 애플리케이션과 공간 분리가 적용된 리눅스에 의해 생성된 파티션 애플리케이션의 아웃오브메모리 예외동작에서 종료되지 않고 실행이 보장되는 확률을 비교한다. 이와 같은 실험을 파티션 애플리케이션의 메모리 할당량을 달리 하여 20회씩 총 100회 반복 실험 하였다. 그 결과는 그림 7와 같다.
greed 프로세스는 기본 리눅스 애플리케이션으로 반복적으로 동적 메모리를 할당해 시스템의 메모리가 부족하게 만들어 아웃오브메모리 예외를 발생하는 역할을 한다. 일반 리눅스의 방법으로 생성한 애플리케이션과 공간 분리가 적용된 리눅스에 의해 생성된 파티션 애플리케이션의 아웃오브메모리 예외동작에서 종료되지 않고 실행이 보장되는 확률을 비교한다. 이와 같은 실험을 파티션 애플리케이션의 메모리 할당량을 달리 하여 20회씩 총 100회 반복 실험 하였다.
더 이상 동적 할당을 실행할 수 없다면 할당을 멈추고 대기한다. 최대 할당량을 통해 환경설정 내용과 같이 메모리가 할당되었는지 검증한다. 실행 결과는 표 1과 같다.
본 논문에서는 리눅스에 ARINC 653표준의 공간분리 요구사항을 적용하기 위한 기능을 추가 하였으며, 동작여부에 대한 실험을 추가적으로 실시하였다. 추가된 기능을 사용하여 초기 파티션 생성 루틴 startup 프로세스를 구현했다. 구현 결과를 검증하기 위한 실험환경으로 차세대 우주 임무용 컴퓨터 LEON 4 프로세서를 사용했다.
1버전을 ARINC 653표준의 공간분리를 지원하도록 수정했다. 해당 실험 환경에서 메모리 할당량 제한과 메모리 사용의 보장 요구사항을 검증한다.

대상 데이터

리눅스에서 파티션을 지원하기 위하여 커널 영역에 ARINC 653 모듈, ARINC 653 스케줄러를 추가 했다. 그리고 사용자 영역에 ARINC 653 표준 인터페이스를 바탕으로 만든 startup 프로세스와 APEX(APplication/Executive) 라이브러리를 구성했다. 커널 영역의 ARINC 653 모듈은 시스템에서 수행될 파티션의 정보를 가지고 있다.

데이터처리

추가된 기능을 사용하여 초기 파티션 생성 루틴 startup 프로세스를 구현했다. 구현 결과를 검증하기 위한 실험환경으로 차세대 우주 임무용 컴퓨터 LEON 4 프로세서를 사용했다. 실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다.
추가된 기능을 사용하여 초기 파티션 생성 루틴 startup 프로세스를 구현했다. 구현 결과를 검증하기 위한 실험환경으로 차세대 우주 임무용 컴퓨터 LEON 4 프로세서를 사용했다. 실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다.

성능/효과

4) ARINC 653모듈은 파티션 정보를 확인하고 이상이 없으면 정보를 저장하고 startup 프로세스에게 파티션을 생성해도 된다는 값을 전달한다.
그 결과는 그림 7와 같다. 50MB, 75MB, 100MB, 125MB로 나누어 메모리를 25MB, 할당한 결과 partitionExecve()통해 생성된 파티션 애플리케이션들은 모든 메모리할당량에서 메모리 사용을 보장함을 보인다. 일반 리눅스의 방법을 통해 생성된 애플리케이션의 경우에는 메모리 할당량이 늘어날수록 아웃오브메모리 예외에서 애플리케이션의 메모리 사용 보장률이 낮아짐을 보인다.
125MB를 애플리케이션에 할당한 경우 LEON4의 전체 메모리 250MB의 절반이 되기 때문에 항상 제거 대상이 된다. 본 실험 결과를 통하여 공간 분리가 적용된 리눅스가 파티션의 메모리 사용을 보장함을 검증되었다.
구현 결과를 검증하기 위한 실험환경으로 차세대 우주 임무용 컴퓨터 LEON 4 프로세서를 사용했다. 실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다. 이를 통해 최초로 차세대 우주용 멀티코어 프로세서 LEON 4에서 통합모듈항공전자 시스템을 리눅스를 통해 지원할 수 있는 가능성을 보였다.
실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다. 이를 통해 차세대 우주용 멀티코어 프로세서 LEON 4에서 통합모듈항공전자 시스템을 리눅스를 통해 지원할 수 있는 가능성을 보였다. 하지만 리눅스는 CPU와 I/O자원을 분리하는 시간분리 또한 완전하게 지원되고 있지 않다.
실험 결과 ARINC 653 표준에서 요구하는 공간분리를 준수하는 것을 확인하였다. 이를 통해 최초로 차세대 우주용 멀티코어 프로세서 LEON 4에서 통합모듈항공전자 시스템을 리눅스를 통해 지원할 수 있는 가능성을 보였다.
파티션 애플리케이션에게 할당된 메모리 영역의 사용을 보장하는 생성과정 partitionExecve()를 통해 생성된 파티션 애플리케이션이 시스템의 메모리가 부족한 상태가 되어 아웃오브메모리 예외가 발생해 메모리 회수가 실행되어도 영향을 받지 않음을 검증한다. 실현 구조는 그림 6과 같다.

후속연구

하지만 리눅스는 CPU와 I/O자원을 분리하는 시간분리 또한 완전하게 지원되고 있지 않다. 그렇기 때문에 차후 연구를 통해 리눅스에 ARINC 653표준의 시간분리를 구현할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VxWorks 653 운영체제의 단점은?	현재 ARINC 653은 VxWorks 653[7], Xtratum[8], AIR[9]와 같은 운영체제에 적용되고 있다. VxWorks 653과 같은 상용 운영체제는 높은 사용료와 유지보수 비용이 필요하다는 단점이 있으며, Xtratum, AIR와 같은 운영체제 또한 다양한 하드웨어에서 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이에 따라 오픈 소스 리눅스에 ARINC 653표준을 적용하려는 연구가 소개되고 있다[10, 11].
	ARINC 653가 적용되고 있는 운영체제는?	현재 ARINC 653은 VxWorks 653[7], Xtratum[8], AIR[9]와 같은 운영체제에 적용되고 있다. VxWorks 653과 같은 상용 운영체제는 높은 사용료와 유지보수 비용이 필요하다는 단점이 있으며, Xtratum, AIR와 같은 운영체제 또한 다양한 하드웨어에서 사용할 수 없다는 단점이 있다.
	ARINC 653표준의 요구사항을 만족하지 않으면 어떻게 되는가?	ARINC 653표준은 공간분리를 보장을 위해서 각 파티션에 할당된 메모리 영역을 서로 침범하지 않아야 하며, 할당된 메모리 자원이 운영체제에 의해 회수되지 않고 유지되어야 한다고 규정하고 있다[12, 13]. 이러한 요구사항이 만족하지 않는다면, 각 모듈의 실행과 고장이 다른 모듈의 실행결과에 영향을 줄 수 있으며, 애플리케이션의 실행 시간을 예측하기 어렵다[14-16]. 리눅스는 가상 메모리 시스템(Virtual Memory System)을 MMU를 통해 애플리케이션에 제공하여 할당된 메모리 영역 이외의 접근은 제한할 수 있다.

참고문헌 (16)

P.J. Prisaznuk, "ARINC 653 role in integrated modular avionics (IMA)," Proceedings of IEEE/AIAA Digital Avionics Systems Conference, 2008.
J.A. Williams, N.W. Bergmann. "Reconfigurable linux for space flight applications," Proceedings of Military and Aerospace Programmable Logic Devices, pp. 116-128, 2007.
J. Windsor, K. Hjortnaes, "Time and space partitioning in spacecraft avionics," Proceedings of IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology, pp. 13-20, 2009.
J. Windsor, M.-H. Deredempt, D.F. Regis, "Integrated modular avionics for spacecraft-User requirements, architecture and role definition," Proceedings of IEEE/AIAA Digital Avionics Systems Conference, pp. 8A6-1-8A6-16, 2011.
Z. Juan, A. Juan. "Memory Isolation in Many-Core Embedded Systems," Proceedings of International Workshop on High-performance and Real-time Embedded System, 2014.
N. Kartik, Y.N. Srikant, "Precise shared cache analysis using optimal interference placement." Proceeding of IEEE Real-time and Embedded Technology and Applications Symposium, pp. 125-134, 2014.
http://www.windriver.com/products/platforms/safety_critical_arinc_653/
http://en.wikipedia.org/wiki/XtratuM
http://air.di.fc.ul.pt/air/
S. HAN, H.W. JIN, "Kernel-level ARINC 653 partitioning for Linux," Proceedings of the Annual ACM Symposium on Applied Computing, pp. 1632-1637, 2012.
S. HAN, H.W. JIN, "Full virtualization based ARINC 653 partitioning," Proceedings of IEEE/AIAA Digital Avionics Systems Conference, pp. 7E1-1-7E1-11, 2012.
J.T. Boyland, "Handling Out of Memory Errors," Proceedings of Workshop on Exception Handling in Object-Oriented Systems, 2005.
B. Alexander, "MTD Based Compressed Swapping for Embedded Linux," Proceedings of Embedded Linux Confernce, 2008.
G. Lim, C. Min, Y.I. Eom. "Virtual memory partitioning for enhancing application performance in mobile platforms," IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 59, No. 4, pp. 786-794, 2013.

상세보기
J. Song, X. Zhang, "Adaptive page replacement to protect thrashing in Linux," Proceedings of the Annual Linux Showcase & Conference, 2001.
B. Oezalp, D. Ferrari, "Two-level replacement decisions in paging stores," IEEE Transactions on Computers, Vol. 100, No. 12, pp. 1151-1159, 1983.

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동의어: Packet Collision Rate

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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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