[논문]인공심장의 예측 가능한 제어를 위한 실시간 소프트웨어 설계 구조 개선 사례

정세훈; 차성덕

문제 정의

본 논문에서는 이벤트 구동 방식의 소프트웨어 설계 구조를 시간 구동 방식으로 개선함으로써 시스템의 예측성을 향상 시킬 수 있음을 기술하였다. 단, 개선된 소프트웨어 설계 구조에 의해 제어된 모터의 동작이 기존의 소프트웨어 구조에 의해 제어된 모터의 정상적인 상황에서의 동작과 동일함을 보여야 한다.
본 논문에서는 인공심장 시스템이라는 실질적인 시스템에 대해서 이벤트 구동 방식 기반의 안전 필수 실시간 시스템을 시간 구동 방식 기반으로 재설계하는 과정을 보이고 두 시스템의 동작 비교 결과를 제시했다. 이를 위해 시간 구동 방식 소프트웨어 구조로 재설계 하는 과정에서 기존 시스템 태스크들의 시간적 속성을 측정하는 소프트웨어를 구현하였고 여기서 측정된 결과를 RMA 실시간 분석기법에 적용하여 시스템의 실시간성을 만족시킬 수 있는 적정 태스크 수행 주기를 결정하였다.
본 연구는 H-VAD 인공심장 시스템 [13][14]의 제어소프트웨어를 TTA 기반으로 개선하여 시간면에서 동작 예측성을 제공하여 시스템의 안전성 확보한다. 개선 대상인 H-VAD 인공심장 시스템은 장기 동물실험에서 180일 이상 정상 작동하여 FDA 인공심장 장기동물실험 기준을 만족시킨 시스템으로, 이에 내장된 소프트웨어는 비주기적 태스크 6개와 주기적 태스크 1개로 구성되어있다.

제안 방법

5.1 절의 시간 구동 방식의 소프트웨어 설계와 측정을 통해 획득된 시간 특성을 고려하여 TT H-XAD를 구현하기 위해서 정의된 주기인 1ms마다 이벤트 발생 여부를 확인하고 이벤트가 발생한 경우 수행하는 모니터링 코드를 구현하였다. 그림 5는 ET 및 TT 버전의 H-VAD 제어 소프트웨어를 도식화 한 것이다.
단, 개선된 소프트웨어 설계 구조에 의해 제어된 모터의 동작이 기존의 소프트웨어 구조에 의해 제어된 모터의 정상적인 상황에서의 동작과 동일함을 보여야 한다. H-VAD 인공심장 시스템은 모터의 센서를 통해 펌프의 상태를 확인하고 모터의 제어를 위해 마이크로 프로세서에 탑재된 제어 소프트웨어에서 계산된 PWM(Pulse-width modulation) 값을 모터의 제어 신호로 내보내는데 본 절에서는 동작 동일석을 확인하기 위해각 소프트웨어 설계 구조에 의해 계산된 제어 값인 PWW의 값과 계산되는 시간을 비교해보았다.
이를 위해 제어 소프트웨어에 특화된 이벤트 발생 정보 수집 도구를 구현하여 사용하였고 이 도구를 통해 수집한 각 태스크의 실시간 특성을 기반으로 각 태스크가 수행되어야 할 주기와 순서 등의 스케줄링 모델을 수립하였다. 또한 기존 하드웨어 상에서 수립된 모델이 모든 시간 제약성을 만족하고 수행됨을 보이기 위해 실시간 시스템 분석 기법의 하나인 RMA(Rate-Monotonic Analysis)[15]를 H-VAD인공심장 제어 소프트웨어의 실시간 특성에 맞게 확장하여 이용하였다.
시스템의 예측 가능성과 안전성을 확보를 위해 시스템이 최대 부하일 때를 기준으로 주기와 수행 시간을 측정하였으며, 주기는 각 태스크의 측정된 주기 중 가장 짧은 시간을 기준으로, 수행 시간은 측정된 수행 시간 중 가장 긴 시간을 기준으로 측정 하였다. 또한 본 연구에서는 시간 특성 중의 하나인 최대 수행 시간의 분석 (WCETA: Worst Case Execution Time Analysis)을 위해서 기존의 정적 분석 도구를 사용하지 않고 H-VAD 소프트웨어 테스팅 관련 연구 [20]에서 사용한 최대 커버리지 달성 테스트 케이스를 사용하여 측정하였다. 표 2은 측정 결과를 나타내며 측정 결과에서는 H-VAD에 사용된 DSP의 한계로 인해 0.
시스템의 예측 가능성과 안전성을 확보를 위해 시스템이 최대 부하일 때를 기준으로 주기와 수행 시간을 측정하였으며, 주기는 각 태스크의 측정된 주기 중 가장 짧은 시간을 기준으로, 수행 시간은 측정된 수행 시간 중 가장 긴 시간을 기준으로 측정 하였다. 또한 본 연구에서는 시간 특성 중의 하나인 최대 수행 시간의 분석 (WCETA: Worst Case Execution Time Analysis)을 위해서 기존의 정적 분석 도구를 사용하지 않고 H-VAD 소프트웨어 테스팅 관련 연구 [20]에서 사용한 최대 커버리지 달성 테스트 케이스를 사용하여 측정하였다.
제시했다. 이를 위해 시간 구동 방식 소프트웨어 구조로 재설계 하는 과정에서 기존 시스템 태스크들의 시간적 속성을 측정하는 소프트웨어를 구현하였고 여기서 측정된 결과를 RMA 실시간 분석기법에 적용하여 시스템의 실시간성을 만족시킬 수 있는 적정 태스크 수행 주기를 결정하였다. 이를 바탕으로 인공심장 제어 소프트웨어의 구현을 개선하여 다양한 실험을 통해 개선된 소프트웨어를 탑재한 인공심장 시스템은 시스템의 동작 예측도를 획기적으로 높여주면서 기존의 인공심장 시스템과 동일하게 동작함을 확인하였다.
개선 대상인 H-VAD 인공심장 시스템은 장기 동물실험에서 180일 이상 정상 작동하여 FDA 인공심장 장기동물실험 기준을 만족시킨 시스템으로, 이에 내장된 소프트웨어는 비주기적 태스크 6개와 주기적 태스크 1개로 구성되어있다. 이를 위해 제어 소프트웨어에 특화된 이벤트 발생 정보 수집 도구를 구현하여 사용하였고 이 도구를 통해 수집한 각 태스크의 실시간 특성을 기반으로 각 태스크가 수행되어야 할 주기와 순서 등의 스케줄링 모델을 수립하였다. 또한 기존 하드웨어 상에서 수립된 모델이 모든 시간 제약성을 만족하고 수행됨을 보이기 위해 실시간 시스템 분석 기법의 하나인 RMA(Rate-Monotonic Analysis)[15]를 H-VAD인공심장 제어 소프트웨어의 실시간 특성에 맞게 확장하여 이용하였다.
이를 위해 갖은 수행 주기를 갖는 기존 H-VAD의 태스크 중 T3PINT 태스크를 그림 6와 같이 수정하였다. 이벤트 발생 여부를 확인하는 데에 있어서 기존 H-VAD 의 이벤트 구동 방식 구조를 위해 사용되던 인터럽트 핸들러를 비활성화 하였고 대신 마이크로 프로세서에 내장된 이벤트 상태 레지스터를 이용하여 각 이벤트 발생 여부를 확인하였다.
태스크의 시간 특성 측정을 위한 소프트웨어를 통해 H-VAD에서 수행되는 태스크들의 시간 특성인 태스크 수행 주기와 각 태스크 별 수행 시간을 측정하였다. 시스템의 예측 가능성과 안전성을 확보를 위해 시스템이 최대 부하일 때를 기준으로 주기와 수행 시간을 측정하였으며, 주기는 각 태스크의 측정된 주기 중 가장 짧은 시간을 기준으로, 수행 시간은 측정된 수행 시간 중 가장 긴 시간을 기준으로 측정 하였다.
피스톤이 이동 축을 지나는 시간을 이용하여 피스톤의 정상 작동 여부를 모니터링 한다.

성능/효과

이 과정에서 다양한 태스크의 수행 주기를 고려해야 하고 최대 수행시간과 발생 주기 등 각 태스크의 시간적 속성을 사전에 파악해야 하는 문제가 있다. 둘째, TTA는 버튼 입력, 모터 센서 등과 같은 외부 이벤트 발생 여부를 즉각 확인하는 것이 아니라 주기적으로 수행되는 태스크에 의해 확인되므로 실제 이벤트 발생 시간과 태스크에 의해 그 이벤트의 발생 여부가 확인된 시점 사이에 시간 차이가 생길 수 있다. 이러한 점은 실시간 시스템의 이벤트에 대한 응답 시간을 저하시킬 수 있는데, 인공심장 시스템과 같은 펌프의 현재 동작 상태의 모니터링을 통해 다음 펌프 동작을 결정하는 시스템의 응답 시간 제약을 만족시키지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
이를 위해 시간 구동 방식 소프트웨어 구조로 재설계 하는 과정에서 기존 시스템 태스크들의 시간적 속성을 측정하는 소프트웨어를 구현하였고 여기서 측정된 결과를 RMA 실시간 분석기법에 적용하여 시스템의 실시간성을 만족시킬 수 있는 적정 태스크 수행 주기를 결정하였다. 이를 바탕으로 인공심장 제어 소프트웨어의 구현을 개선하여 다양한 실험을 통해 개선된 소프트웨어를 탑재한 인공심장 시스템은 시스템의 동작 예측도를 획기적으로 높여주면서 기존의 인공심장 시스템과 동일하게 동작함을 확인하였다.

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