[논문]오픈소스 하드웨어에서 효율적인 임베디드 소프트웨어 개발을 위한 프레임워크

강기욱; 이정환; 홍지만

오픈소스 하드웨어에서 효율적인 임베디드 소프트웨어 개발을 위한 프레임워크
Framework for efficient development of embedded software in open source hardware 원문보기

스마트미디어저널 = Smart media journal, v.5 no.4, 2016년, pp.49 - 56

강기욱 (숭실대학교 컴퓨터학과) , 이정환 (숭실대학교 컴퓨터학과) , 홍지만 (숭실대학교 컴퓨터학과)

초록
AI-Helper

무선인터넷이 보급되고 IoT 기술이 발달함에 따라 여러 종류의 센서 디바이스가 발전하였다. 그리고 IoT 환경에서 사용자들의 요구를 충족하는 다양한 서비스 개발을 위해 오픈소스 하드웨어가 도입되었다. 하지만 오픈소스 하드웨어는 개발 인력의 부족으로 인해 충분히 활용되지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 오픈소스 하드웨어에서 효율적으로 임베디드 소프트웨어 개발을 교육하기 위한 소프트웨어 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 비주얼 프로그래밍 언어와 빠른 결과 확인을 통해 다양한 오픈소스 하드웨어에서 빠르고 직관적으로 임베디드 소프트웨어를 개발할 수 있게 한다. 또한 제안한 프레임워크를 실제 오픈소스 하드웨어 개발 환경에 구현하여 장단점을 분석하고 개선방안을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various sensor devices has been developed as the wireless Internet and IoT technology are widely used. Recently, open source hardware has evolved for providing various services in IoT environments. However, in comparison to the development of the open source hardware, the development of human resources is missing. In order to solve such a phenomenon, in this paper, we propose a software framework for the embedded software development in open source hardware. The proposed framework provides a fast and intuitive development environment by using the visual programming language and providing fast feedbacks to developers. In addition, we discuss the strengths and weaknesses of the proposed scheme based on the implement on a real board.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다양한 오픈소스 하드웨어에서 임베디드 소프트웨어 개발을 위한 소프트웨어 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 PC에서 비주얼 프로그래밍 언어를 통하여 프로그램을 제작한 다음, 원하는 오픈소스 하드웨어에서 실행할 수 있도록 하여 손쉽게 익히고 사용 가능한 임베디드 소프트웨어 개발 환경을 제공한다.
본 논문에서는 비주얼 프로그래밍 언어를 사용하여 일반 PC에서 오픈소스 하드웨어의 임베디드 보드 프로그래밍을 할 수 있는 프레임워크를 제안하하고 실제로 구현하였다. 본 논문의 방법을 통하여 개발을 할 경우 일반적인 프로그래밍 언어를 사용할 때보다 이해하기 쉽고 빠르게 개발할 수 있으며, 또한 개발 과정 또는 결과를 곧바로 타겟 보드에서 실행할 수 있기 때문에 빠르게 결과를 확인하고 디버깅 및 수정을 할 수 있다.
따라서 오버헤드나 발견된 문제점을 해결하면 보다 개선된 성능을 낼 수 있을 것이다. 본 절은 제안된 프레임워크의 개발 도중 알려진 문제점과 해결 방법을 제시한다.

가설 설정

통신 모듈이 라즈베리 파이를 찾았고, 초기화되지 않았다면 통신 모듈은 초기화 과정을 실행한다. 제안하는 프레임워크의 타겟 보드인 라즈베리파이의 기본설정은 시리얼 연결 시 쉘이 작동하는 것이다. 따라서 통신 모듈은 필요한 파일을 쉘을 통해서 보내고, 다음 과정을 진행한다.

제안 방법

기존에 사용하는 방식은 타겟 보드에서 개발하거나 인터넷 연결 후 SSH에서 개발하는 2가지 방법이 있다. 각 방식과 제안한 프레임워크를 컴퓨터학과 대학생 3학년중 임베디드 초보 개발자와, 동일 학과 대학원생 중 리눅스에 익숙한 숙련된 개발자 각 5명의 시점에서 편의성과 개발시간을 비교할 것이다.
모든 패킷은 호스트 PC에서 먼저 보내면 타겟 보드에서 답변하는 형식이다. 개발의 편의와 오류 메시지의 분류, 그리고 추후 발전을 위하여 하나의 메시지로 모든 과정을 처리하지 않고, 기능별로 나누어 메시지를 보낸다.
초기화 과정의 반대로 SPI 등의 장치 설정을 원래대로 되돌리고, 시리얼 포트를 다시 쉘과 연결한다. 그리고 데몬 프로그램이 자동으로 실행되지 않도록 시작프로그램을 설정한다. 모든 과정이 끝나면 타겟 보드를 재부팅해서 다시 시리얼로 쉘 작업을 할 수 있도록 한다.
또한 사용자 입력을 이용하여 각 변수의 상태를 변경하고 이를 출력한다. 각 상태는 변수의 할당, 변화, 판단 등에서 사용되며, 모듈의 입력 혹은 상태의 결과나 프로그램의 흐름에 따라서 다른 상태로 이전되거나 모듈로 출력을 한다.
제안하는 프레임워크는 PC에서 비주얼 프로그래밍 언어를 통하여 프로그램을 제작한 다음, 원하는 오픈소스 하드웨어에서 실행할 수 있도록 하여 손쉽게 익히고 사용 가능한 임베디드 소프트웨어 개발 환경을 제공한다. 또한 제안한 프레임워크를 라즈베리 파이에 구현하여 장단점을 분석하였다.
그 다음, 저장된 파일에서 위치, 주석, 색깔 등 필요 없는 부분을 제외하고 C언어의 절차적 프로그램으로 필요한 부분만 잘라낸다. 마지막으로 간단한 내용이 담겨있는 템플릿인 Skeleton code를 라즈베리파이에 맞도록 수정한 다음, 잘라낸 코드를 수정된 스켈레톤 코드의 필요한 부분에 번역하여 추가한다. 번역이 완료되면 IDE는 통신 모듈을 실행한다(그림 5).
먼저 비주얼 프로그래밍을 위한 IDE를 구현하였다. 비주얼 프로그래밍 언어의 구현 방식은 타임라인 방식과 스테이트 머신 방식 중, 많은 개발자에게 보다 익숙한 방식인 스테이트 머신 방식을 선택하였다.
먼저 비주얼 프로그래밍을 위한 IDE를 구현하였다. 비주얼 프로그래밍 언어의 구현 방식은 타임라인 방식과 스테이트 머신 방식 중, 많은 개발자에게 보다 익숙한 방식인 스테이트 머신 방식을 선택하였다. 제안하는 프레임워크의 IDE는 많은 사람들이 사용하고, 내용을 수정할 수 있는 오픈 소스 IDE인 이클립스를 기반으로 프로그래밍하였다.
오픈소스 하드웨어를 처음 접하는 대부분의 신입 개발자와 학생들은 윈도우 이외의 환경에 익숙하지 않으므로, 본 논문이 제안하는 프레임워크는은 보다 익숙한 환경인 윈도우에서 임베디드 소프트웨어를 개발할 수 있도록 설계한다.
오픈소스 하드웨어를 처음 접하는 대부분의 신입 개발자와 학생들은 윈도우 이외의 환경에 익숙하지 않으므로, 본 논문이 제안하는 프레임워크는 보다 익숙한 환경인 윈도우에서 임베디드 소프트웨어를 개발할 수 있도록 설계한다. 이를 위해서 윈도우가 설치된 호스트 PC에서 구동하는 통합 개발 환경(IDE)를 제공하고, 이를 타겟 보드에 전송할 수 있는 중계 프로그램을 제공한다. 이 방법은 호스트 PC에서 개발한 프로그램이 타겟 보드로 전송되어 설치므로 서로 다른 OS가 설치되어 있더라도 개발이 용이하다.
본 논문에서는 다양한 오픈소스 하드웨어에서 임베디드 소프트웨어 개발을 위한 소프트웨어 프레임워크를 제안한다. 제안하는 프레임워크는 PC에서 비주얼 프로그래밍 언어를 통하여 프로그램을 제작한 다음, 원하는 오픈소스 하드웨어에서 실행할 수 있도록 하여 손쉽게 익히고 사용 가능한 임베디드 소프트웨어 개발 환경을 제공한다. 또한 제안한 프레임워크를 라즈베리 파이에 구현하여 장단점을 분석하였다.
이를 위해 OS에서 SSH 등의 기능을 제공하지만 이는 신입 개발자가 익숙해지고 사용하는데 오래 걸린다. 제안하는 프레임워크는 PC와 타겟 보드를 연결하여 개발 후 전송 및 실행하는 과정을 간소화하는 모듈을 제공한다 .
또한 신입 개발자들은 타겟 보드를 이용한 임베디드 프로그래밍에 익숙하지 않다. 제안하는 프레임워크의 IDE는 그래픽 기반의 비주얼 프로그래밍 언어를 제공하여, 유한상태머신 형태의 비주얼 프로그래밍 언어를 제공한다. 그것에서 상태머신에서 상태의 집합은 각 모듈이나 핀을 나타내고, 각 상태 하나는 모듈이나 핀의 한 상태를 의미한다.
비주얼 프로그래밍 언어의 구현 방식은 타임라인 방식과 스테이트 머신 방식 중, 많은 개발자에게 보다 익숙한 방식인 스테이트 머신 방식을 선택하였다. 제안하는 프레임워크의 IDE는 많은 사람들이 사용하고, 내용을 수정할 수 있는 오픈 소스 IDE인 이클립스를 기반으로 프로그래밍하였다. 또한 기존에 펠리컨 로봇을 이용하여 비주얼 프로그래밍을 가능하도록 만든 Roboid Studio 역시 이클립스를 수정하여 만들었으므로, 이를 참고하였다.
제안한 방법을 제외한 다른 방법들은 5초 이하의 짧은 시간이 걸린다. 제안한 방법은 시리얼 통신의 오류를 해결하기 위해, 1kb당 1초씩 추가 시간을 필요로 하므로 걸리므로 전송하려는 크기가 커질수록 시간이 더 걸린다. 소스코드 자체가 커지지 않는다면 크지 않은 차이이다.
먼저 호스트 PC는 파일을 보낸다는 패킷에 파일 길이를 포함하여 송신한다. 타겟 보드는 파일 길이를 패킷 길이로 나누어, 몇 개의 패킷이 올지 예측한다. 이후 호스트 PC에서 보내는 패킷은 패킷 순서와 소스 코드의 일부를 포함한다.
그 다음 완성된 프로그램을 실행하고 나중에 종료하기 위해 해당 pid를 저장한다. 타겟보드인 라즈베리파이의 특성상, 외부 입출력인 GPIO를 이용하기 위해 슈퍼유저 권한으로 실행한다. 실행 파일이 없거나 SPI 등 옵션이 초기화되지 않아서 오류가 생긴다면 해당 결과를 호스트 PC에 알려줘서 다시 초기화를 하도록 한다.

이론/모형

제안하는 프레임워크의 IDE는 많은 사람들이 사용하고, 내용을 수정할 수 있는 오픈 소스 IDE인 이클립스를 기반으로 프로그래밍하였다. 또한 기존에 펠리컨 로봇을 이용하여 비주얼 프로그래밍을 가능하도록 만든 Roboid Studio 역시 이클립스를 수정하여 만들었으므로, 이를 참고하였다.

성능/효과

본 논문에서는 비주얼 프로그래밍 언어를 사용하여 일반 PC에서 오픈소스 하드웨어의 임베디드 보드 프로그래밍을 할 수 있는 프레임워크를 제안하하고 실제로 구현하였다. 본 논문의 방법을 통하여 개발을 할 경우 일반적인 프로그래밍 언어를 사용할 때보다 이해하기 쉽고 빠르게 개발할 수 있으며, 또한 개발 과정 또는 결과를 곧바로 타겟 보드에서 실행할 수 있기 때문에 빠르게 결과를 확인하고 디버깅 및 수정을 할 수 있다.
호스트 PC에서는 비주얼 프로그래밍 언어를 사용하는 통합 개발 환경(IDE)을 제공하며 작성된 프로그램은 타겟 보드로 전송되어 실행된다. 일반적인 개발 환경에서는 개발자가 타겟 보드에 연결하여 원시 언어로 직접 프로그램을 작성해야 하므로 임베디드 소프트웨어 개발 교육이 쉽지 않은 반면, 제안하는 프레임워크에서는 비주얼 언어를 사용하여 간편한 조작으로 프로그램을 쉽게 작성할 수 있고, 타겟 보드에서 프로그램을 실행한 후 빠르게 결과를 확인하고 오류를 수정할 수 있다(그림 3).
전체 과정에서 제안한 프레임워크는 보다 초보 개발자에게 개발에 있어 편의성과 직관성을 제공하고, 적은 시간을 소모하도록 함을 확인하였다. 다만 숙련된 개발자는 기존 개발방식과 다른 개발방식과 부족한 기능으로 인해 불편함을 느낄 수 있다.
대부분의 사람들이 TUI보다는 GUI에 익숙하며[23], 초보개발자는 임베디드 프로그래밍에 대한 이해를 한 후 개발을 시작하는 것보다 비주얼 프로그래밍 언어를 이용하는 것이 개발시간은 더 적을 것이다. 피험자를 상대로 개발을 진행해 본 결과, 일반적인 프로그래밍 언어를 이용할 때는 개발시간의 차이가 컸지만, 비주얼 프로그래밍 언어를 이용할 때는 툴에 익숙해지면 피험자들의 개발시간 차이는 적었다.

후속연구

다른 방식과 달리 제안하는 프레임워크는 파일 전송이나 초기화 과정에서 생기는 오버헤드가 존재한다. 따라서 오버헤드나 발견된 문제점을 해결하면 보다 개선된 성능을 낼 수 있을 것이다. 본 절은 제안된 프레임워크의 개발 도중 알려진 문제점과 해결 방법을 제시한다.
앞으로는 구현된 프레임워크의 단점을 보완하고 작동 중 일어나는 문제점을 해결하는 방법을 찾고 적용해 볼 예정이다. 또한 교육용 개발 프레임워크라는 개발 취지에 맞추어 다른 입출력 모듈과 다른 타겟 보드를 프레임워크에 적용하여, 여러 종류의 모듈과 타겟 보드에 대한 개발을 가능하게 만들 예정이다.
앞으로는 구현된 프레임워크의 단점을 보완하고 작동 중 일어나는 문제점을 해결하는 방법을 찾고 적용해 볼 예정이다. 또한 교육용 개발 프레임워크라는 개발 취지에 맞추어 다른 입출력 모듈과 다른 타겟 보드를 프레임워크에 적용하여, 여러 종류의 모듈과 타겟 보드에 대한 개발을 가능하게 만들 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오픈소스 하드웨어의 특징은 무엇인가?	오픈소스 하드웨어는 해당 제품을 만드는 데 필요한 모든 것 (회로도, 자재명세서, 인쇄 회로 기판 도면 등)을 대중에게 공개한 전자제품이나, 하드웨어 기술 언어가 대중에게 공개된 프로그래머블 논리 소자를 의미한다. 오픈소스 하드웨어는 손쉬운 복제가 가능하고, 기능을 추가하기 위한 모듈과 참고자료 등이 많다는 특징이 있다. 따라서 오픈소스 하드웨어는 보급이 쉽고 사용이 자유로워 교육용 및 개발용으로 자주 쓰이며, 그 중 교육용으로 자주 쓰이는 종류는 라즈베리파이[5]나 아두이노[6] 등이 있다.
	오픈소스 하드웨어는 무엇인가?	오픈소스 하드웨어는 해당 제품을 만드는 데 필요한 모든 것 (회로도, 자재명세서, 인쇄 회로 기판 도면 등)을 대중에게 공개한 전자제품이나, 하드웨어 기술 언어가 대중에게 공개된 프로그래머블 논리 소자를 의미한다. 오픈소스 하드웨어는 손쉬운 복제가 가능하고, 기능을 추가하기 위한 모듈과 참고자료 등이 많다는 특징이 있다.
	타겟 보드에 전송할 수 있는 중계 프로그램을 제공하는 방법이 개발에 용이한 이유는 무엇인가?	이를 위해서 윈도우가 설치된 호스트 PC에서 구동하는 통합 개발 환경(IDE)를 제공하고, 이를 타겟 보드에 전송할 수 있는 중계 프로그램을 제공한다. 이 방법은 호스트 PC에서 개발한 프로그램이 타겟 보드로 전송되어 설치므로 서로 다른 OS가 설치되어 있더라도 개발이 용이하다.

참고문헌 (23)

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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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