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문제 정의
- 본 논문에서는 풀 시스템 에뮬레이터를 기반으로 하고 시스템의 명령어 추출이 가능하도록 개조하여 블랙박스와 같은 영상기반 시스템의 개발에 적용할 수 있는 프로토타이핑 도구를 제안하고 실행결과를 정리하였다. 프로토타이핑 도구의 명령어 추출과 ARM 시스템 에뮬레이션을 확인하기 위해 특정 명령어를 삽입한 ARM 시스템용으로 컴파일 된 프로그램을 실행하였고 삽입한 특정 명령어가 제대로 추출되는 것과 ARM 시스템용 프로그램이 실행되는 것을 확인하였다.
- 본 절에서는 블랙박스 하드웨어 프로토타이핑 도구의 블랙박스 응용프로그램에서 영상 녹화와 재생 시의 수행되는 명령어를 측정하였다. 표 3은 영상 녹화와 재생 시 수행되는 명령어를 나타내며, 녹화와 재생 시 수행되는 명령어가 유사함을 확인하였다.
제안 방법
- 블랙박스 응용프로그램은 GUI프로그램이 녹화와 재생을 위해 FFmpeg과 MPlayer을 자식프로세스로 생성하는 구조를 가지므로 GUI프로그램이 수행한 명령어에 영향을 준다. GUI프로그램의 영향을 배제하기 위하여 생성되는 자식프로세스들에 대해서만 명령어를 추출하도록 수정하였고 결과는 표 4와 같다. GUI프로그램의 영향을 배제하여도 ldr, add, str과 같은 기본적인 명령어들이 많이 출력되는 것을 확인할 수 있다.
- 각 주변 장치들은 특정한 메모리 주소를 할당 받고, Linux 커널은 해당 주변 장치를 제어하기 위해서 그 주변 장치에게 할당된 메모리 영역을 접근한다. 동일한 방식으로 QEMU에 구현된 ARM PrimeCell UART PL011의 Reserved영역에 추출도구 활성화 비트를 할당하고, Linux 커널도 시스템호출을 통하여 디바이스 드라이버가 미리 약속된 추출도구 활성화 비트에 접근하도록 하여 에뮬레이터와 Linux 커널 간 통신을 구현하였다[12].
- 또한 ARM은 ARM, Thumb, Thumb-2, Coprocessor, NEON 등 총 5가지 명령어군으로 구성되어 있으므로, 이에 따라 명령어 추출 도구는 명령어를 명령어군에 따라 구분하여 호출 횟수를 저장하고, 호출 빈도순으로 상위 10개의 명령어를 결과로 출력한다.[11]
- 또한 Thumb명령어 확인을 위하여 프로그램을 Thumb 모드로 다시 컴파일 하여 동일한 환경에서 실험하였다. 표 2의 nop 추가(Thumb)은 Thumb 모드로 컴파일 한 프로그램의 실행 결과이다.
- 또한 명령어 추출 도구의 동작을 확인하기 위해 프로그램을 일부 수정하였다. 이전 실험의 결과에서 볼 수 있듯이 간단히 문구를 출력하는 프로그램도 많은 종류의 명령어로 수행되므로 기존 프로그램에 특정 명령어를 삽입하여 기존 결과와 비교해보는 방식으로 실험하였다.
- Linux 커널의 do_execve함수를 수정하여 명령어를 추출하고자 하는 프로세스에게는 생성 시 추가적인 정보를 부여하여 일반 프로세스와 구분하였다. 또한 명령어를 추출할 프로세스가 CPU를 선점하였을 경우에만 명령어를 획득하기 위해, 문맥교환 시 명령어를 추출하고자 하는 프로세스가 CPU를 할당받으면 시뮬레이션을 시작하고 CPU를 반납하면 시뮬레이션을 중지하여 특정 프로세스에 대해서 명령어를 추출하도록 변경하였다.
- 특정기간이나 특정프로세스에 대한 명령어를 추출하기 위해서 Linux 커널의 수정이 필요하다. 명령어를 추출할 기간의 시작과 끝을 지정하고, 명령어를 추출할 프로세스를 생성하기 위해 3개의 시스템 호출을 추가하였다.
- 본 논문은 ARM ISA(Instruction Set Architecture)를 지원하는 풀 시스템 에뮬레이터인 QEMU를 사용하여 가상 프로토타이핑 방식의 고속 저비용 블랙박스 하드웨어 프로토타이핑 도구를 제안하고, 실행되는 명령어 추출을 통해 시스템의 동작을 분석하고 최적화에 활용한다.
- 프로토타이핑 도구의 명령어 추출과 ARM 시스템 에뮬레이션을 확인하기 위해 특정 명령어를 삽입한 ARM 시스템용으로 컴파일 된 프로그램을 실행하였고 삽입한 특정 명령어가 제대로 추출되는 것과 ARM 시스템용 프로그램이 실행되는 것을 확인하였다. 블랙박스 응용프로그램의 녹화와 재생 시의 명령어를 추출하여 시스템에서 주로 호출되는 명령어를 파악해보았다. 모든 상황에서 ldr, add, str, mov와 같이 가장 기본적인 명령어들이 가장 많이 실행된다.
- 실험은 ARM 시스템 에뮬레이션과 명령어 추출 가능여부를 확인하고, 영상 녹화와 재생 시 수행되는 명령어를 추출한다. 실험 결과는 명령어군 별 실행횟수와 실행 빈도 순으로 상위 10개의 명령어와 횟수, 그리고 상위 10개의 명령어가 전체 명령어에서 차지하는 비율을 출력한다.
- 이 장에서는 블랙박스 하드웨어 프로토타이핑 도구의 동작을 확인하기 위해 ARM 시스템 에뮬레이션과 명령어 추출 가능여부를 확인하고, 영상 녹화, 재생 시 명령어 추출을 진행하였다.
- 앞 단계에서는 목표 ISA마다 가지고 있는 변환기를 이용하여 게스트코드를 중간코드(Intermediate code)로 변환하고, 뒷 단계에서는 TCG(Tiny Code Generator)를 이용하여 중간코드를 호스트코드로 변환한다. 이 중 앞 단계에서 변환을 위해 입력된 게스트코드를 획득하고 저장하는 방식으로 명령어를 추출하도록 에뮬레이터를 개조하였다.
- 또한 명령어 추출 도구의 동작을 확인하기 위해 프로그램을 일부 수정하였다. 이전 실험의 결과에서 볼 수 있듯이 간단히 문구를 출력하는 프로그램도 많은 종류의 명령어로 수행되므로 기존 프로그램에 특정 명령어를 삽입하여 기존 결과와 비교해보는 방식으로 실험하였다. 피연산자와 조건실행이 없고 특별한 동작 없이 사이클만 소비하는 nop명령어를 삽입하였다.
- 프로토타이핑 도구의 ARM 시스템 에뮬레이션 여부를 확인하기 위해 ARM 시스템용으로 컴파일 된 간단한 문구를 출력하는 프로그램을 실행하였다. 프로그램은 정상실행되었고 결과는 표 2의 문구출력과 같다.
- 이전 실험의 결과에서 볼 수 있듯이 간단히 문구를 출력하는 프로그램도 많은 종류의 명령어로 수행되므로 기존 프로그램에 특정 명령어를 삽입하여 기존 결과와 비교해보는 방식으로 실험하였다. 피연산자와 조건실행이 없고 특별한 동작 없이 사이클만 소비하는 nop명령어를 삽입하였다. 표2의 nop 추가(ARM)은 nop을 삽입한 프로그램의 실행결과로 이전 실험 결과에 추가적으로 삽입한 nop명령어가 추출되었다.
- QEMU를 안드로이드 플랫폼에 맞춰 수정된 안드로이드 에뮬레이터를 개조하여 안드로이드 시스템 상에서 스마트폰 응용프로그램들의 메인 메모리 접근 특성을 분석하는 도구가 제안되었다[5]. 해당 분석 도구에서는 안드로이드 에뮬레이터에 캐시 시뮬레이터를 결합 후, 명령어를 읽어오는 경우와 Load/Store에 의해 데이터 메모리에 접근하는 경우에 대해 메모리 접근 주소를 추출하는 방식으로 메모리 접근 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 8을 이용하였다. 실제 보드와의 호환성을 높이기 위해 보드에서 사용된 CPU인 ARM Cortex-A8을 목표로 선정하였으며, 영상 입력 장치로는 화상카메라를 USB버스로 연결하였다.
이론/모형
- 블랙박스 응용프로그램은 영상을 녹화하고 재생하기 위해 해당 기능들을 지원하는 오픈소스 라이브러리인 FFmpeg과 MPlayer을 이용하였다[8][9]. FFmpeg은 멀티미디어 프레임워크로 Fabrice Bellard에 의해 처음 시작되어 현재는 Michael Niedermayer에 의해 지속되고 있다.
성능/효과
- GUI프로그램의 영향을 배제하기 위하여 생성되는 자식프로세스들에 대해서만 명령어를 추출하도록 수정하였고 결과는 표 4와 같다. GUI프로그램의 영향을 배제하여도 ldr, add, str과 같은 기본적인 명령어들이 많이 출력되는 것을 확인할 수 있다.
- 실험은 ARM 시스템 에뮬레이션과 명령어 추출 가능여부를 확인하고, 영상 녹화와 재생 시 수행되는 명령어를 추출한다. 실험 결과는 명령어군 별 실행횟수와 실행 빈도 순으로 상위 10개의 명령어와 횟수, 그리고 상위 10개의 명령어가 전체 명령어에서 차지하는 비율을 출력한다.
- 본 논문에서는 풀 시스템 에뮬레이터를 기반으로 하고 시스템의 명령어 추출이 가능하도록 개조하여 블랙박스와 같은 영상기반 시스템의 개발에 적용할 수 있는 프로토타이핑 도구를 제안하고 실행결과를 정리하였다. 프로토타이핑 도구의 명령어 추출과 ARM 시스템 에뮬레이션을 확인하기 위해 특정 명령어를 삽입한 ARM 시스템용으로 컴파일 된 프로그램을 실행하였고 삽입한 특정 명령어가 제대로 추출되는 것과 ARM 시스템용 프로그램이 실행되는 것을 확인하였다. 블랙박스 응용프로그램의 녹화와 재생 시의 명령어를 추출하여 시스템에서 주로 호출되는 명령어를 파악해보았다.
후속연구
- 본 프로토타이핑 도구는 외부환경을 고려하지 않지만, 일반적으로 시스템들은 외부로부터 적지 않은 영향을 받는다. 이런 외부 영향을 변수로 입력받아 프로토타이핑에 적용하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
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