High performance, embedded system, multicore embedded systems
Funding Org.
미래창조과학부
Research Org.
한국전자통신연구원
Project Code
15MS5100, Development of SMP RTOS technology for high performance and realtime multicore embedded systems,
Pyeong Soo Mah
Abstract
(3차년도) 연구개발 목표 ○ 주관기관(한국전자통신연구원) - 멀티코어 커널 시험시제품 개발 - 멀티코어 프로그램 통합개발환경 시험시제품 개발 ○ 참여기관(MDS테크놀로지(주)) - 멀티코어 시스템 BSP 시험시제품 개발 - 멀티코어 미들웨어 시험시제품 개발
연구개발 내용 ○ 멀티코어 커널 시험시제품 개발 o 8개의 코어를 지원하는 고성능 실시간 멀티코어 스케줄러 구현 - 멀티코어 스케줄링 과정을 추적하는 스케줄링 디버깅 모듈 구현 - 스케줄링 응답시간 25μs 이하 - 외산 대비 병렬처리속도 성능 비율 80% - 10,000개의 쓰레드로 구성된 멀티코어 응용을 7일 동안 가동하여 커널 안정성 검증 o 태스크를 다른 코어로 이주(migration)하여 전력을 절감하는 멀티코어 저전력 관리기 구현 - 다른 코어로 태스크를 다중으로 이주하는 태스크 이주 기술 구현 - 부하 기반의 태스크 이주 및 동적 전력모드 제어 기술 구현 o 메모리 파티셔닝으로 태스크 결함이 전파되지 않도록 지원하는 커널의 응용 시스템 고신뢰성 지원기 프로토타입 구현 - 태스크의 비정상적인 메모리 참조로 인한 결함을 방지하는 메모리 파티셔닝 기술 구현 - Null 포인터 메모리 참조 및 메모리 결함 오류를 탐지할 수 있는 태스크 결함 탐지 기술 구현 o 멀티코어 환경에서 프로세스 간 통신이 100μs내에 수행되도록 멀티코어 실시간 IPC 성능 최적화 - 멀티코어 지원 메시지 큐, 시그널, 공유메모리 구현 및 최적화 o 멀티코어 응용프로그램의 소스 수준 디버깅에 필요한 디버깅 정보 수집 및 전송기능을 수행하는 멀티코어 타겟 에이전트 구현 - 응용 프로그램을 타겟보드로 다운로드하고, 실행할 수 있는 기능 구현 - 태스크의 수행을 제어(정지, 재개) 할 수 있는 기능 구현 - 디버깅 명령을 수행하고 수행한 결과를 호스트로 전송하는 기능 구현
○ 멀티코어 시스템 BSP 시험시제품 개발 o 태스크와 인터럽트를 코어에서 처리할 수 있도록 지원하는 SMP 구동기 성능 최적화 - 하드웨어 설정, 컴파일러 옵션 최적화 등을 이용한 성능 최적화 o 메모리의 물리 주소를 논리 주소로 매핑하는 MMU 제어기 성능 최적화 - 캐시 제어, 페이지 설정을 이용한 성능 최적화 o 호스트 컴퓨터 없이 컨트롤러나 장치들이 서로 통신할 수 있도록 설계된 CAN 기반 통신 지원을 위한 CAN 디바이스 드라이버 구현 - CAN 디바이스 통신 파라미터 설정 및 로딩 기능 구현 - CAN 통신 데이터 송/수신 기능 구현 - CAN 통신 드라이버가 지정된 코어에서 수행될 수 있도록 기능 구현 o VME 버스 인터페이스를 사용하는 주변기기와 통신을 지원하는 VME 버스 드라이버 구현 - VME 버스를 통해 데이터 통신을 할 수 있는 기능 구현 - VME 버스 컨트롤러 설정 및 제어 기능 구현 - VME 통신을 위한 인터럽트 처리 기능 구현
○ 멀티코어 미들웨어 시험시제품 개발 o 멀티코어 RTOS를 기반으로 클러스터 환경에서 프로세스 간 통신을 지원하는 TIPC(Transparent Inter-Process Communication) 스택 구현 - Zone, Cluster, Node 번호와 TIPC 주소를 상호 변환하는 기능 구현 - TIPC 통신기능을 이용할 수 있도록 연결 생성, 데이터 송/수신 기능 구현 o 멀티코어 지원 SMP 실시간 커널 기반 응용프로그램을 로딩하고 실행시키는 응용 프로그램 로더 구현 - 지정한 CPU 코어에 응용프로그램을 로딩하고 실행할 수 있는 기능 구현 - 응용 프로그램을 동적으로 로딩하고 언로딩할 수 있는 기능 구현 o 멀티코어 커널 변경 및 수정에 따른 표준 C 라이브러리 시험시제품 구현 - 멀티코어 커널 변경에 따른 라이브러리 수정 및 재시험 수행 - 멀티코어 API를 이용하여 POSIX Thread 기능 구현
○ 멀티코어 프로그램 통합개발환경 시험시제품 개발 o 멀티코어 태스크들의 병렬 동작으로 인한 오류를 검출하는 태스크 병렬 동작 분석도구 시험시제품 개발 - 태스크 병렬 동작 프로파일링 데이터 필터링 기술 - 이진 세마포어 사용으로 인한 데드락 검출 기술 o 멀티코어 태스크들의 스케줄링 결과를 시각화하고 수행 시간 및 실시간성 만족 여부를 분석하는 성능 분석기 시험시제품 개발 - 태스크 수행 시간, 코어 별 CPU 사용 정보 분석 기술 - 데드라인을 가지는 태스크들의 실시간성 만족 여부 분석 기술 o 멀티코어 응용 프로그램의 병렬화로 인한 성능 향상을 계산해주는 병렬화 성능 향상 예측기 프로토타입 구현 - 프로그램 동적 분석을 통한 태스크 분배 조정 가이드 기술 o 멀티코어 태스크들을 타겟 보드 없이 PC에서 수행하는 멀티코어 RTOS 시뮬레이션 도구 시험시제품 개발 - 멀티코어 커널 및 응용에 대하여 타겟 보드에서의 수행 시간과 시뮬레이션 수행 시간 분석하여 병목 구간 파악 - 시뮬레이션 엔진의 동기화 영역을 최소화하여 시뮬레이션 수행의 병렬성 개선: 시뮬레이션 수행 시간 비율(시뮬레이션시간/실제수행시간) 2배 - 통합개발환경과의 연동을 통하여 시뮬레이션 도구 환경에서 멀티코어 커널, 미들웨어 및 응용에 대한 수행, 디버깅 및 분석 지원 o 멀티코어 RTOS와 연동하여 멀티코어 응용프로그램을 디버깅 할 수 있는 원격 디버거 프로토타입 구현 - 타겟 시스템의 지정된 코어에서 수행되는 쓰레드 디버깅을 위한 명령을 타겟 에이전트로 전달하고 수행된 결과를 타겟으로부터 수신할 수 있는 기능 구현 - 특정 코어에서 실행되는 쓰레드를 선택하여 수행을 정지시키고 정지된 쓰레드를 수행재개 시킬 수 있는 사용자 인터페이스 구현 - 타겟과 연동하여 멀티코어 응용프로그램을 다운로드하고 실행할 수 있는 사용자 인터페이스 구현
○ 무기체계 SW 개발 프로세스에 따른 품질관리 o 멀티코어 지원 SMP 실시간 운영체제 및 통합개발환경 시험절차 작성 및 기술자문위원회 검토
연구개발 성과 ○ 멀티코어 커널 시험시제품 개발 - 8개의 코어를 지원하는 고성능 실시간 멀티코어 스케줄러 구현 완료 - 동적 전력모드 제어 기반 멀티코어 저전력 관리기 구현 완료 - 응용 시스템 고신뢰성 지원기 프로토타입 구현 완료 - 응용 프로그램 디버깅을 위한 멀티코어 타겟 에이전트 구현 완료
○ 멀티코어 시스템 BSP 시험시제품 개발 - SMP 구동기 및 MMU 제어기 성능 최적화 달성 - CAN 기반 통신 지원을 위한 CAN 디바이스 드라이버 구현 완료 - VME 기반 주변기기와 통신을 지원하는 VME 버스 드라이버 구현 완료
○ 멀티코어 미들웨어 시험시제품 개발 - 프로세스 간 통신을 지원하는 TIPC 스택 구현 완료 - 멀티코어 지원 응용 프로그램 로더 구현 완료 - 멀티코어 지원 표준 C 라이브러리 및 POSIX 시험시제품 구현 완료
○ 멀티코어 프로그램 통합개발환경 시험시제품 개발 - 태스크들의 병렬 동작 오류를 검출하는 분석도구 시험시제품 개발 완료 - 스케줄링 결과 시각화 및 성능 분석기 시험시제품 개발 완료 - 병렬화 성능 향상 예측기 프로토타입 구현 완료 - QEMU 기반 멀티코어 RTOS 시뮬레이션 도구 시험시제품 개발 완료 - 응용프로그램 디버깅 지원을 위한 원격 디버거 프로토타입 구현 완료
활용계획 및 기대효과 ○ 활용계획 o 공동연구기관인 MDS테크놀로지에서 과제의 결과물(멀티코어 커널 및 도구)을 기술이전 받아 멀티코어 지원 PowerPC T2080 레퍼런스 보드에 기술을 적용하여 제품화 진행 중임. o 유도 무기체계 멀티코어 RTOS 적용시험 추진 - 유도무기 분야 작전요구 성능 증대(정밀타격, 실시간 탐색, 협동화력 등)로 인해 멀티코어 기반 통합항법 장치 설계가 요구되고 있음 - 유도무기 체계사업에 적극적으로 제안을 통해 본 과제 결과물인 멀티코어 RTOS의 조기 상용화를 추진하고자 함 o 제품화 계획 - NEOS v5.0(16년 4분기) 출시: 기술이전 받은 멀티코어 RTOS 기술을 NEOS에 통합하여 싱글코어/멀티코어를 동시 지원하는 RTOS 제품 - NEOS v5.1(17년 2분기) 출시: 기술이전 받은 런타임 분석도구 기술을 NEOS에 통합하여 멀티코어 성능 분석 기술이 추가된 NEOS 제품 o 사업화 계획 - 국방 시장을 테스트베드로 단계별 사업화 추진 (3단계 추진 전략) . 기술개발 5차년도에 무기체계 HILS에 적용하여 국방 무기체계에 적용이 가능한 성능인지 검증하여 상용화 수준의 적용사례 확보 . 무기체계의 검증이 입증되면 국방/항공의 방산업체 중에 내장형 SW를 개발하는 업체를 대상으로 멀티코어 지원 RTOS의 홍보와 마케팅을 강화하여 국내 무기체계 전 분야에 확산하는 정책을 추진
○ 기대효과 o 상용화 후 5년 이내에 국내 멀티코어 지원 RTOS 시장의 안정적인 기반을 확보하여 약 280 억원 이상의 매출을 목표로 사업화 추진이 가능할 것으로 기대됨 o 국내 임베디드 SW 전문기업인 참여기업이 사업화를 추진함으로써 기존 싱글코어 지원 RTOS 시장에서 확보된 국방과 항공 분야의 판매 역량과 기술력을 기반으로 멀티코어 지원 RTOS의 시장 진입을 확고히 하는 것이 가능하여 외산과의 경쟁에서 역량 발휘 예상함 o 멀티코어 지원 RTOS의 국내 자립을 통해 RTOS 도입 비용을 절감함으로써 국내 임베디드 SW 산업의 대외 경쟁력 강화가 가능함 o 멀티코어 지원 RTOS 국내 시장에서 2019년부터 2023년까지 5년간 약 300억원의 매출 창출이 예상됨 (2023년 국내시장 점유율 5%) o 멀티코어 지원 RTOS 국외 시장에서 2020년부터 2023년까지 4년간 약 2,000만불의 매출 창출이 예상됨(2023년 국외시장 점유율 0.3%)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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