Embedded 시스템의 개요

- Embedded 시스템의 개요-

 

임베디드 시스템 개요

▣ 임베디드 시스템

◈ 정의 : 마이크로프로세서 혹은 마이크로컨트롤러를 내장하여  원래 제작자가 지정한 기능만을 수행하는 장치

 만일 한 시스템에서 사용자가 프로그램을 바꿔가면서 그에 따라 여러 가지 기능들을 수행할 수 있다면 그 시스템은 대부분의 사람들이 임베디드 시스템이라고 분류하지 않는다.  

 Example) PC is NOT an embedded system.  

▣ 구성 :

◈ 임베디드 H/W : 프로세서/컨트롤러, 메모리, I/O, 네트워크

◈ 임베디드 S/W : 커널, 시스템 S/W, 응용 S/W

▣ 응용분야 :

◈ 정보가전, 정보단말, 통신장비, 항공/군용, 물류/금융, 차량/교통, 사무, 산업/제어, 의료, 게임, 로봇

임베디드 S/W 특징

임베디드 시스템 동향

▣ 미국

◈ 프로세서, OS, 프로토콜 등 전 분야를 점유

◈ 미국은 군사/과학용 임베디드 S/W를 21세기 핵심 분야로 선정하고 매년 4천억 달러 이상을 연구개발에 투자 

▣ 유럽

◈ 개발도구, 브라우저 등의 일부 업체가 존재 

◈ 군사/교통용 임베디드 S/W에 '99년부터 7년간 3조8천억을 투자 

▣ 일본

◈ 총무성 주도로 Ubiquitous 네트워크 개발을 추진 중

◈ ‘84년부터 TRON 협회에서 표준 임베디드 OS를 개발;일본 내 가전제품에 적용 중 

▣ 임베디드 OS: 

◈ Real-time Operating System 중심

◈ MS의 WinCE 및 임베디드 리눅스 진입 시작

◈ 미들웨어, 각종 서비스를 포괄하는 플랫폼 기술이 중요하게 대두 

임베디드 시스템의 요구사항

▣ 실시간 + 임베디드 : Must provide correct results at required time deadline

◈ For examples

 Security system that checks ID badges

 Robot that welds sheet metal

 Automated teller machine

▣ Most of control system is real-time embedded systems

▣ An embedded system is implemented by hardware function itself, but not  SW, to ensure real-time response

▣ Embedded software must work with hardware, so it should have real-time characteristics - real-time software

▣ How to implement real-time applications

◈ Using hardware functionality

◈ Interrupt mechanism of microprocessor

 Polling is slow

◈ Complex multiprocessing program based on RTOS

▣ Designing real-time embedded systems is different

임베디드 시스템의 활용 분야

임베디드 시스템의 활용 분야

임베디드 시스템 시장 현황 및 전망

▣ 2002년 임베디드 시스템 세계시장

◈ 약 1,000억 달러 규모

◈ 임베디드S/W 분야 : 약 200억달러 규모

◈ 매년 평균 20%의 성장률

◈ 2007년 약 500억달러 수준으로 성장 전망(RCW Mirus, 2001) 

▣ 2002년 국내 시장규모

◈ 약7천8백억원 규모

▣ 2007년 

◈ 1조 9천5백억원 규로로 성장 전망 (정보통신연구진흥원, 2002) 

임베디드 리눅스 Open 플랫폼의 보급

▣ 비영리 임베디드 시스템 협의회로 임베디드 리눅스 콘소시엄(ELC)

▣ 최소 플랫폼 

      전형적인 1개 이상의 특정서비스의 지원 목적. 최소한의 요구사항으로서 사용자와 interaction이 필요 없는 경우다. 이 경우는 파일시스템과 같은 대용량의 저장장치를 필요로 하지 않는다. 보통 1개의 프로세서만이 있게 되는데 1 개 이상의 쓰레드 (리눅스 태스크 또는 POSIX 쓰레드)만이 있을 수도 있다. 

▣ 중간 플랫폼 

     최소 크기의 개발 플랫폼에 파일시스템과 같은 대용량 저장장치, 비동기 I/O, 객체들(예: 라이브러리)의 동적 연결기능들을 추가로 지원한다. 복수의 프로세스와 주소공간이 가능하다. 하드웨어 요구사항은 대용량 저장장치가 실제적으로 필요하지는 않아도 RAM 이나 ROM 같은 것에 파일시스템이 구현된다. 

▣ 풀(최대) 플랫폼 

     다목적이며 최대(full) 리눅스 환경을 말한다. 리눅스의 전체 기능이 포함된다. 하드웨어는 1 개 이상의 다수 프로세서, 메모리, 대용량 저장장치, 네트워크 지원, 사용자 인터페이스 지원 등이 포함된다.

임베디드 소프트웨어 정의

▣ 임베디드 운영체제

▣ 특정 응용에 적용하기 위한 미들웨어

▣ 서비스 개발을 위한 라이브러리

▣ 응용 소프트웨어를 개발하기 위한 개발도구

▣ 응용 소프트웨어/서비스 동작시 시스템을 분석하기 위한 도구

▣ 임베디드 시스템을 구성하기 위한 구성환경

하드웨어의 요구사항

▣ 임베디드 시스템의 하드웨어 구성 및 요구사항 :

임베디드 시스템의 하드웨어 요구사항은 사용 용도에 따라 크게 변한다. 

임베디드 시스템의 구성 - H/W

▣ 직렬포트(serial port)

◈ RS232C규격, 몇 m 떨어진 곳의 주변장치대상

◈ 특징: 저속, 간단

▣ 병렬 포트(parallel port)

◈ 시리얼보다 더 근접한 위치의 주변장치 용; 프린터 인터페이스

▣ USB (Universal Serial Bus) 및 IEEE 1394

◈ 최근에는 주변장치에서 많은 멀티미디어 데이터를 처리해야 하기 때문에 직렬이나 병렬 인터페이스로는 부족한 성능을 개선

◈ USB : 

 최대 12 Mbps까지 전송속도

 최대 127개의 주변 장치들을 연결

 프린터, 스캐너, 키보드, 조이스틱, MP3 Player 등의 제품에서 사용

◈ IEEE 1394: Apple의 Firewire

 400 Mbps까지의 전송속도

 최대 63개의 주변장치

 하드디스크, CD/CD-RW 및 비디오카메라 등의 제품에서 사용

임베디드 시스템의 구성 - H/W

▣ 입출력 장치 

◈ 임베디드 시스템의 동작형태

 외부 입력에 반응하여 정해진 작업을 실행하며 지정된 출력을 발생

◈ 임베디드 시스템의 사용방법

 폴링 (Polling) : Simple Implementations

 인터럽트 (Interrupt) : Efficient Implementations

◈ 입력장치

 키보드, 마우스, 마이크 등

 센서(Sensor)를 많이 활용

– 외부에서 발생한 물리적인 현상, 즉 온도, 빛, 위치 등의 값 (또는 변화량)들을 임베디드 시스템으로 읽어 들이는 역할을 수행

▣ 네트워크 장치 

◈ 멀리 떨어진 곳의 주변장치 제어

◈ 유선 네트워크: 이더넷(Ethernet)이 널리 사용 

 IEEE 802.3 표준

◈ 무선 네트워크 방식

 802.11a, 802.11b 규격

임베디드 시스템의 구성 - S/W

▣ 임베디드 시스템 소프트웨어의 구성

◈ OS : RTOS, Embedded Linux

◈ 시스템 S/W: OS API, Network API, …

◈ 응용 S/W: 각 분야/용도 별

▣ PC S/W vs. 임베디드 시스템 S/W 

임베디드 시스템의 구성 - S/W

▣ 운영체제 (Operating System) 

◈ 범용 운영체제

 다양한 프로그램을 지원 but 덜 매력적

 Linux, Microsoft XP 혹은 2000pro 등의 데스크 탑 운영체제

◈ 임베디드 시스템 운영체제

 가격 경쟁력을 갖추어야 함

 응답 속도, 인터럽터, Efficiency, Scalability, Portability  

 RTOS는 실시간적 요소를 충족시키기 위해서 모듈화, 선점형 멀티 태스킹, 스케쥴링, 통합 개발 환경 지원 

 embedded Linux, pocket PC, Nucleus PLUS 

 Xinu, uC/OS, pSOS, VxWORKs , eCOS , QNX, VRTX , Qplus

임베디드 시스템의 구성 - S/W

▣ 시스템 S/W

◈ 컴퓨터 하드웨어를 관리하고 응용 소프트웨어를 실행하는데 필요한 프로그램들

◈ 미들웨어

◈ 각종 하드웨어 및 주변 장치들을 구동하는 데 필요한 드라이버 프로그램

◈ 서비스 개발을 위항 라이브러리

◈ 응용 소프트웨어를 개발하기 위한 개발도구 (예를 들면 C, C++, 어셈블리 언어, 컴파일러, 디버거, 프로그램 개발도구( Visual studio, Qplus ESTO) )등

임베디드 시스템의 구성 - S/W

▣ 응용 S/W

◈ 임베디드 시스템의 응용소프트웨어

 운영체제와 시스템소프트웨어를 이용하여 사용자에게 유익한 작업을 수행하는 소프트웨어들

 일반적으로 RAM에 올려져서 동작

 많은 경우에 작은 크기의 임베디드 시스템에서는 시스템의 전원이 꺼지더라도 다시 전원을 인가하면 바로 동작이 실행될 수 있도록 만들기 위하여 응용 프로그램을 ROM 혹은 플래시메모리에 저장하기도 함

사용자 작업환경

▣ 타겟보드에서 응용프로그램 작성 및 실행을 위한 환경

▣ 운영체제, 파일시스템, 및 쉘 설치 

▣ PC에서 사용자가 당연하다고 여겼던 특징을 임베디드 리눅스 환경에서도 가능하도록 개발자가 고려

▣ 즉 사용자에게 어떤 환경, 파일시스템, 부트로더, 및 응용프로그램 실행서비스를 제공할 것인가를 고려

임베디드 소프트웨어 개발 환경

< 개발 지원 호스트 와  타겟 시스템의 관계 >

크로스 컴파일이후의 처리

▣    타겟보드에 이미지를 적재하는 방법 

▣    이미지를 적재할 메모리 상의 주소 

▣    프로그램을 실행하는 방법 

▣    프로그램이 원하는 결과를 출력하는 방법 

부트 로더 (Boot Loader)

▣ 부트 로더란?

    리눅스 커널 부팅 이전에 미리 실행되면서 커널이 올바르게 부팅되기 위해 필요한 모든 관련 작업을 마무리하고 최종적으로 리눅스 커널을 부팅시키기 위한 목적으로 짜여진 프로그램을 말한다

▣ 부트 로더의 기능

◈ 하드웨어 초기화

◈ 커널의 적재 및 부팅

◈ 디버깅

◈ 플래시 메모리 

1-ROM의 코드와 RAM의 데이터 

2-ROM으로부터 이미지 전달 후 RAM에서 실행 

3-호스트에서 이미지 전달 후에 RAM에서 실행 

리눅스 커널 부팅과정

임베디드 소프트웨어 설계

▣ 임베디드 리눅스는 모든 경우에 적합한 것인가?

▣ 과연 리눅스가 개발프로젝트에 대하여 부적절하다고 생각되는 경우는 없을까? 분명히 어떤 운영체제도 모든 경우에 완벽한 경우는 없다.

▣ 커널의 크기 결정 : 개발시스템의 커널 크기와 메모리

▣ 정적/동적 응용프로그램 구성 방법의 결정 

▣ 임베디드 리눅스 응용프로그램은 모두 3개의 소프트웨어 계층(커널, C 라이브러리, 응용)으로 구성되는데, 커널로더, 커널, 및 몇 개의 응용프로그램의 정적/동적 연결 방안

시스템의 최적화 위한 하부소프트웨어 결정

▣ Shell 

     리눅스에는 기본적으로 2 가지의 쉘(Bourne 쉘과 C 쉘). 임베디드 응용에서는 ash를 사용하면 커널의 크기를 크게 절약할 수 있다. ash 쉘은 표준 bash 쉘의 1/3 정도보다 작은 100KB 정도의 크기에 불과하다. 

▣ C 라이브러리 결정 

    응용프로그램의 소프트웨어 요소 중에서 가장 큰 것 중의 하나가 동적 라이브러리이다. 

    대체 라이브러리가 있는데 dietlibc, Newlib, 및 uClibc 등 

▣ 유틸리티 결정 

    쉘 유틸리티로 grep , awk, 및 expr 등이 있는데 임베디드 시스템을 개발하고자 할 때는 Busybox 가 가장 추천됨

리눅스 커널의 구조

임베디드 환경의 파일 시스템

1. 램 디스크

    램의 일부분을 파일 시스템으로 구성하여 디스크 파일 시스템 처럼 읽고 쓸 수 있도록 활용하는 방법

2. Busybox

   “multi-call binary” 파일로 시스템 운용에 필요한 여러 필수 유틸리티들을 하나의 실행 파일로 압축, 통합시켜 적은  용량의 램 디스크를 극복하기 위해 활용된다.

3. NFS

   호스트 등의 네트워크를 이용하여 외부의 디스크 공간을 루트 디스크로써 활용

디바이스 드라이버 -모듈 프로그래밍

▣ 모듈 프로그래밍의 필요성

◈ 리눅스 커널은 모노리딕 커널; 마이크로 커널 방식이 아님

◈ Monolithic Kernel

 An integrated kernel, whole OS functions to itself

 Traditional UNIX, SVR4, Solaris, Linux

◈ Micro Kernel

 Has the basis kernel with functional servers

 VxWorks, pSOS, VRTX, QNX, SROS

▣ 모듈 프로그래밍의 역할

◈ 모듈 프로그래밍으로 모노리딕의 단점을 해결함.

◈ 커널 영역에서 프로그래밍 방법 제공

◈ 디바이스 드라이버를 작성하는 방법

 모듈 프로그램의 출력을 오브젝트 모듈 (디바이스 드라이버)