멀티코어 실시간 응용을 지원하는 HAL(Hardware Abstraction Layer) 설계 및 구현 = Design and Implementation of real-time Multi-Core HAL(Hardware Abstraction Layer)

국문 초록 (Abstract)

산업용 제어 시스템의 제어 성능향상은 소프트웨어 및 하드웨어적으로 많은 연구를 통해 활발히 진행되고 있으며, 발전한 하드웨어 기술 중에서 도 멀티코어 프로세서를 사용하는 연구가 큰 관심을 받고 있다. 일반적으 로 제어 시스템과 같은 경성 실시간 시스템의 멀티코어 응용 지원은 구현 의 복잡함과 신뢰성 때문에 이를 지원하는 상용 임베디드 실시간 운영체 제를 플랫폼으로 연구 및 개발되고 있다. 하지만, 접근성이 쉽고 개발이 용이한 리눅스 기반 실시간 운영체제에서는 멀티코어 응용을 지원하는 프 레임워크가 부족하다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 HAL (Hardware Abstraction Layer) 프레임워크의 멀티코어 응용 지원 확장 개발을 제안 한다. HAL은 싱글코어 실시간 스케줄링을 지원하고 다양한 리눅스 기반 실시간 운영체제를 지원하며 실시간 시스템의 개발에 유용한 프레임워크 이다. 본 연구를 통해 확장 개발된 HAL은 멀티코어 응용의 지원을 위한 확장 문법과 HAL 컴포넌트, 제어 로직 지원을 위한 전역 그래프 자료구 조, 그리고 멀티코어 프로세스 제어 로직을 포함한다. 개발된 HAL 확장의 평가를 위해 실제 모션 제어기의 필드 환경을 모 델링하여 더미 함수를 생성하고 병렬화 동작에 대한 실험을 진행하였다. 확장된 HAL을 적용하였을 때, 전체 실행시간의 69.42%가 병렬화 가능한 실시간 태스크의 실험 환경에서 기존 HAL 대비 최대 41.59%의 시스템 응답시간 감소를 보이며 멀티코어 응용을 수행함을 관찰할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Improvement of control performance of industrial control systems is being actively researched in both software and hardware, and among the advanced hardware technologies, research using multi-core processors has attracted great attention. In general, multi-core application support for hard real-time systems such as control systems has been researched and developed using commercial embedded real-time operating systems as platforms due to the complexity and reliability of implementation. However, Linux based real-time operating systems, which are easily accessible and easy to develop, suffer from a lack of frameworks to support multi-core applications. To solve this problem, this study proposes the development of a multi-core application support extension of the Hardware Abstraction Layer (HAL) framework. HAL supports single-core real-time scheduling, supports various Linux based real-time operating systems, and is a useful framework for the development of real-time systems. The HAL extension developed in this study includes an extension grammar and HAL components for supporting multi-core applications, a global graph data structure for supporting control logic, and multi-core process control logic. To evaluate the developed HAL extension, we modeled the field environment of a real motion controller, generated dummy functions, and conducted experiments on parallelization behavior. It can be observed that 69.42% of the total execution time of the extended HAL performs multi-core applications with a system response time reduction of up to 41.59% compared to the conventional HAL in the experimental environment of real-time parallelizable tasks.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 연구 배경 및 관련 연구 3
• 2.1. 리눅스 기반 모션 제어기 3
• 2.2. HAL (Hardware Abstraction Layer) 6
• 2.3. 관련 연구 9
• 3. 멀티코어 HAL의 설계 및 구현 11
• 3.1. HAL의 동작 분석 및 설계 개요 11
• 3.2. HAL-MC 설계 및 구현 13
• 3.2.1. HAL-MC Threads 컴포넌트 설계 13
• 3.2.2. HAL 함수 의존성 그래프 생성 14
• 3.2.3. 실시간 응용 동기화 로직 설계 18
• 4. 성능 평가 21
• 4.1. 실험 환경 21
• 4.2. 레퍼런스 실행시간 측정 및 더미 모델 생성 22
• 4.3. HAL-MC의 성능 평가 24
• 5. 결론 29
• 참고문헌 30
• Abstract 33
• 감사의 글 35