임베디드시스템의 가상 및 실물 통합 프로토타이핑 시스템 설계 및 구현에 관한 연구 = (A) Study of Design and Implementation for Virtual and Real Integrated Prototyping System of Embedded System

국문 초록 (Abstract)

컴퓨터 기술의 발전으로 임베디드시스템의 활용분야는 다양해지고 있으며 범용 , 마이크로프로세서 및 IP(Intellectual Property)산업의 발전에 따라 산업 전반으로 확장되고 있다. 임베디드시스템은PC와 같은 범용 컴퓨터를 제외한 다양한 산업 분야에서 일반화되어 특수한 목적, 혹은 제한된 응용을 목적으로 사용되는 모든 컴퓨팅 시스템이다. 통신, 정보, 가전, 로봇, 자동차와 운송장비, 군사, 항공, 우주, 의료, 사무자동화, 공장자동화, 빌딩자동화, 판매와 물류자동화, 홈네트워크 등 거의 모든 분야에 적용되고 있으며 향후 그 범위는 더욱더 확대될 것이다.
실물 프로토타이핑은 고전적인 절차지향적 신제품 개발방법론으로 실제품과 같은 외형과 제품의 기능을 탑재한 실제크기 혹은 축소형의 실물모델로 이를 제작하기 위한 하드웨어와 소프트웨어의 개발 기간이 길어지며, 제품 개발비용의 부담이 크지만 실제 제품의 기능을 테스트함으로써 제품의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 복잡도가 빠르게 증가하는 임베디드시스템 제품설계에서 제품의 기능검증까지 소모되는 시간과 비용의 부담은 시스템의 초기 개발비용의 부담을 가중시켜 시장에서 제품의 경쟁력을 저하시킨다.
현재 컴퓨터 기술의 발전으로 컴퓨터에 데이터의 형태로 존재하는 모델의 제작이 가능하게 되었으며, 데이터 형태로 만들어진 프로토타입은 실물의 프로토타입을 대치할 수 있는 획기적인 방법으로 가상 프로토타입이 대두되었다. 가상 프로토타입은 실물 프로토타입의 한 단계 발전된 프로토타이핑 방법으로 시각적 현실감 제공을 위한 랜더링 과정을 거쳐 시뮬레이션된다. 기존의 방법에서 제품의 기능까지 정형명세 기법을 통한 프로토타입을 제작하는 기술로 발전됨으로써 제품개발 현장에서 실용도가 뛰어나다고 할 수 있다.
하지만, 하드웨어와 소프트웨어가 병행 설계되어야 하는 임베디드시스템에서 컴퓨터상의 데이터로만 하드웨어의 구현 및 검증 과정을 거친 제품을 실제 구현시 완전한 시스템으로 제작하기란 불가능하다. 따라서 개발기간과 비용의 부담에도 불구하고 제품의 신뢰도를 위한 최선의 방법은 고전적인 프로토타이핑이라고 할 수 있다.
현실적으로 실물 프로토타이핑과 가상 프로토타이핑은 제품 개발과정의 장점을 제공함에도 불구하고, 복잡한 임베디드시스템을 저비용으로 단기간에 개발하고, 제품의 신뢰도를 확보하기 위한 획기적이고 새로운 개발방법론의 연구가 절실하다.
이를 위해 본 논문에서는 실물 프로토타이핑과 가상 프로토타이핑의 한계를 극복하는, 고난도의 기술과 최첨단 기술을 적용한 임베디드 제품 개발 방법론으로 실물 프로토타이핑과 가상 프로토타이핑의 통합 디자인 및 통합 시뮬레이션과 디버깅을 위한 개발방법으로 기존의 연구가 없었던 새로운 개발방법론을 제안한다.
이는 제품 생산 비용의 80%를 차지하는 개발 초기 단계의 시간적, 경제적 비용을 최소화하면서 신뢰성있는 제품개발을 가능하게 한다. 또한 생명주기가 짧은 임베디드시스템 제품의 경쟁력 강화로 이어져, 국민 소득과 국가 경쟁력의 핵심 산업의 기틀을 IT분야가 주도할 수 있는 근간이 된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the physical prototyping is a classical procedure-oriented new product developing methodology, and an actual size one or a miniature model that mounted with the actual appearance and function, the time period to develop the hardware and software with which it is manufactured is elongated and the developing cost is expensive as well. However, it has such an advantage as enhancing the reliability of products by means of testing the function of actual products. Nevertheless, the time and the cost that must be invested into the procedure from the design to the functional verification of product of the embedded system of which complexity increases rapidly increase the initial developing cost of the system and decrease the competitiveness of its products.
As the technology of computer advances for the present, the model that exists as the form of data in a computer can be manufactured, and for the prototype made as the form of data, the virtual prototyping has come to the fore as an innovative method that can substitute the physical prototype.
It is a method that has been improved from the existing one with which the virtual prototype, as an alternative of physical prototype, becomes a simulation via the process of rendering in order to provide the sense of visual reality. Because even the function of products has been developed as the technology of manufacturing a prototype through the formal specification technique, it can be used widely in an actual site of product development. However, in the embedded system, which must be designed simultaneously with hardware and software, there is such a limitation that the materialization and verification test of hardware using only computer data is different from the test through the verification test process using the physical prototyping. Therefore, it seems necessary to have a new methodology to develop the complex embedded system in a short time with a small amount of money and secure the reliability of products.
Such a new methodology can minimize the time and the cost in the early stage of development that occupies up to 80% of manufacturing cost, and allow a reliable product to be developed. In addition, because this is linked with enhanced competitiveness for the products of the embedded system of which life-expectancy is short, the area of IT can lead the pivotal point of key industries that are related to the national income and competitiveness.
For this, in this study, the investigator presents the state-of-the-art technology with which the limitation of physical prototyping and virtual prototyping can be overcome. Also as a developing methodology of the embedded system in which the new technology is applied, the investigator suggests a new methodology of developing process for the integrated design, integrated simulation, and debugging of the physical and virtual prototyping.

목차 (Table of Contents)

• 요약문 = ⅰ
• 목차 = ⅲ
• 표목차 = ⅵ
• 그림목차 = ⅶ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 = 1
• 1.2 선행 연구 = 3
• 1.2.1 프로토타이핑 = 3
• 1.2.2 가상 프로토타이핑 = 6
• 1.2.3 실물 프로토타이핑 = 8
• 1.3 연구 목적 = 10
• 1.4 기대 효과 = 14
• 1.5 연구 방법 및 논문의 구성 = 17
• Ⅱ. 관련 연구 = 20
• 2.1 임베디드시스템 = 20
• 2.1.1 임베디드시스템 개발의 특징 = 21
• 2.1.2 임베디드시스템 소프트웨어 개발 요구 사항 = 21
• 2.1.3 임베디드 소프트웨어 시장 = 25
• 2.1.4 향후 임베디드 소프트웨어 기술 개발 방향 = 26
• 2.2 프로토타이핑 방법론 = 27
• 2.2.1 가상 프로토타이핑 = 27
• 2.2.2 실물 프로토타이핑 = 36
• 2.2.3 도메인 적응형 프로토타이핑 = 37
• Ⅲ. 시스템 설계 = 38
• 3.1 가상 프로토타이핑 시스템 설계 = 40
• 3.1.1 Rapid 기반의 가상 프로토타이핑 시스템 = 40
• 3.1.2 시스템 설계를 위한 사용자 인터페이스 = 41
• 3.1.3 가상 프로토타이핑 모델링 = 45
• 3.2 실물 프로토타이핑 시스템 분석 및 설계 = 55
• 3.2.1 실물 프로토타이핑 시스템 분석 = 55
• 3.2.2 실물 프로토타이핑 시스템 설계 = 67
• 3.3 통합 프로토타이핑 시스템 설계 = 72
• 3.3.1 프로토타이핑 데이터 연동 명세 = 74
• 3.3.2 ActiveX 컴포넌트 라이브러리 설계 = 81
• 3.3.3 TCP/IP 클라이언트 소켓 설계 = 83
• 3.3.4 데이터 연동 인터페이스 설계 = 84
• Ⅳ. 시스템 구현 = 88
• 4.1 가상 프로토타이핑 제작 = 88
• 4.1.1 시스템 구성 = 88
• 4.1.2 컴포넌트간 동적 설계 = 93
• 4.2 실물 프로토타이핑 제작 = 97
• 4.3 통합 프로토타이핑 시스템 구현 = 99
• 4.3.1 사용자 인터페이스 구현 = 100
• 4.3.2 레고 기반의 실물 프로토타이핑 구현 = 104
• Ⅴ. 시뮬레이션을 통한 시스템 평가 = 106
• 5.1 시뮬레이션 = 106
• 5.1.1 가상 프로토타이핑 시뮬레이션 = 106
• 5.1.2 실물 프로토타이핑 데이터 연동 명세 = 108
• 5.1.3 통합 프로토타이핑 시뮬레이션 = 113
• 5.2 구현 결과 평가 = 117
• Ⅵ. 결론 = 119
• 참고문헌 = 121
• 부록 = 124
• Abstract = 135