The MPSoC has become a solution for designing embedded systems especially dedicated to applications that require intensive computations. As it gives more importance to software than before, the complexity of embedded software is growing rapidly, which brings embedded software design. Designing embedded software conforming various hardware platform constraints is difficult. To deal with the problem, the concept of Model-Driven Architecture(MDA) has been introduced in embedded software design. As the initial step of the MDA approach, the essential features of the system is captured by the Platform Independent Model(PIM). This thesis focuses on the PIM because it dominates the whole MDA-based software development process as the starting point. For the description of PIM, the Unified Modeling Language(UML) is widely used. To enable early design decisions in the development of embedded software, a method to check not only the functional requirements but also non-functional ones for the UML-based PIM is needed.
In this thesis, we suggest an approach to modeling and performance evaluation of UML-based PIM for MPSoC embedded software. We first suggest an MDA-based design flow for MPSoC embedded software and explain which part of the flow we are focusing on. Then we present how we model PIM from use case model. And we describe performance evaluation of PIM. The evaluation is performed by simulation. For the simulation, we first perform control flow analysis on the PIM and identify tasks. Then we construct Platform Model(PM) to model the target platform where the software is supposed to be deployed, and allocate tasks to hardware resources in PM. Regarding the allocation, we suggest a heuristic algorithm to automatically allocate tasks to hardware resources. The allocation by our algorithm can be used as a guide to the designer. After the allocation, we simulate the PIM and estimate performance. In the simulation, we use abstract information of PM. With the information, we show how we evaluate the performance of PIM through simulation. A case study is conducted with four alternative PIMs for the AES-SFT system and several PMs. The contribution of this thesis lies in the suggestions of a modeling method of UML-based PIM for MPSoC embedded software and a flexible performance evaluation method of it without requiring any timing notations in it. Our evaluation method helps the designer easily evaluate the performance of various PIMs on various MPSoC platforms.
임베디드 시스템의 크기가 커짐에 따라 개발자들은 빠르게 변화하는 요구사항에 유연하게 대처할 수 있는 구현 방법을 모색하게 되었다. 그에 따라 시스템의 기능을 하드웨어에 의한 구현 보다는 프로그램 가능한 프로세서에서 동작하는 소프트웨어에 의해 구현하는 것에 더 많은 비중을 두고 있다. 기술이 발전함에 따라 여러 개의 프로세서 및 메모리, 입출력 장치 등을 하나의 칩에 집적한 MPSoC(Multi-Processor System-on-Chip)가 임베디드 시스템 설계에서 많은 관심을 받고 있다. MPSoC는 특히 복잡한 연산을 필요로 하는 임베디드 시스템 설계의 솔루션으로 많은 각광을 받고 있다. MPSoC 기반의 플랫폼은 하드웨어 보다는 소프트웨어에 더 많은 비중을 두고 있기 때문에 임베디드 소프트웨어의 복잡도가 증가하게 된다. 이러한 복잡도를 관리하기 위해 임베디드 소프트웨어 설계에 대한 연구가 많이 진행되고 있는 실정이다.
임베디드 소프트웨어 설계는 일반적인 소프트웨어와는 달리 소프트웨어가 탑재될 하드웨어 플랫폼에 대한 여러 가지 사항들을 고려해야 한다. 하지만 다양한 하드웨어 플랫폼의 여러 요소들을 고려하면서 소프트웨어를 설계하는 것은 어려운 작업이다. 이를 해결하기 위해 OMG(Object Management Group)에서 발표한 MDA(Model Driven Architecture) 개념이 임베디드 소프트웨어 설계에 적용되었다. MDA에서 중요한 두 가지 모델은 플랫폼과 상관없이 시스템의 핵심 특징만을 기술하는PIM(Platform Independent Model)과 이 PIM이 대상 플랫폼에서 어떻게 동작하는지를 표현한 PSM(Platform Specific Model)이다. 이론적으로는 PIM에서 PSM으로 변환하는 것이 변환 규칙에 의해 자동으로 이루어지지만 실제로는 사용자에 의한 수작업이 많이 필요하다. 따라서 개발 비용을 줄이기 위해서는 PIM을 PSM으로 변환하기 전에 PIM 수준에서 기능 및 비기능적 요구사항들에 대한 검증이 필요하다.
본 연구에서는 MPSoC용 내장형 소프트웨어에 대한 플랫폼 독립적 모델링 및 성능 분석 기법을 제안한다. 우선 Use case diagram 및 use case scenario들로 구성된 요구사항으로부터 UML을 이용하여 PIM을 작성하는 방법을 제안한다. 특히 PIM의 행위 모델은 모든 시나리오들을 통합하여 시스템의 전체적인 흐름을 알 수 있는 시나리오 기반 행위 모델 형태로 작성된다. PIM 작성 외에 UML Profile(UML Profile for Modeling and Analysis of Real-Time Embedded systems)을 이용하여 PIM이 탑재될 플랫폼에 대한 추상 모델(Platform Model, PM)을 작성하고 성능 분석에 필요한 플랫폼의 특성들을 제안한다. 주어진 PIM과 PM을 이용하여 제어흐름분석(Control Flow Analysis)을 통해 태스크 식별 및 시뮬레이션 모델을 생성하고 각 태스크가 플랫폼의 어느 프로세서에 할당될 것인지 결정한다. 이러한 정보들을 바탕으로 자동화된 시뮬레이션을 통해 주어진 플랫폼 위에서 PIM의 성능을 분석한다.
PIM과 최종 구현 산출물간에는 시스템에 대한 정보량이 차이가 나기 때문에 PIM수준에서 최종 구현에서의 성능을 정확히 예측하는 것은 PIM을 구체적으로 구현하지 않는 이상 어려운 일이다. 따라서 본 연구에서는 개발 초기 단계에서 발생할 수 있는 여러 설계 대안들의 상대적인 성능을 용이하게 비교할 수 있게 함으로서 개발자의 빠른 설계 결정을 돕는 것에 목표를 두고 있다. 본 연구를 통해 하나의 PIM에 대해 정확한 성능을 예측할 수는 없지만 다양한 PIM과 다양한 PM 후보들이 있을 경우 이들 조합의 상대적인 비교를 가능하게 함으로서 개발 초기의 결정에 도움을 줄 수 있다.
