고신뢰성 휴대용점검장비에 실시간 MIL-STD-1553B 통신 설계 및 구현 :Design and Implementation of Real-Time MIL-STD-1553B Communication on Highly Reliable Portable Test Equipment

김종진

자료유형: 학위논문

저자정보: 김종진 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 이철훈

발행연도: 2021

저작권: 충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수16

초록· 키워드

일반적으로 x86 기반의 Windows 운영 체제를 사용하는 장치에서는 실시간 성능이 보장되지 않습니다. 윈도우가 실시간 운영 체제가 아니기 때문입니다. 이러한 윈도우 환경에서 응용 프로그램을 개발하는 사용자는 일반적으로 상용 솔루션 인 RTX 및 INtime을 사용하여 실시간 성능을 얻습니다. 그러나 간단한 실시간 처리를 위해 함수와 API를 사용하는 경우 비용 효율성 측면에서 높은 개발 비용 문제가 발생합니다. RTiK와 RTiK-MP는 이러한 문제를 개선하기 위해 개발되었지만 윈도우 버전에 따라 지원 가능성에 문제가 있습니다. 또한 무기 체계의 특성과 목적으로 인해 최신 소프트웨어 버전보다 안정성과 신뢰성이 더 중요하며, 제품 수명주기가 성숙 된 상태가 선호됩니다. 하위 시스템 및 구성 요소로 주무기 시스템의 기능과 성능을 확인하는 테스트 장비에서는 윈도우 운영 체제를 선택할 때 현재 최신 버전인 Windows 10 이 아닌 Windows 8이 무기 시스템에서 주로 사용됩니다. 그러나 이전에 개발된 RTiK와 RTiK-MP는 Windows XP 및 Windows 7에서만 실시간 처리 기능을 지원하며 더 이상 사용할 수 없으므로 RTiK+가 윈도우의 상위 버전을 지원하기 위해 연구되었습니다.
본 논문에서 RTiK+는 MSR_FSB_FREQ 레지스터를 제어하여 Windows 8에서 윈도우와는 독립적 인 타이머 인터럽트를 생성하고 사용자 영역에 실시간주기를 제공함으로써 디바이스 드라이버 형태로 구현되었습니다. 또한 태블릿 PC와 같은 모바일 기기에서는 CPU의 동작 주파수를 변경하여 배터리 수명을 제어하여 전력 소모를 최소화 합니다. 필요한 주기를 설정한 후 RTiT+의 주기가 변경되어 실시간 성능이 보장되지 않는 문제가 발생합니다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 논문에서는 CPU 동작 주파수를 결정하는 MSR_PKG_CST_CONFIG_CONTROL을 제어하여 C-States 제어주기가 변하지 않도록 실시간 성능을 보장하는 방법을 연구하였습니다.
유도무기 체계의 성능을 입증하는 고신뢰성 휴대용점검장비는 유도무기를 조립하거나 기능시험, 환경시험, 비행시험 등의 실험을 하기 전에 품질을 판단하는 장비입니다. 이 점검장비는 RS-232C, RS-422, 이더넷, MIL-STD-1553B 등의 직렬 통신을 통해 Built-In Test (BIT)와 주장비인 유도무기에 탑재 된 부체계장비 및 구성품의 기능을 확인합니다. 특히 정밀유도무기체계는 고신뢰성 MIL-STD-1553B 통신을 사용하고 MIL-STD-1553B의 BC 및 RT 기능을 수행하여 휴대용점검장비와 정밀유도무기체계 간의 데이터를 송수신 한다. 통신 중에 손실 없이 데이터의 무결성을 보장하는 것은 매우 중요합니다. 이를 위해 제안된 MIL-STD-1553B 통신 스케줄링 알고리즘은 임베디드 시스템 기반의 Windows 8 에 RTiK+를 이식하여 휴대용점검장비에 탑재된 Windows 운영체제에서 실시간 처리 기능을 제공하도록 제안하였습니다. MIL-STD-1553B의 BC 및 RT 기능을 수행 할 때 RTiK+에서 제공하는 실시간 주기를 사용하도록 하였고, 이 방식에서는 MIL-STD-1553B 통신이 휴대용점검장비와 유도무기 간의 통신시 비동기 통신이 수행되어 오버헤드(overhead)가 발생하여 일반적인 인터럽트 방식을 적용 할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 MIL-STD-1553B의 BC가 RTiK+에서 제공하는 주기에 데이터를 전송하고 이와 동시에 BC로부터 데이터를 수신 할 때 폴링 방식을 사용하여 통신을 수행하는 것을 제안했다. 2ms 주기와 같은 고속 통신의 MIL-STD-1553B의 경우에는 송신데이터와 수신데이터 사이의 주기 오차에 따른 오동작이 발생할 수 있고 이로 인해 동일한 메모리 영역에 데이터를 덮어 쓰거나 쓰레기(garbage)를 가져 오는 오동작이 발생한다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 이중 버퍼를 이용한 MIL-STD-1553B 통신 스케줄링 알고리즘의 방법을 제안했다.
또한 본 논문에서는 태블릿 PC와 같은 모바일 기기의 Windows 8에 RTiK+를 이식하고 MIL-STD-1553B 통신에서 필요한 2ms(최대), 5ms, 10ms(최소) 주기에서 시험하여 MIL-STD-1553B 스케줄링 알고리즘이 정상적으로 동작함을 입증하였다. 또한 MIL-STD-1553B MT 전용장비인 PASS 3200으로 모든 MIL-STD-1553B 통신의 데이터를 저장하여 분석하였고, 데이터의 손실 없이 정상적으로 동작함을 입증하였다. 이것은 MIL- STD-1553B 스케줄링 알고리즘이 2ms와 같은 고속 통신에서도 데이터가 손실 없이 통신되는 무결성을 보장하도록 RTiK+이 윈도우에 실시간성을 지원함을 보여준 결과이다.

In general, in devices using Windows operating system based on x86, real-time performance is not guaranteed. It is because Windows is not a Real-Time Operating System (RTOS). Users who develop applications in such a Windows environment generally use commercial solutions, RTX and INtime, to have real-time performance. However, when using functions and API for simple real-time processing, a problem of high development cost occurs in terms of cost-effectiveness. The RTiK and the RTiK-MP were developed to improve those problems, but there is a problem with supportability depending on the Windows version. In addition, because of the characteristics and objectives of the weapon system, stability and reliability are more important than the latest software version, and the Products Life Cycle is in maturity are preferred. In the test equipment that checks the function and performance of the main weapon system with subsystems and components, when selecting the Windows operating system, currently, Windows 8 is mainly used in the weapon system rather than the recent Windows 10. However, the previously developed the RTiK+ and the RTiK-MP support real-time processing functions only Windows XP and Windows 7, and it can no longer be used, so the RTiK+ was studied to support higher Windows version.
In this paper, the RTiK+ was implemented in the type of a device driver by controlling the MSR_FSB_FREQ register to generate a timer interrupt independent of Windows in the Windows 8 and providing a real-time period to the user area (ring 3) by re-setting the local APIC count register. In addition, in a mobile device such as a Tablet PC, the operating frequency of the CPU is changed to minimize power consumption for battery life. As a result, the period of the RTiK+ after setting needed period is changed, causing a problem in that real-time performance is not guaranteed. To improve those problems, this paper studies a method to guarantee real-time performance by controlling the MSR_PKG_CST_CONFIG_CONTROL that determines a CPU operating frequency so that the period of controlling C-States does not change.
The highly reliable portable test equipment (PTE) that proves the performance of guided weapon system is equipment that determines the quality of guided missiles before assembling them or conducting experimental like functional test, environmental test, and flight test. The portable test equipment checks the Built-In Test (BIT) and functions of the subsystems and components mounted on the guided weapon system, which is a mainstay, through serial communication such as RS-232C, RS-422, Ethernet and MIL-STD-1553B based on the Windows operating system. In particular, the precision guided weapon system uses highly reliable MIL-STD-1553B communication and performs BC and RT functions of MIL-STD-1553B to transmit/receive data in communication between the portable test equipment and precision guided weapon system. It is of significantly importance to guarantee integrity of data without loss during communication. For this purpose, it is proposed to implant the proposed MIL-STD-1553B communication scheduling algorithm with RTiK+ for Windows 8 to give a real-time processing function in the Windows operating system on the portable test equipment (PTE) based on embedded system, and to use the real-time period provided by RTiK+ when performing the BC and RT functions of MIL-STD-1553B. In this method, double buffers are used because MIL-STD-1553B communication is performed asynchronously when communicating between two devices such as portable test equipment and guided weapon system, resulting in overhead, so the normally interrupt method cannot be applied. Therefore, to solve this problem, a polling method is proposed when the BC of MIL-STD-1553B transmits data in the period provided by RTiK+ and immediately receives the data from the BC. In case of MIL-STD-1553B of fast communication such as a 2ms period, if a malfunction occurs in the period between the transmitting data and the receiving data, the malfunction occurs that overwrites data at same area or takes garbage from the buffer. In this paper, the method of MIL-STD-1553B communication scheduling algorithm using double buffers is proposed to solve it.
In addition, in this paper, RTiK+ is implanted in a Windows 8 on a mobile device like Tablet PC and the various periods such as 0.1ms(max), 1ms, 3ms, 5ms, 10ms, and 25ms(min) needed by MIL-STD-1553B communication of the test equipment are proved and it was satisfied. In addition, it is verified using oscilloscope as hardware measuring method and RDTSC as software measuring method for saving all period of RTiK+ and PASS 3200 for MIL-STD-1553B MT that the proposed RTiK+ is implanted in Windows on test equipment, and the MIL-STD-1553B communication is performed to guaranteed integrity of data during communication even in high-speed communication such as 2ms(max), 5ms, and 10ms(min) without miss rate.
In addition, it shows that RTiK+ can be used as a replacement solution for a third party because RTiK+ seems almost same performance for real-time performance with RTX through evaluation test with the same experimental conditions.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 동향 5
1.3 연구 목적 및 연구 내용 7
1.4 논문의 구성 9
제 2 장 관련 연구 10
2.1 서드 파티 10
2.1.1 RTX 10
2.1.2 INtime 13
2.2 RTiK 계열 15
2.2.1 RTiK 15
2.2.2 RTiK-MP 18
2.3 로컬 APIC 21
2.4 지연처리호출 23
2.5 윈도우 프로세서와 스레드 스케줄링 26
2.6 RM 스케줄링 알고리즘 27
2.7 CPU C-States 31
2.8 MIL-STD-1553B 33
제 3 장 휴대용점검장비 37
3.1 개요 37
3.2 장비 구성 및 역할 40
제 4 장 실시간성 처리 45
4.1 개요 45
4.2 로컬 APIC 타이머 제어 48
4.3 FSB로 타이머 인터럽트 제어 49
4.4 C-States 제어로 시간 결정성 보장 52
4.5 RTiK+의 사용자 영역 처리 56
4.6 우선순위 기반 스케줄링 알고리즘 63
4.7 실시간 MIL-STD-1553B 통신 66
4.7.1 더블 버퍼 폴링 방식 66
4.7.2 BC 통신 실시간 처리 69
4.7.3 RT 통신 실시간 처리 72
4.8 MIL-STD-1553B 통신을 위한 스케줄링 알고리즘 74
4.9 RTiK+ API 79
4.9.1 RTiK+ 설치 79
4.9.2 RTiK+ 초기화 82
4.9.3 RTiK+ 스레드 생성 82
4.9.4 RTiK+ 주기 설정 84
4.9.5 RTiK+ 타이머 시작 함수 85
4.9.6 RTiK+ 타이머 정지 함수 86
제 5 장 실험 및 결과 분석 87
5.1 실험환경 87
5.2 실험 방법 89
5.2.1 하드웨어적 검증 89
5.2.2 소프트웨어적 검증 91
5.2.3 워크로드 93
5.3 측정 및 결과 96
5.3.1 RTiK+의 실시간 처리 성능 96
5.3.2 C-States 활성화에서 RTiK+ 실시간 성능 104
5.3.3 서드 파티 RTX와 비교 106
5.3.4 MIL-STD-1553B 통신의 실시간 성능 107
5.3.5 실시간 성능 평가 120
제 6 장 결 론 123
참 고 문 헌 127
ABSTRACT 134

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