Pangyo TechnoValley Related Open SW-SoC Convergence Platform Development

(1)

2017년 12월 17ZT1100-01-7301P

판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC

융합 플랫폼 개발

Pangyo TechnoValley Related Open SW-SoC Convergence

Platform Development

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세부과제 연차실적 보고서

연차실적 보고서

과제유형

1. 기초미래선도형 ( ) 2. 공공인프라형 ( ) 3. 산업화형 ( ○ )

대과제명

지역전략산업육성 및 중소기업 활성화 사업

세부과제명

판교 테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발

세부과제

책임자

소속 및 부서 서울SW-SoC융합R&BD센터

_직위

(직급)

센터장

성명

임 덕 래

총연구기간

2016년 1월 1일 부터 2018년 12월 31일 까지 (36개월)

당해연도

연구기간

2017년 1월 1일 부터 2017년 12월 31일 까지 (12개월) (2차년도)

총

연

구

비

정부출연

금

2,257,650 천원

당

해

년

연

구

비

정부출연금

721,000 천원

민간수탁

활성화

95,000 천원

민간수탁

활성화

95,000 천원

민간부담

금

천원

민간부담금

천원

계

2,352,650 천원

계

816,000 천원

참여인력(M/Y)

총 연 구 기 간

19 명 (15.5 M/Y)

당해연도 연구기간

8 명 ( 4.7 M/Y)

참여기관

기관명

연구책임자

기관명

연구책임자

위탁연구기관

을지대학교 산학협력단

정덕영

㈜디퍼아이

이상헌

키워드

SW-SoC 가상화 플랫폼, IoT 게이트웨이, 상위수준 통합 플랫폼

SW-SoC 가상화 플랫폼 구조 탐색기, 상위수준 소비전력/성능 추정

정부출연금사업 연차평가 보고서를 제출합니다.

2017년 12월 8일

세부과제책임자 : 임 덕 래 (인)

직 할 부 서 장 : 임 덕 래 (인)

한국전자통신연구원장 귀하

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인 사 말 씀

본 보고서는 2017년 한국전자통신연구원이 주관하여 수행한『판교테크노밸리 연계

개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발』과제의 2차년도 연구 수행 결과이다.

판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발 최근에 사물인터넷 (IoT;

Internet of Things) 기술의 발달 및 보급에 따라서 관련 기술을 이용한 제품 및

서비스 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 판교 테크노밸리 중심의

지역 연계를 통해 IoT 기술의 핵심인 IoT 게이트웨이를 중심으로 SW-SoC 개발에 필요한

개방형 가상화 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 본 2차년도 연구에서는

확장된 구조의 IoT 게이트웨이용 가상화 플랫폼을 설계하였고, SoC 개발 시 효율적인

아키텍쳐 탐색(architecture exploration)을 지원하기 위한 SW-SoC 플랫폼 성능 및

소비전력 추정 기술을 개발하였다. 또한 이를 활용한 IoT 게이트웨이 응용 서비스

기술을 연구하였다. 본 연구는 IoT 단말의 핵심요소인 저전력/저가격의 요구조건을

만족하면서, 손쉽게 응용 서비스를 개발할 수 있는 지역 연계 수요자 기반의 개방형

SW-SoC 플랫폼을 개발하는 것이다. 본 과제의 연구 결과를 활용하여 IoT 기술의 발전과

있기를 기대한다.

2017년 12월

한국전자통신연구원 원장 이 상 훈

(5)

제 출 문

본 연구보고서는 주요사업인 "판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼

개발"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다.

2017년 12월

연구책임자 : 책임연구원 임덕래 (서울 SW-SoC 융합 R&BD 센터)

연구참여자 : 책임연구원 김원종 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

책임연구원 조한진 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

선임연구원 박기혁 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

연구원 윤성재 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

위촉연구원 이형로 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

위촉연구원 이효찬 (SW-SoC 개방형플랫폼실)

(6)

요 약 문

Ⅰ. 제 목

판교 테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발

Ⅱ. 연구목적 및 중요성

○ 아이디어만 있으면, HW 의존성 없이 빠르게 제품개발의 가능성을 확인할 수 있는 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 ○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 플랫폼 개발에 적용하여 기능 및 성능을 검증한 후에 관련 유사 응용 기술에 적용을 추진 ○ 향후에 필요한 핵심 공통 IP 및 응용 플랫폼 기술을 개발하여 판교 테크노밸리 중심으로 SW-SoC 융합 기술 산업 활성화 및 경쟁력 제고에 기여하고자 함

Ⅲ. 연구내용 및 범위

○ 확장된 구조의 IoT 게이트웨이용 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 - SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 구조 설계

 ARM Cortex-Mx 계열 CPU 코어 아키텍처를 포함한 가상화 플랫폼 개발  Linux 외의 OS 추가 지원 (RTOS 등) - SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 기능 구현  ZigBee, Z-wave 등의 통신 기능 추가 구현  IoT 게이트웨이 서비스/응용에 필요한 주변장치 기능 구현 - C/C++, SystemC, HDL 주변장치 IP 통합 인터페이스 구조 연구 <제안기술 개념도>

(7)

 C/C++, SystemC 주변장치 IP 모델 인터페이스 기술 개발  HDL 주변장치 IP 모델 인터페이스 기술 개발

○ IoT 게이트웨이 응용/서비스 기술 개발

- IoT 게이트웨이 기반 고령 친화 서비스 응용 기술 개발 - IoT 게이트웨이 기반 공공 서비스 응용 기술 개발

○ SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 Architecture Exploration 기술 개발 - SW-SoC 플랫폼 성능 추정 기술 개발 - SW-SoC 플랫폼 소비전력 추정 기술 개발

Ⅳ. 연구결과

○ 확장 구조의 SW-SoC 가상화 플랫폼 ○ SW-SoC 플랫폼 성능 및 소비전력 추정 기술 개발 ○ IoT 게이트웨이 기반 고령 친화 서비스 응용 기술 개발 ○ IoT 게이트웨이 기반 공공 서비스 응용 기술 개발 ○ 연구시제품 : 1 건 ○ 소프트웨어 : 2 건 ○ 부품설계 : 1 건 ○ 논문 : 9 건 ○ 기술문서 : 11건 ○ 중소기업기술지원/자문 : 5건

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 개발 플랫폼으로 활용 - 표준 적용 IoT SW 추가로 기본 IoT 게이트웨이 기능 지원 - 간단한 IoT 시범 서비스 개발에 활용 - 다양한 IoT 응용 시스템 개발에 활용 ○ IoT 게이트웨용 SW-SoC 응용 플랫폼으로 활용 - 응용 및 서비스 시스템 개발 - IoT 게이트웨이용 SW 개발에 활용

(8)

○ 다양한 SW-SoC 응용 플랫폼 개발에 활용 - AI 응용 서비스 시스템용 디바이스 구조 개발에 활용 - 가상화 플랫폼 활용 AI 학습/추론 가속기 구조 개발에 활용 - 고령친화 서비스용 디바이스 및 AI 적용 시스템 개발에 활용

Ⅵ. 기대성과 및 건의

○ 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 구축을 통해 다방면의 산업에 적용 및 융합을 지원하는 ICT 에코 시스템 구축 ○ ICT용 SoC 응용분야 시장 창출등 다양한 신산업 창출이 가능 ○ 지역산업과 연계된 시스템 반도체산업의 지속적인 성장 및 선진화에 기여

(9)

ABSTRACT

Ⅰ. TITLE

Pangyo TechnoValley Related Open SW-SoC Convergence Platform Development

Ⅱ. THE OBJECTIVES

○ Detailed planning of Open SW-SoC virtual platform development for verification of tentative products from idea without developing hardware products

○ After verification of the virtual platform for the functions and performance of the developed SW-SoC virtual platform for IoT gateways, we will apply the platform for other applications.

○ After developing common core IPs and application platforms, we will help small and medium companies around Pankyo Technovalley developing SW-SoC convergence products.

Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY

○ Development of expanded structured SW-SoC virtual platform for IoT gateway - Design of expanded structure of the SW-SoC virtual platform

 Development of virtual platform which supports a ARM Cortex-Mx series’ CPU core  Supports OS other than Linux (RTOS, etc.)

(10)

 Implementation of the functions of peripherals for IoT gateway services/appliations - Research for integrated interface of C/C++, SystemC, HDL peripheral IPs

 Development of interfaces of C/C++, SystemC peripheral IPs  Development of interfaces of HDL peripheral IPs

○ IoT gateway application / service technology development

 Development of aged-friendly service application technology based on IoT gateway  Development of public service application technology based on IoT gateway

○ Development of architecture exploration technology based on SW-SoC virtual platform - Development of SW-SoC platform performance estimation technology

- Development of power consumption estimation technology of SW-SoC virtual platform

Ⅳ. RESULTS

○ Design of expanded structured SW-SoC virtual platform

○ Development of architecture exploration technology based on SW-SoC virtual platform ○ Development of aged-friendly service application technology based on IoT gateway ○ Development of public service application technology based on IoT gateway

○ Research prototype : 1 ○ Software : 2

○ Component design : 1 ○ Papers : 9

○ Technical documents : 12

○ Support and counsel for small and medium business technology : 5

Ⅴ. PLAN TO UTILIZE R&D RESULTS

○ Developed SW-SoC virtual platform can be used as SW-SoC development platform for IoT gateway.

- Support IoT gateway function with software compatible with IoT service standard - Use to develop simple IoT pilot services

- Use to develop various IoT application systems

(11)

gateway.

- Development of application and service systems - Use to develop SW for IoT gateways

- Use to develop security-enhanced IoT gateways

○ Developed SW-SoC virtual platform can be used for the development of various SW-SoC application platforms.

- Application for development of device structure for application service system - Application for AI learning/inference accelerator structure development

- Application for development of elderly friendly service device and AI application system

Ⅵ. EXPECTED RESULT & PROPOSITION

○ Presented open SW-SoC convergence platform can contribute to building an ICT ecosystem to support convergence and application to various industries.

○ It is possible to create various new industries such as building and home automation, energy management, medical and healthcare, etc. in the field of ICT.

○ Presented open SW-SoC convergence platform can contribute to continuous growth and advancement of semiconductor industry related to local industry.

(12)

TABLE CONTENTS

Table 1. Prospects for IoT Installations per Consumer Area (Gartner 2015.10) ... 26

Table 2. Main Feature of mbed IoT Gateway ... 29

Table 3. Main Feature of Apio Dongle ... 30

Table 4. Main Feature of 6LoWPAN IoT Gateway ... 31

Table 5. Assigning Neurons According to the Number of Processors ... 58

(15)

FIGURE CONTENTS

Figure 1. Concept of Proposed Technology ... 19

Figure 2. Market Trends in System-Semiconductor and Fabless ... 22

Figure 3. Distribution of System-Semiconductor Company ... 23

Figure 4. Hype Cycle of IoT Technology (Gartner 2017.7) ... 24

Figure 5. mbed IoT Gateway ... 29

Figure 6. Apio Dongle ... 30

Figure 7. IoT Gateway using Raspberry Pi2 and Apio Dongle ... 30

Figure 8. 6LoWPAN IoT Gateway ... 31

Figure 9. Standard Architecture of OneM2M ... 32

Figure 10. CSE Registration Procedure ... 33

Figure 11. Relationship between ACP and Resources ... 34

Figure 12. Function Call Flow of IoT Gateway ... 34

Figure 13. Concept of Integrated SW-SoC Virtual Platform... 40

Figure 14. TCL file for Creating Heterogeneous multi-processor ... 41

Figure 15. TCL file for Creating Instruction cache and Data cache ... 42

Figure 16. Measuring Performance of SW-SoC Virtual Platform ... 43

Figure 17. Operating System for ARM Cortex-M Series ... 44

Figure 18. Serial-to-Socket Transition Structure of Radio Communication Interface ... 45

Figure 19. Radio Communication Interface Structure of SW-SoC Virtaul Platform ... 45

Figure 20. LED Control IoT Device System using Zigbee ... 46

Figure 21. LED Control using Zigbee on SW-SoC Virtual Platform ... 46

Figure 22. Visualization Module Main Screen of SW-SoC Virtual Platform ... 47

Figure 23. Processor Utilization and Detail Information ... 48

Figure 24. Data Transfer using the ZigBee Module on the UART Interface ... 50

Figure 25. Socket Communication to Transfer Data on SW-SoC Virtual Platform ... 51

Figure 26. TCL file for Adding Peripheral IP ... 52

Figure 27. Implementation of API to Control Peripheral IP ... 53

Figure 28. Results of Synthesis of CNN H/W Accelerator using HLS ... 54

Figure 29. Block Diagram of Integrated CNN H/W Accelerator ... 54

Figure 30. Simulation Results of CNN H/W Accelerator ... 55

Figure 31. Data Communication Interface of SW-SoC Virtual Platform and FPGA ... 55

Figure 32. Process Steps of Performance Estimation using SW-SoC Virtual Platform ... 56

Figure 33. Main Screen of eGui that can be interlocked with SW-SoC Virtual Platform ... 57

Figure 34. Quad-Core Architecutre on SW-SoC Virtual Platform ... 58

Figure 35. Relative Power Estimation Results according to the Number of Processor ... 59

Figure 36. Process Steps of Power Estimation of Peripheral IP ... 61

Figure 37. OneM2M Standard Feature Architecture ... 62

Figure 38. OneM2M Standard Platform Configuration ... 63

Figure 39. Implementation Progress in the IoT Gateway SW Platform ... 64

Figure 40. IoT System based on OneM2M ... 64

Figure 41. Testing steps of IoT Gateway SW Platform ... 65

Figure 42. Results of IoT Gateway SW Platform ... 66

Figure 43. Configuration of Order Service based on IoT Gateway ... 67

Figure 44. Result of Order Service based on IoT Gateway ... 69

Figure 45. Checkign Order Status in QRMon ... 70

Figure 46. Concepts of Smart Fire Detection System based on IoT Gateway ... 71

Figure 47. Structure and Feature of Smart Fire Detection System ... 72

Figure 48. Applied CNN Architecture ... 73

Figure 49. Mixed Fire Sensor Module ... 74

Figure 50. Result of IoT Gateway ... 74

Figure 51. SW Architecture of Smart Fire Detection System based on IoT Gateway ... 75

Figure 52. Integrated Fire Detection Monitoring ... 76

(16)

Figure 55. Message Relay Service Applied IoT Technology ... 78

Figure 56. Smart Welfare Service Applied IoT Technology ... 79

Figure 57. TWN Accuracy Comparison ... 80

Figure 58. Main Screen for Verification of Inference Function ... 81

Figure 59. Result of Inference in ResNet-18 ... 82

(17)

목 차

제１장 서 론... 19

연구 배경 ... 19

1. 연구 목적 및 필요성 ... 19

연구 목적 ... 19

연구 필요성 ... 20

2. 국내외 산업 및 시장 동향 ... 23

국내외 산업동향 ... 23

국내외 시장동향 ... 25

연구결과의 요약 ... 27

1. 정성적 목표 ... 27

2. 정량적 목표 ... 27

연구 내용 및 범위 ... 28

제２장 본 론... 29

제１절

주요 기술 ... 29

1. IoT 게이트웨이 하드웨어 플랫폼 ... 29

mbed IoT Gateway (LPC1768 이용) ... 29

Open Source IoT Gateway (Raspberry Pi2 + Apio Kit) ... 30

LoWPAN IoT Gateway (WEPTECH) ... 31

2. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 ... 32

OneM2M IoT 표준 기술 ... 32

IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 ... 34

제２절 연구결과의 요약 ... 35

1. 정성적 연구결과 ... 35

2. 정량적 연구결과 ... 37

연구결과 정량적 성능 목표 달성도 ... 37

정량적 연구 성과 ... 37

연구결과의 세부 내용 ... 40

1. 확장 구조 SW-SoC 가상화 플랫폼 통합 설계 ... 40

SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 구조 정의 ... 40

SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 기능 구현 ... 44

C/C++, SystemC IP 통합 구조 개발 ... 48

HDL IP 통합 구조 개발 ... 53

2. SW-SoC 가상화 플랫폼 구조 탐색기 개발 ... 56

SW-SoC 가상화 플랫폼 소비전력/성능 추정 기능 개발 ... 56

3. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구축 ... 62

OneM2M 표준 기능 구조 ... 62

OneM2M 표준 게이트웨이 공동 플랫폼 구성 및 기능 ... 62

IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구현 ... 64

4. IoT 게이트웨이 응용/서비스 기술 연구 ... 66

IoT 게이트웨이 기반 주문 서비스 ‘QRMon’ 개발 ... 66

IoT 게이트웨이 기반 스마트 화재 관제 시스템 ... 70

(18)

IoT 게이트웨이 기반 TWN 적용 딥러닝 모델 연구 ... 80

5. SW-SoC 플랫폼 관련 기술 지자체/민간 수탁 활성화 추진 ... 83

... 83

제３장 연구개발결과의 활용계획... 84

제４장 결 론... 85

참고문헌... 86

부록... 87

(19)

표목차

표 1. 소비 영역별 IoT 유닛 설치 개수 전망 (Gartner 2015.10) ... 26

표 2. mbed IoT Gateway 주요 특징 ... 29

표 3. Apio Dongle 주요 특징 ... 30

표 4. 6LoWPAN IoT Gateway 주요 특징 ... 31

표 5. 프로세서 개수에 따른 CNN 의 뉴런 할당 방법 ... 58

(20)

그림목차

그림 1. 제안기술 개념도 ... 19

그림 2. 시스템 반도체 및 팹리스 시장 동향 ... 22

그림 3. 시스템 반도체 기업의 분포: 서울 경기 지역이 85.5% ... 23

그림 4. IoT 관련 기술의 하이프 사이클 (Gartner 2017.7) ... 24

그림 5. mbed IoT Gateway 용 보드... 29

그림 6. Apio Dongle ... 30

그림 7. Raspberry Pi2 와 Apio Dongle 을 이용한 IoT Gateway ... 30

그림 8. 6LoWPAN IoT Gateway ... 31

그림 9. OneM2M 표준 아키텍처 ... 32 그림 10. CSE 등록 프로시져 ... 33 그림 11. ACP 와 리소스간의 관계도 ... 34 그림 12. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 함수 호출 흐름 ... 34 그림 13. 통합 SW-SoC 가상화 플랫폼 구성도 ... 40 그림 14. Heterogeneous multi-processor 생성용 TCL 파일 예시 ... 41

그림 15. Instruction cache 와 Data cache 생성용 TCL 파일 예시 ... 42

그림 16. SW-SoC 가상화 플랫폼 구조별 성능 측정 ... 43

그림 17. ARM Cortex-M 시리즈 기반 운영체제 구동 화면 ... 44

그림 18. 무선 통신 인터페이스의 Serial-to-socket 변환 구조 ... 45

그림 19. 가상화 플랫폼의 무선 통신 인터페이스 구조 ... 45

그림 20. Zigbee 를 이용한 IoT 디바이스 LED Lamp 제어 시스템 구성 ... 46

그림 21. 가상화 플랫폼에서 Zigbee 를 이용한 LED Lamp 제어 ... 46

그림 22. SW-SoC 가상화 플랫폼 시각화 모듈 메인 화면... 47 그림 23. 프로세서 활용률 및 세부 정보 출력 화면 ... 48 그림 24. UART 인터페이스의 ZigBee 모듈을 이용한 데이터 송수신 예시 ... 50 그림 25. SW-SoC 가상화 플랫폼에서 소켓 통신을 이용한 데이터 송수신 예시 ... 51 그림 26. 주변장치 IP 추가를 위한 TCL 파일 예시 ... 52 그림 27. 주변장치 제어를 위한 API 설계 ... 53 그림 28. HLS 를 이용한 CNN 하드웨어 가속기 합성결과 ... 54 그림 29. Vivado 를 이용한 CNN 가속기 IP 집적한 블록 다이어그램 ... 54 그림 30. CNN 가속기 성능 비교 시뮬레이션 결과 ... 55 그림 31. SW-SoC 가상화 플랫폼과 FPGA 통신을 위한 구성도 ... 55 그림 32. SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 성능 추정 단계별 과정 ... 56 그림 33. SW-SoC 가상화 플랫폼과 연동 가능한 eGui 메인 화면 ... 57 그림 34. SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 쿼드코어 구조 ... 58 그림 35. 프로세서 개수에 따른 상대적인 소비전력 추정 결과 ... 59 그림 36. 주변장치의 소비전력 추정 기법 단계별 과정 ... 61 그림 37. OneM2M 표준 기능 구조 ... 62 그림 38. OneM2M 표준 공통 플랫폼 구성 ... 63 그림 39. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구현 상황 ... 64 그림 40. OneM2M 기반 IoT 시스템 ... 64 그림 41. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 점검 플로우 ... 65 그림 42. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 점검 결과 ... 66 그림 43. IoT 게이트웨이 기반 주문 서비스 구성 ... 67 그림 44. IoT 기반 쉬운 주문 서비스 실행 결과 ... 69 그림 45. QRMon 주문 현황 확인 ... 70 그림 46. IoT 게이트웨이 기반 스마트 화재 관제 시스템 구조도 ... 71 그림 47. 스마트 화재 관제 시스템의 모듈별 구조 및 기능 ... 72 그림 48. CNN 알고리즘 구조도 ... 73 그림 49. 복합 화재 센서 모듈 최종 형상 ... 74 그림 50. IoT 게이트웨이 최종 형상 ... 74

(21)

그림 51. IoT 게이트웨이 기반 스마트 화재 관제 시스템의 소프트웨어 구조... 75 그림 52. 통합 화재 확률 모니터링 화면 ... 76 그림 53. 구역별 화재 확률 모니터링 화면... 76 그림 54. 수유역 지도 서비스(예) ... 77 그림 55. IoT 기술이 접목된 메시지 릴레이 서비스 ... 78 그림 56. IoT 기술이 접목된 스마트 복지관 서비스 ... 79 그림 57. TWN 정확도 비교 ... 80 그림 58. 기능 검증용 추론 환경 메인 화면 예시... 81 그림 59. ResNet-18 추론 결과 예시 ... 82 그림 60. AI 기반 고령자 낙상 위험도 예측 기술 개발 협력 체계도 ... 83

(22)

제１장 서 론

연구 배경

1. 연구

목적 및 필요성

연구 목적

연구 개요

○ 아이디어만 있으면, 하드웨어 의존성 없이 빠르게 제품개발의 가능성을 확인할 수 있는 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발과 IoT 게이트웨이용 응용 플랫폼 개발에 대한 기획 ○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 플랫폼을 바탕으로 다양한 응용 제품에 필요한 핵심 공통 IP 및 응용 플랫폼 기술을 개발하여 판교 테크노밸리 중심으로 SW-SoC 융합 기술 산업 활성화 및 경쟁력 제고에 기여하기 위한 과제로 기획하고자 함

ETRI 연구개발 추진 당위성 (ETRI 고유임무와의 적합성)

○ 서울·경기 지역에 집적화된 지역특화 산업체와 서울SW-SoC융합R&BD센터의 핵심역량 및 본원의 기술을 연계하여 상용화 시너지 효과 창출 ○ 서울·경기지역 산업체 수요기반 지역밀착형·맞춤형 SW-SoC융합플랫폼 기술 개발 및 중소·중견기업 역량 강화 그림 1. 제안기술 개념도

(23)

제안기술 원천성

○ C/C++, SystemC, SystemVerilog, RTL, Netlist 등을 통합하는 융통성 있는 개방형 SW-SoC Architecture를 빠르게 검증할 수 있는 시뮬레이션 엔진 개발

연구 필요성

출연처(미래창조과학부) 정책 및 기술수요

○ 정보, 통신, 전자, 방송 및 관련 융·복합기술 분야의 산업원천기술 개발 및 성과확산을 통해 국가경제·사회 발전에 기여(정관 제2조) - SW-SoC 플랫폼이 新부가가치를 창출하는 ICT 융합의 新블루오션으로 부상 - 본 과제의 수행을 통해 향후 국가 차원의 ICT 선도산업의 차세대 경쟁력(혁신형 반도체, 융합디스플레이, 상상초월형 스마트폰 등) 확보에 기여 → 서울·경기지역의 SW-SoC산업의 생태계 및 클러스터를 구축함으로써 ICT 융합산업 활성화에 기여 ○ 산업화형 - SW·콘텐츠 산업화 핵심 기술 개발 분야 연구 목표: 빅데이터/클라우드, 콘텐츠, 정보보안, SW-SoC 융합기술 4대 분야 핵심기술 확보를 통한 국가 산업 경쟁력 강화 - 향후 추진 계획에 2016-2018 IoT 허브 SW-SoC 포함 - 주요기술 숲지도에 IoT용 저전력/보안강화 다중모드 통신 SoC 기술, 서비스 지향 SW-SoC 융합 플랫폼, 유무선 IoT 디바이스간 외부-내부 통신 게이트웨이 SW 플랫폼 등 포함 → 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼을 바탕으로 관련 융합 기술 분야 응용 추진 ○ 정부출연(연) 지역조직(분원) 기능 활성화 방안 (2014.9.1, STEPI) - 산·학·연·지역 연계를 통한 신산업 창출기능 강화 (국정과제 17) - 지역경제와 산업의 활력 제고 (국정과제 106) - 정부출연(연)은 산·학 협력 매개와 중소기업 지원자로서의 역할을 강화 → SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 과제를 통해서 산·학·연·지역의 연계 기업체와 신산업 창출 및 지역 산업 활성화에 기여 ○ 미래성장동력 종합실천계획(안) 지능형 반도체 분야의 목표 - SW-SoC 융합을 통한 지능형 반도체 강국 도약 (’14년 세계 5위 ’20년 2위) - 미래 성장제품개발의 R&D기반 플랫폼 구축

(24)

- IoT용 SoC 등 차세대 제품의 SoC 통합설계환경 (Electronic System Level 개발 툴) 구축을 통해 효율적 제품개발 - 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼의 산업 적용 확대를 위한 테스트 베드 구축 및 시범사업 추진 → 응용 분야별 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼을 각 응용 분야별로 산업에 활용하기 위한 기술 사업화 추진 ○ 경기도 전략산업인 시스템 반도체 산업에 임베디드 SW 기술이 융합된 플랫폼 기술 개발로 관련 산업 활성화 지원 - 경기도 전략산업: 바이오, 지식서비스(게임/컨텐츠), 시스템 반도체, 메카트로닉스 (자동차, 디스플레이, 국방) → 지역 산업에서 필요로 하는 IP 기술 개발에 지역 대학과 연계하여 산학연 기술 개발 추진으로 창조적 인재 양성 추진

산업동향 및 시장 기술수요

○ 세계 반도체 산업은 연평균 4%로 지속 성장하여 2018년 4,619억 달러 예상 - 세계 반도체 산업은 IoT 시대 진입으로 2018년 4,619억 달러 매출 기록 전망 - 특히 메모리는 세계 1위의 점유율을 유지하고 있으나, 시스템반도체 분야는 늦은 진출과 열악한 기반 때문에 삼성전자의 4.9%를 포함해도 세계 6.8% 점유 수준 - 세계 1위 팹리스와 국내 1위 팹리스 업체의 매출 규모는 약 40배 수준

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○ 최근 세계 Embedded SW 시장은 꾸준히 성장 - 세계 임베디드 SW시장은 2014년 기준 약 1,620억 달러로 추산되며, 2018년까지 연평균 약 3.7%로 성장하여 약 1,855억 달러 규모에 이를 것으로 예상 <자료: 산업통상자원부 2013> - 2014년 임베디드 SW 시장의 국내 규모는 약 22조원으로 추산되며, 2018년까지 연평균 약 7.1%씩 성장하여 약 29조원으로 규모에 이를 것으로 예상 <자료: 산업통상자원부 2013> ※ 완제품 대비 Embeded SW 부가가치 창출비중 (KESSIA자료: 의료기기(37.4%), 자동차(29.8%), 조선(13.5%)) ○ 서울 경기지역에 시스템 반도체 기업의 85% 분포 - 시스템반도체 기업의 수는 200개 이상으로 추정되며, 85%이상이 서울과 경기도에 분포 - 특히 판교 테크노밸리 중심의 성남시에 25% 이상이 분포하고 있어 ETRI SW-SoC융합R&BD센터의 지원이 필요 - 반도체 관련 업체가 집중적으로 분포한 성남시와 경기도에서는 공통으로 사용할 수 있는 SW-SoC 플랫폼 개발로 정체 상태의 팹리스를 포함한 중소 반도체 기업들에 활력을 불어 넣어 주기를 희망 그림 2. 시스템 반도체 및 팹리스 시장 동향

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연구추진의 시급성

○ 아이디어만 있으면, HW 의존성 없이 빠른 제품 개발이 가능한 개발 플랫폼 필요 ○ 단순 제조기반에서 벗어난 솔루션 제공 또는 반도체 IP Provider 등의 시스템 반도체 경쟁력 강화를 위한 패러다임 변화가 시급

2. 국내외

산업 및 시장 동향

국내외 산업동향

국내 산업동향

○ 인공지능 분야

-

ETRI 와 한글과컴퓨터는 한컴인터프리로 이전하여 2018 년 평창동계올림픽 공식 통번역 솔루션 “지니톡”을 개발하였으며, 현재는 IoT 기반의 디바이스에 AI 를 결합하여 임베디드 시스템 개발 중

-

LG 는 대우건설, 네이버와 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 스마트홈 구축에 협력하여 인공 지능 플랫폼 ‘클로바’를 스마트홈 사업으로 추진 중 ○ 자동차 임베디드 SW분야 - 산업부는 2013년 무인 자율주행 자동차 경진대회를 개최 - 모비스, 만도 등 국내 주요 전장업체는 충돌회피 제어를 위한 임베디드 기반 인신신호처리 SW와 AUTOSAR 기반 제동/조향 제어용 ECU를 개발중 - 전자통신연구원, 자동차 부품연구원, 전자부품연구원등에서 다중센서 통합형 Fusion 그림 3. 시스템 반도체 기업의 분포: 서울 경기 지역이 85.5%

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신호처리 SW기술 원천 핵심기술 개발중 ○ IoT 분야 - 핸디소프트는 스마트 헬스케어를 위한 IoT 디바이스 플랫폼을 개발했으며, 현재는 5G, AI 기술들을 결합해 자율주행을 위한 커넥티드카 분야로 영역을 넓혀가는 중 - 삼성전자는 ARTIK1/5/10 등 IoT 응용에 필요한 플랫폼을 개발하였으나, 일반 기업에 제공 여부는 아직 미정임

국외 산업동향

○ IoT 관련 기술 전망 - Gartner에서 2017년 7월에 발표한 IoT 관련 기술들에 대한 전문가 기대치를 반영한 그래프에 의하면, 2-5년 내에 유망할 것으로 기대되는 기술로 IoT Platform, Edge Computing 등이 있으며, 5-10년 내의 유망 기술로는 Connected Home 등을 들 수 있음[1].

○ IoT 인공지능 분야

-

마이크로소프트가 2017년 4월 인텔리전트 IoT 솔루션으로 IoT와 AI 전략을 적극 지원하기로 발표.

-

동시에 IoT & AI 인사이더 랩(Insider Labs)의 글로벌 거점을 확대하는 등 기업에 적극적인 지원할 계획

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○ 엣지 컴퓨팅 분야

-

센서의 데이터를 수집하고 전달하는 IoT 게이트웨이 역할만 했던 엣지 컴퓨팅이 이제는 점차 그 활용 범위를 넓혀나가며 위상이 강화

-

2017년 인텔은 5G 및 IoT 시대에 대비하면서 엣지 컴퓨팅을 위한 전략을 실행 중. 데이터 폭증 시대에 데이터 센터에서 모든 데이터를 처리할 수 없을 것으로 판단 ○ 자동차 임베디드 SW분야 - 닛산, 도요타는 2020년까지 상용 충돌방지 센서와 임베디드시스템 기반의 자율주행 차량 상용화를 위한 로드맵을 발표. 닛산은 2013년 CEATEC에서 자율주행 데모를 선보였으며, 최근 공로주행 면허를 획득하여 본격적인 공로 테스트 수행예정임 - 구글은 2010년 자체개발한 자율주행 차량을 개발하여 2013년까지 공로상에서 약 8만km이상을 성공적으로 주행 테스트하였음 - 벤츠는 세계 최초로 상용차량용 충돌방지 센서만으로 만하임~포르츠하임간 104km를 자율주행에 성공하였으며 2020년까지 완전 임베디드 시스템에 기반을 둔 상업용 자율주행 차량을 출시 예정임 ○ 웨어러블 디바이스 임베디드 SW분야 - 구글(프로젝트 글래스), 마이크로 소프트(프로젝트 포로탈레자), 애플, 리콘등에서 디스플레이 장치를 안경형태로 만들어 음성 명령으로 시스템을 제어하는 글래스 단말을 경쟁적으로 개발하고 있음 - 소니, 나이키, 페블, 모토로라, 구글에서는 센서류를 내장한 문자메시지 및 이메일 확인 등의 기능을 가진 시계형 단말을 개발하고 있으며 삼성, 소니 애플등 일부업체는 상용화 하였음. - Thalmic랩의 MY0는 팔뚝에 착용하여 6축 자이로 센서와 근육에서 발생하는 작은 전기적인 신호를 감지하여 블루투스로 연동된 기기에 각종 명령을 줄 수 있음 ○ 일본 히타치의 가상현실 공간 시스템, 캐논의 복합현실 표현 시스템, 소니의 가상현실 공간점유 시스템 등 진행 ○ 유럽로봇공학플랫폼(EUROP)은 로봇 연구개발과 사업화 비전을 공유하기 위하여 전략적 연구분야(SRA)를 발표하고 집중지원 ○ FPGA 기반 프로토타입은 에뮬레이션과 시뮬레이션 같은 대체 검증 방법보다 최소 10배 빠른 속도로 소프트웨어를 실행시킬 수 있으며, 비용이 비교적 저렴하다는 장점 때문에, 사용이 증가하는 추세임

국내외 시장동향

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○ Gartner의 2015년 10월 시장 자료에 의하면 IoT 기기는 2014년 38억개에서 2020년 200억개 이상으로 증가할 전망이며, 홈오토메이션과 가정내 에너지 관리 및 안전 관련 분야는 연평균 2배 가까운 성장률이 예상됨[2]. ○ 2017년 시장자료에 의하면 84억대로 약 31% 증가할 것으로 전망하였으며, 소비자 부문은 전체 어플리케이션 중 63%를 차지하고, 비즈니스 부문의 경우 2017년 연결될 사물이 31억대에 달할 것으로 예측. Spending

Center Category Subcategory 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 CAGR (%) Automotive 13.2 27.8 58.5 106 183.2 307.2 492.9 738 77.6 Energy 16.6 25.3 44.1 89.5 183.2 355.6 644.6 1,074.30 81.5 Information 303.5 323.8 348.8 383.2 423.4 472.3 532.4 605.1 10.4 Safety 1.8 3.4 5.9 10.2 16.6 25.6 38.2 54.8 62.6 Building or Facilities Automation/Other 8.3 21.5 46.9 93.5 173.1 301.4 498.7 788.4 91.6 Physical Security 167.1 229.7 310.4 409.3 531.1 683.6 883.8 1,147.60 31.7 Sub Total 510.5 631.6 814.7 1,091.70 1,510.60 2,145.70 3,090.70 4,408.20 36.1 Education 4.3 6.1 9 14.2 22.5 35.2 53.7 78.9 51.8 Government 57.8 87.2 123.2 166.5 218.8 276.1 342.1 418.9 32.7 Healthcare Providers 36.3 44 53.3 64.5 78.1 93.7 112 132.8 20.3 Manufacturing & Natural

Resources 289.7 324.3 357.8 401.3 452.7 514.5 588.2 677.4 12.9 Transportation 115.2 140 168.6 201 237.6 278.2 323.3 372.4 18.3 Utilities 218.4 259 308 368.9 444.6 538.6 652.7 789.6 20.2 Banking & Securities 3.3 3.4 3.5 3.6 3.8 3.9 4 4.1 3.3 Retail & Wholesale Trade 30.7 34.5 41.3 56.2 87.2 146.1 247.3 405.4 44.5 Sub Total 755.7 898.3 1,064.70 1,276.30 1,545.30 1,886.20 2,323.40 2,879.50 21.1 Business

Total 1,266.20 1,529.90 1,879.40 2,368.00 3,055.90 4,031.90 5,414.10 7,287.70 28.4 Automotive 75.5 149.7 298.4 515.3 848.6 1,353.40 2,067.30 2,956.00 68.9 Health and Fitness 115.8 149.3 186.8 224.1 276.3 337.7 416.9 525 24.1 Home Automation/Other 37.2 78.7 168.7 338.9 630.5 1,090.30 1,772.20 2,729.20 84.7 Home Energy Management 11.3 28.4 62.8 128.3 239.4 417.5 696.1 1,107.40 92.5 Home Security and Safety 15.9 38.2 89.9 190.6 357.1 604.6 951.8 1,418.80 90 Information and Entertainment 1,512.20 1,832.70 2,216.00 2,627.00 3,050.90 3,512.60 4,065.60 4,772.50 17.8 Sub Total 1,767.90 2,276.90 3,022.70 4,024.10 5,402.70 7,316.10 9,969.90 13,508.90 33.7 Consumer Total 1,767.90 2,276.90 3,022.70 4,024.10 5,402.70 7,316.10 9,969.90 13,508.90 33.7 Grand Total 3,034.10 3,806.80 4,902.10 6,392.10 8,458.60 11,348.00 15,384.00 20,796.60 31.7 Consumer Consumer Business Cross-Industry Vertical-Specific 표 1. 소비 영역별 IoT 유닛 설치 개수 전망 (Gartner 2015.10)

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연구결과의 요약

1. 정성적 목표

○ 확장된 구조의 IoT 게이트웨이용 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 ○ SW-SoC 가상화 플랫폼 성능 분석 기술 개발 ○ IoT 게이트웨이용 SW 개발 ○ IoT 게이트웨이 응용/서비스 개발 ○ SW-SoC 플랫폼 관련 기술 민간 수탁 활성화 추진

2. 정량적 목표

평가항목 (주요성능 Spec) 단위 세계최고수준 (보유국/보유기관) 국내기술수준 (보유기관) 기술개발 목표치 (2017년) 2015 2018 2015 2018 SW-SoC 가상화 플랫폼 SoC Architecture Simulation 최대 성능*1) MIPS 100 1,000 50 500 500 SW-SoC 가상 플랫폼 수*2) _개 ₁₀ ₂₀ ₁ ₂ ₁ SW-SoC 가상 플랫폼 지원 OS*3) 개 1 2 1 2 1 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Processor 수*4) 개 1 1 1 4 1 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Peripherals 수*5) 개 10 20 1 4 4

*1) CPU 와 메모리 등 기본 SoC 구조 상에서의 simulation 성능을 최대 성능으로 표현함

*2) 가상 플랫폼은 응용 분야에 따라서 다를 수 있고, 갯수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게이트웨이용 가상 플랫폼 1 개를 개발할 예정임

*3) Linux, Qplus, RTOS, Android, iOS 등

*4) 응용 플랫폼의 규모에 따라서 필요한 프로세서 수가 다를 수 있으나, 본 과제에서는 IoT 게이트웨이 용으로 2 개의 프로세서 정도로 구현이 가능할 것으로 예상함

*5) 지원 Peripheral 수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게이트웨이용 가상 플랫폼에 필요한 Peripheral device 모델을 년 2 개씩 총 6 개를 개발/확보할 예정임

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○ 기술 개발 계획 대비 성과

성과 지표 2017년 계획 2017년 달성 정량 성과 특허출원 국내 1 건 국제 1 건 국내외 논문 2 건 9 기술 문서 5 건 12 연구시제품 1 건 1 소프트웨어 1 건 2 부품 설계 1 건 2 중소기업 기술지원/자문 3 건 5

연구 내용 및 범위

○ 확장된 SW-SoC 가상화플랫폼 개발 ‒ SW-SoC 가상화플랫폼 확장 구조 설계 ‒ SW-SoC 가상화플랫폼 확장 기능 구현 ‒ C/C++, SystemC, HDL IP 통합 인터페이스 구조 연구 ○ IoT 게이트웨이 응용/서비스 기술 개발 - IoT 게이트웨이 기반 고령 친화 서비스 응용 기술 개발 - IoT 게이트웨이 기반 공공 서비스 응용 기술 개발

○ SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 Architecture Exploration 기술 개발 ‒ SW-SoC 플랫폼 성능 추정 기술 개발

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제２장 본 론

제１절 주요 기술

1. IoT 게이트웨이 하드웨어 플랫폼

○ 게이트웨이급 단말은 많은 데이터를 수집하고 처리하기 위해서 고성능의 프로세서와 고용량의 메모리 및 다중 통신 모듈을 탑재하고 있으며, 이를 구동하고 제어하는 운영체제도 하드웨어 사양에 맞게 안드로이드나 리눅스 등의 고급 운영체제를 탑재하고 있음

mbed IoT Gateway (LPC1768 이용)

 Low power wireless gateway

 센서 노드와의 통신을 위해 Xbee(ZigBee), XRF, WiFi 모듈 사용 가능하며, 인터넷 연결을 위해서 Ethernet 또는 WiFi 이용 가능

 Open source 소프트웨어 사용  웹 기반 관리 지원

 그림 5 은 mbed IoT Gateway 보드 사진이며, 표 2 는 mbed IoT Gateway 의 주요 특징임

Microprocessor NXP LPC1768기반 개발 보드

ARM Cortex-M3, 96 MHz, 512K Flash, 32K RAM I/O Ethernet, SPI, I2C

Wireless module Xbee(ZigBee), XRF, WiFi

기타 특징 Online compiler 지원 및 Off-line tools 사용 가능 그림 5. mbed IoT Gateway 용 보드

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Open Source IoT Gateway (Raspberry Pi2 + Apio Kit)

 Apio(www.apio.cc/en/)는 Apio OS 와 Apio kit(Dongle, General)를 가지고 IoT 용 솔루션을 개발하였음

 그림 6 은 Apio Dongle 의 사진이고, 표 3 은 Apio Dongle 의 주요 특징임  IoT Gateway 의 경우, Raspberry Pi2 와 Apio Dongle 을 사용하여 구현 가능

 Apio Dongle 의 USB 인터페이스를 이용하여 Raspberry Pi2 와 그림 7 와 같이 연결 후 Open Source IoT Gateway 구현 가능

 Apio OS 는 Apio Mesh(low-energy integrated wireless communication of Apio for personal wireless networks(LR-WPAN); based on the IEEE 802.15.4), Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, Serial(TTL) 연결을 지원 Size 56 x 24.5 mm Controller ATmega256RFR2 CPU clock 16MHz Flash 256k SRAM 32k EEPROM 8k Radio 2.4GHz IEEE 802.15.4 Firmware Pre-installed

Firmware update Apio SDK/manual XBee socket Built-in

그림 6. Apio Dongle

표 3. Apio Dongle 주요 특징

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LoWPAN IoT Gateway (WEPTECH)

 무선 IPv6 네트워크와 인터넷을 연결하는 6LoWPAN 네트워크의 border router 기능 수행  하드웨어 사양 : 32kB RAM, 512kB Flash 를 가지는 Texas Instruments(CC2538)의 ARM®

Cortex-M3 SoC 기반

 2.4 GHz 대역의 802.15.4 무선 인터페이스 제공

 sub-GHz 송수신기(CC1200)는 868 or 915 MHz 주파수 대역 사용 가능  소프트웨어 : 오픈 소스 운영체제 “Contiki”기반

그림 8. 6LoWPAN IoT Gateway

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2. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼

OneM2M IoT 표준 기술

OneM2M 표준 아키텍쳐

 그림 9는 OneM2M 표준에서 제안하는 아키텍처를 나타냄

 MN-CSE 와 ASN-CSE 는 IN-CSE 의 M2M Service 를 제공 받기 위해 등록 가능  MN-CSE 는 CSE 에 의해 제공되는 M2M Service 를 위해 다른 MN-CSE 에 등록 가능  AE 는 M2M Service 를 제공 받기 위해 모든 CSE 에 등록 가능.

 등록된 AE 는 Access Control Policy 에 의해 권한이 있는 경우 Registrar CSE 의 모든 요청 대 상이 될수 있는 CSE 의 리소스에 접근 가능.  제약조건  AE 는 둘 이상의 CSE 에 등록 할 수 없음  ASN-CSE 는 반드시 다른 CSE 에 등록 해야함  MN-CSE 는 하나의 다른 CSE 에 등록되어야 함  MN-CSE 와 별도의 MN/IN-CSE 는 서로 등록 할 수 없음

OneM2M 표준 리소스 등록

 등록에 관한 요청 및 응답을 분석하기 위해 최초 등록인 MN-CSE 와 IN-CSE 의 등록을 우 선적으로 분석 함  그림 10 은 OneM2M 표준에 따른 CSE 등록 프로시져를 나타냄 그림 9. OneM2M 표준 아키텍처

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 등록되는 CSE 를 의미하는 Registrar 와 등록하는 CSE 를 의미하는 Registree 로 구분  Originator(Registree)는 Receiver(Registrar)에게 resource 생성에 대한 request 전달

 Receiver(Registrar)는 Originator(Registree)의 요청을 받아 자격이 인증된 경우 CREATE 를 수행  CREATE Request 에 대한 Response 전송

 Originator(Registree)는 Create response 를 수신하여 CSEBase 하위에 remoteCSE 를 로컬로 생성.  RemoteCSE 의 AccessControlPolicyIDs 및 Label 의 속성 값을 얻기 위해 Receiver 에 RETRIEVE

Request 전달

 Receiver(Registrar)은 Originator(Registree)가 접근 권한을 가지고 있는지 확인  Receiver(Registrar)는 Originator 에게 RETRIEVE Response 를 전달

 Originator(Registree)는 RETRIEVE Response 의 정보를 통해 remoteCSE 를 업데이트 함

OneM2M 표준 접근 제어 정책(Access Control Policy)

 OneM2M 표준에서의 접근 제어 정책은 다음과 같은 기능을 포함함  Sensitive data handling

 Security administration

 Security association establishment

 권한 설정이 이루어진 엑세스 제어 정책 및 할당된 역할에 따라 식별.  인증된 엔티티에 대한 서비스 및 특정 작업을 리소스에 인증.

 권한 부여 및 액세스 제어에 의존하는 서비스인 경우 필수 리소스에 해당.  개인정보를 보호하기 위한 수단으로 개인정보 보호에 적용 가능.

 ACP 는 ‘누가’, 무엇을‘ 할 수 있는지에 대한 권한 정보를 저장하며, Resource 에 Access 할 경우 사용할 수 있는 Context 를 제어

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 하나의 ACP 에 여러 Resource 들의 연결이 가능하며, Resource 는 공통 속성인 accessControlPolicyID 로 ACP resource 에 연결하는 식별자 목록을 제공해야 함.

IoT 게이트웨이 SW 플랫폼

IoT 게이트웨이 SW 플랫폼의 함수 호출 흐름

 그림 12 는 IoT 게이트웨이 SW 플랫폼에서 기능에 따른 함수 호출 흐름을 나타냄.  initAcp(): AccessControlPolicy Resorce 생성

 initCSEBase(): CSE resource 생성하는 함수로 속성들을 설정  registerCSE(): CSE Type 등을 설정하고 생성에 대한 Request 전달

 Send(): Request Primitive 에 해당하는 Header 를 추가 후 SendRequest 로 전달

 sendRequest(): Request Primitive 의 Header 를 HTTP Header 로 바인딩하여 execute()로 전달 그림 11. ACP 와 리소스간의 관계도

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제２절 연구결과의 요약

1. 정성적 연구결과

계획 실적 _페이지해당 비고 1. 확장 구조 SW-SoC 가상화 플랫폼 통합 설계  파워소모/성능 최적화가 가능한 확장 구조 SW-SoC 가상화 플랫폼 (1건)

- ARM Cortex-Ax Quad-core

- 운영체제: FreeRTOS(2차년도), Linux(1차년도) - 성능: 600 MIPS 이상  SW-SoC 가상화 플랫폼용 추상화 수준별 IP 설계 - C/C++, SystemC, HDL 기반 IP 설계 40, 44 48,52 SR.F.01 SR.F.03 UR.F.06  SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 구조정의  IoT 게이트웨이용 SW-SoC 가상화 플랫폼 정의 - CPU: Cortex(ARM), RISC-V(Andes)

OR1K(OpenCores) - Heterogeneous multi-processor

- Memory hierarchy (I-cache, D-cache, L2-cache)

40 SR.F.01 SR.F.03  SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 기능 구현  SW-SoC 가상화 플랫폼 통신 인터페이스 설계 - OneM2M 기반 ZigBee 무선 통신을 이용한 IoT

디바이스 LED Lamp 제어  IoT 게이트웨이 설계를 위한 주변장치 기능 테스트 실시간 주변장치 상태 정보 획득 가능한 SW-SoC 가상화 플랫폼 구현 44 47 SR.F.01 SR.F.03  C/C++, SystemC IP 통합 구조 개발  C/C++, SystemC 기반 주변장치 모듈 설계 (2건) - SHA 256 기반 암호화 모듈 설계 - UART 인터페이스의 ZigBee 모듈 설계  C/C++, SystemC IP 인터페이스 설계 주변장치 IP 제어용 API 설계 48 52 SR.F.03  HDL IP 통합 구조 개발  HDL 기반 주변장치 모듈 설계 - CNN 가속기 모듈 개발 가능성 검증  HDL IP 인터페이스 설계 시리얼 통신 기반 데이터 송수신 인터페이스 설계 53 55 UR.F.06 2. SW-SoC 가상화 플랫폼 구조 탐색기 개발  애플리케이션에 따른 파워소모/성능 최적의 SW-SoC 구조 탐색기

- 프로세서 개수(Quad, Dual, Single-processor) - 캐시 크기(N-ways, line bits, tag bits)

하드웨어 가속기 구조(HLS directives 생성) 56 UR.F.06  SW-SoC 가상화 플랫폼 소비전력/성능 추정 기능 개발  다수의 프로세서를 이용한 병렬처리 기능 구현 - 프로세서 개수에 따른 시뮬레이션 시간/소비 전력 측정 연구 - 캐시 사이즈에 따른 miss ratio 추출 기법 연구 - 주변장치의 상태별 소비전력 추정 기법 연구 56 UR.F.09 3. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구축  OneM2M 표준 기능 구조  OneM2M 표준 게이트웨이 공동 플랫폼 구성 및 기능  IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구현 - HTTP, MQTT, CoAP 지원 - Zigbee, Bluetooth, WiFi 지원

Application Entity를 이용한 IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 테스트

62 62 63

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4.IoT 게이트웨이 응용/ 서비스 기술 연구  IoT 게이트웨이 기반 주문 서비스 ‘QRMon’ 개발  IoT 게이트웨이 기반 스마트 화재 관제 시스템 개발  IoT 게이트웨이 응용 고령 친화 서비스 모델 연구  IoT 게이트웨이 기반 TWN 적용 딥러닝 모델 연구 66 70 77 80 UR.F.07 5. SW-SoC 플랫폼 관련 기술 지자체/민간 수탁 활성화 추진  성남시 고령친화체험관/고령친화R&D센터 연계 AI 기반 고령자 낙상 위험도 예측 기술 개발 분야에 성 남시 예산 매칭을 포함하는 공동연구 추진  AI 기반 낙상 위험도 예측 기술 개발 분야의 빅데이 터/클라우드 연계 기술 공동 개발로 티맥스데이터와 공동연구 추진 83 83 UR.F.07 (17ZT1100, 16 년도 연차보고서) SW-SoC 가상화 플랫폼 요구 사항 정의

UR.F.06 SW-SoC 가상화 플랫폼은 SW-SoC 에 통합되는 주변장치들과 주변장치들의 드라이버 SW 를 지원해야 한다.

UR.F.07 SW-SoC 가상화 플랫폼은 시뮬레이션을 통해 SW-SoC 의 성능을 분석할 수 있는 분석 도구 들을 지원해야 한다.

UR.F.09 SW-SoC 가상화 플랫폼은 IoT 게이트웨이 시스템 활용을 위해 MQTT 프로토콜을 지원해 야 한다.

SR.F.01 SW-SoC 가상화 플랫폼은 heterogeneous 다중 코어 기반 SW-SoC 기능을 에뮬레이션 할 수 있어야 한다.

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2. 정량적 연구결과

연구결과 정량적 성능 목표 달성도

평가항목 (주요성능 Spec) 단위 기술개발 목표치 (2017년) 기술개발 결과 (2017년) 비고 해당 페이지 SW-SoC 가상화 플랫폼

SoC Architecture Simulation

최대 성능*1) MIPS 500 600 이상 43 SW-SoC 가상 플랫폼 수*2) 개 1 1 40 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 OS*3) 개 1 1 신규지원 OS 43~44 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Processor 수*4) 개 1 4 41 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Peripherals 수*5) 개 4 4 2016년 2개 포함 48~51

*1) CPU와 메모리 등 기본 SoC 구조상에서의 simulation 성능을 최대 성능으로 표현함 (OS 및 간단 한 응용 프로그램을 포함)

*2) 가상 플랫폼은 응용 분야에 따라서 다를 수 있고, 갯수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게이트웨이용 가상 플랫폼 1개를 개발할 예정임

*3) Linux, Qplus, RTOS, Android, iOS 등

*4) 응용 플랫폼의 규모에 따라서 필요한 프로세서 수가 다를 수 있으나, 본 과제에서는 IoT 게이트웨 이 용으로 2개의 프로세서 정도로 구현이 가능할 것으로 예상함 *5) 지원 Peripheral 수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게 이트웨이용 가상 플랫폼에 필요한 Peripheral device 모델을 년 2개씩 총 6개를 개발/확보할 예 정임

정량적 연구 성과

연구시제품 실적

번 호 구분(HW/SW) 시제품명 비고 해당 페이지 1 HW IoT 게이트웨이 기반 화재 감지 시스템 (한기대) 70~76

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소프트웨어 실적

번 호 구분(HW/SW) 시제품명 비고 해당 페이지

1 SW IoT용 OneM2M 소프트웨어: EOM2M (TTA oneM2M 적합성 시험 통과) 62~66 (102~104) 2 SW IoT 게이트웨이 기반 주문 서비스용 소프트웨어 : QRMon 66~70

부품 설계 실적

번 호 구분(HW/SW) 시제품명 비고 해당 페이지 1 SW _{SHA 256}_{기반 암호화 모듈 설계} _48~49 2 SW UART 인터페이스의 ZigBee 모듈 설계 50~51

기술문서 등록 실적

번 호 구분(TM/TDP) 제목 저자명 비고 1 TDP IoT 게이트웨이 SW-SoC 가상화플랫폼 상세설계서 박기혁 2 TM 과제 수행 주요 내용 메모 김원종 3 TM SW-SoC 가상화플랫폼을 이용한 Zigbee 램프 제어 이형로 4 TM SoC 가상화 플랫폼을 이용한 SoC 구조 개발 검증 방법 이형로 5 TM OneM2M과 IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 분석 이형로 6 TM IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 security 적용 이형로

7 TM SoC 가상화 플랫폼을 위한 oneM2M 기반 IoT 터미널 개발 이형로

8 TM IoT 게이트웨이 기반 간편 결제 시스템 개발 이형로

9 TM 소스코드 관리를 위한 분산 버전 관리 시스템 Git 기본 사용법 박기혁

10 TM SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 성능 추정 연구 윤성재

11 TM SW-SoC 가상화 플랫폼 기반 주변장치의 소비전력 추정 연구 윤성재

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논문 실적 (부록 1 참조)

번 호 구분(논문 게재 or 학회발표) 논문명 저자명 저널명 일시 구분 (국내, 국외) SCI 등재 여부 비고 1 학회발표 SoC 가상화 플랫폼을 이용한 _{IoT 게이트웨이 검증} _{박기혁, 조한진, 인치호}이형로, 김원종, 대한전자공학회 _{SoC학술대회} 2017-05-₂₇ 국내

2 학회발표 효율적인 주변장치의 소비전력 SoC 가상화 플랫폼 기반 추정 기술

윤성재, 박기혁,

김원종, 조한진 대한전자공학회 하계학술대회 2017-06-30 국내

3 학회발표 Estimation Method for Peripheral Development of A Power IPs using SoC Virtual Platform

Sungjae Yoon, Kihyuk Park, Wonjong Kim, and

Hanjin Cho ITC-CSCC 2017 2017-07-03 국제

4 학회발표 Development of Web-based _{Embedded SW Training System}

Hyo-chan Lee, Inhag Park, KiHyuk Park, Wonjong Kim, Hanjin

Cho and Dai-Tchul Moon

ITC-CSCC 2017 2017-07-₀₃ 국제

5 학회발표 Development of a Home IoT Gateway for Emotional Environment Control

Hyoung-Ro Lee, Won-Jong Kim, Ki-Hyuk Park, Han-Jin Cho, Chi-Ho Lin and Dai-Tchul Moon

ITC-CSCC 2017 2017-07-₀₃ 국제

6 학회발표 Platform for IoT Terminals based Development of SoC Virtual on OneM2M

Hyoung-Ro Lee, Chi-Ho Lin, Ki-Hyuk Park,

Won-Jong Kim, Han-Jin Cho ISOCC 2017 2017-11-07 국제 7 게재 SoC 가상화 플랫폼을 이용한 _{SoC 구조 개발 및 검증 방법} 이형로, 김원종, _{조한진, 인치호} 대한전자공학회 _논문지 2017-11-₃₀ 국내

8 학회발표 Cryptographic Modules using Power Estimation of Virtual SoC Platform

Sungjae Yoon, Kihyuk Park, Wonjong Kim,

Hanjin Cho ICEIC 2018

2018-01-25 국제

9 학회발표 Payment System based on IoT Development of an Easy Gateway

Hyoung-Ro Lee, Won-Jong Kim, Ki-Hyuk Park,

Han-Jin Cho, Chi-Ho Lin ICEIC 2018

2018-01-25 국제

중소기업 기술지원/자문 실적

번 호 지원기업명 지원 내용 날짜 _페이지해당 1 티맥스클라우드 신규과제 기획을 위한 과제 제안서 작성 지원 2017.03.23 97 2 업-판교에가면 IoT 기반 스마트폰 이용 간편 결재 솔루션 개발 자문 2017.05.12 98 3 _{티맥스오에스} _{신규과제 기획을 위한 기술 검토 및 과제제안서 발표자료 작성 지원} _2017.05.22 ₉₉ 4 업-판교에가면 IoT 기반 스마트폰 이용 간편 결재 솔루션 사양 검토 2017.06.12 100 5 네오와인 과제 수행 내용 검토 및 향후 기술 개발 추진 방향 자문 2017.09.19 101

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연구결과의 세부 내용

1. 확장 구조 SW-SoC 가상화 플랫폼 통합 설계

SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 구조 정의

 다양한 수준의 IP 를 통합한 SW-SoC 가상화 플랫폼 설계 - SoC 설계 과정에서 개발자는 상위 수준부터 추상화를 낮춰가며 시뮬레이션 할 수 있는 환경 이 필요 - 기존 시뮬레이터는 SoC 설계 과정을 추상화 수준별로 나누어 단계별로 기능 및 성능을 검증 - 연구 결과물인 SW-SoC 가상화 플랫폼은 C/C++, SystemC, HDL 로 디자인 되어 있는 IP 를 통합 한 시뮬레이션 환경을 제공  IoT 게이트웨이는 활용 분야, 동작 환경, 사용 패턴 등에 따라 요구하는 성능이 달라 애플리케 이션 특성에 최적화된 SoC 구조를 채택하는 것이 중요 그림 13. 통합 SW-SoC 가상화 플랫폼 구성도

(44)

 IoT 게이트웨이 주요 제품 사양 비교

제조사 제품명 CPU Memory Networking I/O OS 용도 Intel _DE3815TYKHEIntel NUC Kit

Intel Atom E3815 @ 1.46GHz single core, 512 KB cache DDR3L SO-DIMM, 1600 MHz, 8GB max Ethernet WiFi Bluetooth

USB 2.0/3.0 Windows Mac OS X Linux 범용

NXP QorIQ LS1021A 2x Cortex-A7 cores _{@ 1GHz}

1GB ECC-protected DDR3 RAM 1Gb (gigabit) QSPI NOR flash SDHC slot supports up to 32GB Ethernet WiFi USB 2.0/3.0 CANBus UART GPIO SPI I2C Audio I/O Linux 범용

mbed mbed IoT _Gateway ARM Cortex-M3 @ _{96 MHz} 512K Flash, 32K RAM

Ethernet ZigBee XRF Wi-Fi Ethernet SPI I2C mbed OS 저전력

WEPTECH 6LoWPAN IoT _Gateway TI CC2538 ARM _{Cortex-M3 SoC} 512kB Flash _{32kB RAM} Ethernet _ZigBee USB Contiki

저전력 센서네 트워크  IoT 게이트웨이에 특화된 SoC 구조를 디자인하기 프로세서의 종류, 프로세서의 개수, 메모리 계 층 구조, 다양한 종류의 주변장치, 운영체제 등을 바꿔가며 시뮬레이션 필요  SW-SoC 가상화 플랫폼에서는 빠르게 설계를 할 수 있도록 TCL 파일을 이용해 프로세서 모델과 캐시를 추가할 수 있도록 구현

 SW-SoC 가상화 플랫폼에서 제공하는 프로세서 모델은 ARM Cortex-A9, ARM Cortex-A15, OpenCores, RISC-V 이며, heterogenous 하게 프로세서를 구성하여 Single, Dual, Quad-Core 를 지 원할 수 있도록 구현

 또한 Instruction cache 와 Data cache 를 구분하여 각 프로세서에 적용할 수 있어, 실제 SoC 구조 와 유사하게 가상화 플랫폼을 이용하여 모델링 가능

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SW-SoC 가상화 플랫폼 프로세서별 성능(MIPS) 측정

 Architecture: ARM Cortex-A15/9 Single/Multi-core - SM: Shared Memory 구조

- MP: Multi-core Processor 구조

- i7-6700K Quad 4.0 GHz, Linux 실행 -> 3.0 GHz 환산

 Single-Core Host 에서 Shared Memory 구조를 실행했을 때만 600 MIPS 수준으로 측정, 그 외의 경우에는 모두 1,000 MIPS 이상으로 측정

 그림 16 은 SW-SoC 가상화 플랫폼에서 프로세서 종류와 테스트벤치 애플리케이션을 변경하며 측정한 시뮬레이션 결과를 나타냄

(46)

SW-SoC 가상화 플랫폼에 FreeRTOS 운영체제 포팅

 SW-SoC 가상화 플랫폼에서 ARM Cortex-M3 프로세서에 FreeRTOS 운영체제를 포팅하여 웹페이 지에 LED 상태를 표시하는 프로그램 구현

 FreeRTOS 는 C 언어 기반으로 작성되어 있어 이식성이 뛰어나 8bit, 16bit, 32bit 프로세서에 이식 되어 사용되는 범용적으로 사용

 FreeRTOS 는 프로세서에 따라 운영체제 이미지가 달라져서 ARM Cortex-M3 프로세서를 사용하는 Atmel AT91SAM3U 임베디드 보드의 이미지 사용

 다양한 모드의 멀티태스킹 기법 적용 가능

- SW-SoC 가상화 플랫폼에서는 비선점형을 선택하여 구현

 SW-SoC 가상화 플랫폼을 이용해 그림 17 과 같이 SoC 구조를 모델링한 후, FreeRTOS 이미지를 옵션으로 추가하여 시뮬레이션 실행

(47)

… OPENPORT="--httpvis \ --override ArmCortexMFreeRTOS/led/httpvisportnum=8000 \ --wallclock" DIAG="--override ArmCortexMFreeRTOS/led/diagnosticlevel=1" harness.exe \

--verbose --output test.log \

--modulefile ../module/model.${IMPERAS_ARCH}.${IMPERAS_SHRSUF} \ --program ../FreeRTOS/FreeRTOStest.ARM_CORTEX_M3.elf \

$DIAG $OPENPORT \ "$@"

…

- OPENPORT 는 Host 컴퓨터의 8000 번 포트를 SW-SoC 가상화 플랫폼에 적용하기 위함 - DIAG 는 led 점등을 제어하는 프로그램을 동적인 상태로 변경하기 위함

- 이를 통해 ARM Cortex-M3 프로세서로 동작하는 SW-SoC 가상화 플랫폼에 FreeRTOS 가 실행

SW-SoC 가상화 플랫폼 확장 기능 구현

SW-SoC 가상화 플랫폼 통신 인터페이스 설계

 유선 네트워크 환경은 LAN 9118 주변장치 및 세미 호스팅 라이브러리를 활용하여 호스트 네트 그림 17. ARM Cortex-M 시리즈 기반 운영체제 구동 화면

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 무선 네트워크 환경은 UART 장치를 활용하여 Zigbee 통신 인터페이스 지원할 수 있도록 확장 설계함

 OVP 가상화 플랫폼의 UART 모듈은 가상 플랫폼 외부와 통신할 수 있도록 호스트 PC 와 socket 통신으로 연동하도록 구현

 그림 18 와 같이 Serial 통신을 socket 통신으로 변환하여 가상머신의 UART 모듈과 호스트 PC 의 UART 모듈을 연동 시키는 구조를 가짐

 UART 연동 소프트웨어 Serial-to-Socket Relay 는 Serial 입출력을 받아 가상머신의 UART 모듈에 Socket 통신으로 입출력을 중계하는 역할을 수행

 Zigbee 통신의 물리적 구현을 위해 UART-USB Dongle 형의 Zigbee 모듈 활용  Zigbee UART-USB Dongle : DIGI 사의 XB24-DMWIT-250

 주요 특징

- Zigbee/IEEE802.15.4 호환 솔루션 지원

- XB24-DMWIT-250(Zigbee UART 모듈)과 UART-USB 인터페이스 보드(Nero XBee Dongle)로 구성 그림 18. 무선 통신 인터페이스의 Serial-to-socket 변환 구조

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Zigbee 무선 통신을 이용한 IoT 디바이스 LED Lamp 제어

 그림 20 은 Zigbee 통신을 이용한 IoT 디바이스 LED Lamp 제어 시스템의 블록 다이어그램을 나 타냄

 가상화 플랫폼에서 Server 와 IoT Gateway 를 구동하여 테스트 진행

 Server 와 IoT Gateway 는 OneM2M 표준에 기반하여 각각 IN-CSE 와 MN-CSE 소프트웨어 구동  IoT 디바이스는 임의의 Raspberry Pi 에 LED 를 연결하여 사용 하였으며, Raspberry Pi 에는 Zigbee

모듈이 없기 때문에 Zigbee USB 모듈을 연결하여 테스트 진행

 그림 21 은 가상화 플랫폼에서 Zigbee 를 이용한 LED Lamp 제어가 실행되는 화면 임

 LED Lamp 의 On/Off 제어에 대한 명령은 Zigbee 무선 통신 인터페이스를 통해 IoT 디바이스로 전달

 IoT 디바이스의 LED Lamp 를 제어하기 위한 컨트롤러는 GUI 환경으로 구성 그림 20. Zigbee 를 이용한 IoT 디바이스 LED Lamp 제어 시스템 구성

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 컨트롤러의 버튼 클릭에 따라 LED Lamp 의 On/Off 가능

 컨트롤러의 GUI 을 통해 현재 LED Lamp 의 상태를 확인 할 수 있음

IoT 게이트웨이 설계를 위한 주변장치 기능 테스트

 개발자 편의성을 높이기 위하여 주변장치의 기능 및 내부 레지스터의 변화를 실시간으로 화면 에 출력하는 프로그램 개발

 SW-SoC 가상화 플랫폼 구조 - ARM Versatile Express 플랫폼



ARM 사에서 프로세서 개발 목적으로 제작한 보드로 프로세서 교체가 용이하고 다양한 주변장치 활용 가능

- 프로세서



ARM Cortex-A9 및 ARM Cortex-A15 적용 가능 - 주변장치



시스템 컨트롤러



시스템 레지스터



이더넷 컨트롤러



USB 시리얼 컨트롤러



UART  시각화 모듈의 메인 화면은 네 개의 프레임으로 구성 - 시스템 블록도: 플랫폼을 구성하고 있는 CPU 및 주변장치를 표현하며 버튼으로 구성 - 플랫폼 상태 뷰: 사용자가 시스템 블록도에서 선택한 버튼의 정보를 표시 - 플랫폼 파워 버튼: 시뮬레이터 종료. 8030 포트에 연결

- DIP switch 와 LED 제어: 스위치를 이용하여 LED 제어. 8031 포트에 연결 그림 22. SW-SoC 가상화 플랫폼 시각화 모듈 메인 화면

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 메인 화면에서 원하는 프로세서(CPU0 ~ CPU3) 버튼을 클릭하면 프로세서 관련 정보 출력

- 프로세서 종류, tick count, program count, state, mode, instruction, utilization 정보 확인  메인 화면에서 원하는 주변장치 버튼을 클릭하면 각 주변장치의 내부 레지스터 정보 출력  SW-SoC 가상화 플랫폼과 연동되어, SoC 를 구성하는 각 IP 의 정보를 실시간 획득

C/C++, SystemC IP 통합 구조 개발

C/C++, SystemC 기반 주변장치 모듈 설계 (SHA 256 기반 암호화 모듈 설계)

 IoT 게이트웨이는 데이터 송수신 과정에서 해킹의 위험성이 있어, 송수신 단에서 데이터를 암복 화할 수 있는 모듈이 필요 - 이번 연구에서는 해쉬 함수 기반으로 동작하는 SHA256 알고리즘을 이용한 암호화 통신 모듈 설계  SW-SoC 가상화 플랫폼에서 동작 가능한 암호화 모듈 생성 - 다음의 소스코드는 SHA256 의 아키텍처를 정의

# address block to contain all the memory mapped registers for SHA256 operation imodeladdaddressblock \ -port SHA256SP1 \ -name SHA256Blk \ -offset 0x0 \ -width 32 \ -size 0x200

set addBlock "SHA256SP1/SHA256Blk"