1. 서론
RTOS(Real Time Operating System)는 실시간 시스템에 탑재되는 특수한 목적의 운영체제로 무기체계나 우주항공 부품, 의료장비, 산업용 제어 시스템 등 높은 신뢰성이 요구되는 컴퓨팅 장비의 운영체제로 사용되는 시스템 소프트웨어이다. 따라서 RTOS에는 수 마이크로 초 수준의 고도로 정밀하고 정확한 기능을 위한 신뢰성과 안정성이 요구되어 선진국이 시장을 장악하고 있는 소프트웨어의 영역이다.
특히 현대 무기체계에는 첨단 전자기술 적용과 소프트웨어 기반 성능 향상이 필수적인데, 자체 펌웨어 기반의 소프트웨어 구현을 넘어 지난 20여 년간 상용 RTOS 적용이 확대되고 있다. 국내에서도 연간 1,000억대 이상의 RTOS 수요가 있지만 현재는 대부분 외산 제품을 구매하는데 사용되는 것으로 추정된다.
이러한 국내 기술의 부재로 인한 외산 종속 상황을 벗어나기 위해 지난 20여년간 산학연의 지속적인 노력이 진행되어 왔다. 국내 RTOS 기술의 무기체계 적용을 위해 방위사업청과 지식경제부가 공동 기획한 “기동무기 내장형 실시간 제어 시스템용 마이크로초급 정밀도와 99.99% 신뢰성의 RTOS 기술 개발” 과제가 World Best SW 사업의 일환으로 진행되었다. 그 결과로 나온 국내 기술의 고신뢰 RTOS를 확인 검증하기 위한 목적으로 육군 주력전차인 K2전차의 1차 시스템 중 하나인 차량제어컴퓨터 및 자동장전제어기에 적용하여 민군겸용 사업에서 검증 평가하여 외산 RTOS 대비 동등성을 입증하였다.
이 글에서는 상기 소개된 과제에서 진행된 국산 RTOS의 K2전차 적용과정을 상세히 소개하고 그러한 과정을 통해 확인된 국산 RTOS의 평가결과, 장점, 우수성 등을 정리하면서 국산 RTOS 기술의 확대 적용 계획과 앞으로의 로드맵을 모색해 보고자 한다. 먼저, 제2장에서 K2전차 차량제어 컴퓨터에 국산 RTOS를 적용 평가 과정에 대해 정리 요약하며, 제3장에서 국산 RTOS 적용 검증결과 외산대비 성능 평가결과를 제시한다. 마지막으로 제4장에서는 현재까지의 무기체계 국산 RTOS 적용의 성과와 향후 계획을 도출하여, 이후의 로드맵과 장기적인 발전 방향을 조망해 본다.
2. K2전차 차량제어 컴퓨터 국산 RTOS 적용 평가
2.1. 국산 RTOS 적용 평가 배경
K2전차는 육군의 요구사항에 의거하여 국방과학연구소와 현대로템이 전력화에 성공한 국산 명품무기이다. 최신예 기술이 집약된 무기체계로 전자, 정보통신, 소프트웨어 기술이 본격적으로 적용된 디지털 무기체계이다. K2전차의 내부에는 약 20여개의 디지털 컴퓨터가 탑재되어 있고, 총 수백만 라인에 이르는 소프트웨어가 전차의 주요 기능을 수행하는데, 그러한 소프트웨어의 대부분은 국내 기술에 의해 개발되고 입증되었다.
다만 그동안 국내 기술로 대체하지 못했던 영역이 각 디지털 컴퓨터를 운용 구동하는 기반이 되는 운영체제, 즉 RTOS 기술이다. 현재 10여 개의 K2전차 내장 컴퓨터가 외산 RTOS를 적용하여 운용되고 있다. 우리나라의 소프트웨어 기술이 성숙함에 따라 이러한 부분에 국내 기술을 적용하기 위한 시도가 지속되었는데 이 글에서 다루고 있는 K2전차 차량제어 컴퓨터에의 국산 RTOS 적용 사례는 그 객관적인 성과라 할 수 있다.
본 장에서는 방위사업청과 산업통상자원부에 의한 공동국책 연구개발의 성과인 고신뢰 RTOS를 K2전차 핵심 시스템인 차량제어 컴퓨터에 탑재하여 HILS 및 실차 운용시험을 통해 입증하는 과정과 결과를 설명하고자 한다.
2.2. 차량제어 컴퓨터 RTOS 요구사항 식별 및 적용계획 수립
국산 RTOS를 적용하기 위한 첫 단계로 그 대상이 되는 차량제어 컴퓨터의 설계형상과 인터페이스 요구도를 식별하였다. 차량제어 컴퓨터는 전차 내의 수십여 개의 다양한 부 체계와 통신하여 조종자에게 차량의 전반적인 상태를 전시하고 조종사의 입력을 받아 구동, 제어, 조종 등 다양한 전차 차량제어 기능을 발현하는 중심에 있다. 따라서 이에 국산 RTOS를 적용하기 위해 우선 다양한 장치간의 인터페이스 사양을 식별하고 전시화면을 시현하기 위한 그래픽 사양을 확인하고 외산 RTOS 기반으로 되어 있던 기존의 소프트웨어 형상을 분석하여, 국산 RTOS에서 지원해야 할 기능을 파악하는 작업이 진행되었다.
국산 RTOS 개발진은 K2전차 차량제어 컴퓨터의 원 개발자인 국방과학연구소와 현대로템 개발진과 협업을 통해 기존 형상과 사양, 소프트웨어를 확인하고 기술이전의 과정을 통해 필요한 데이터를 확보하였다. 아울러 국산 RTOS 적용이 완료되었을 경우 기존형상과의 비교 평가를 위한 시험환경 및 HILS 구축 방안에 대해 논의한 후 적용 검증계획을 아래와 같이 확정하였다.
차량제어 하드웨어 지원계층 식별
- PowerPC 7410 CPU 초기화 기능
- Memory 초기화 기능
- Interrupt 제어 기능
- Timer 제어 기능
- Cache & MMU 관리 기능
- PCI BUS 통신 기능
- SCSI 인터페이스를 통한 로그 저장 기능(SSD 4G 장착)
- CAN 3채널 통신
- MIL-STD-1553B RT 채널 지원
- RS-422 통신 인터페이스 지원
- RS-232 콘솔 터미널 인터페이스 지원
- Ethernet 통신
차량제어 컴퓨터 응용 SW 이식
- “K-2 전차 차량제어 장치 탑재 SW 관련 산출물” 기술이전
- 기존 차량제어 응용 SW의 수정을 최소화하여 재사용하는 이식
최종 결과물 성능 요건 구체화
차량제어 HILS 시험방안
- 기존 K2전차 차량제어 컴퓨터 시험 절차서에 따른 HILS 시험 수행
- 외산 RTOS 탑재된 기존 형상과의 기능/성능 비교
2.3. 차량제어 컴퓨터 국산 RTOS 적용 설계 및 구현
수립된 계획에 따라 아래와 같이 하드웨어 지원 계층에 대한 소프트웨어 설계와 구현이 진행되었다.
- CPU Exception 처리기능 구현
- Timer 드라이버 처리기능 구현
- CPU Context 처리기능 구현
- Interrupt Controller 처리기능 구현
차량제어 컴퓨터의 내외부 하드웨어 인터페이스 요구사항에 따라 PCI 버스 드라이버, RS-232 디바이스 드라이버, SCSI 디스크 드라이버를 설계/구현하였고 CAN과 MIL-STD-1553 통신 드라이버는 기존 형상에서 사용된 소스코드를 이식하는 방법으로 적용하였다.
본 과제에서는 RTOS 뿐만 아니라 또 다른 외산 제품인 그래픽 솔루션의 국산화 검증도 함께 진행되었고 그에 따라 그래픽 시스템(카드/라이브러리) 구현도 동시에 진행되었다.
구현 완료된 RTOS, 하드웨어 지원계층, 장치 드라이버, 그래픽 시스템을 통합한 후 기존의 차량제어 컴퓨터 응용 SW를 이식하여 기본 동작 및 화면 전시를 확인하였다.
2.4. 차량제어 컴퓨터 소프트웨어 하드웨어 통합 시험
임베디드 시스템으로 탑재되는 소프트웨어는 실제 하드웨어 상에서 확인 검증되어야 한다. 따라서 설계 구현된 소프트웨어를 이후 서술될 내용처럼 실제 타겟인 차량제어 컴퓨터에서 단계적으로 통합 검증하는 작업을 수행하였다.
먼저 국산 RTOS에 포함된 모듈별 기능이 실제 하드웨어 상에서 각기 정상 동작하는지를 확인하는 통합 기능시험을(총 406개 시험 항목) 수행하여 시험 중 발생한 오류 10개를 수정하여 재확인하였다. 발생한 오류 모두 하드웨어 지원계층 설계 누락으로 인한 하드웨어 의존적 사항으로 RTOS 자체 오류는 아님을 확인하고 수정 해결하였다.
구현된 입출력 장치 드라이버 각각에 대해 소스코드를 100% 커버하는 단위시험을 수행하여 코드 검증을 수행하였다. 드라이버 통합시험 명세를 작성하고 그에 따른 시험을 수행하여 하드웨어 상의 드라이버 정상 동작을 확인하였다.
국내 기술의 GUI 시스템인 그래픽 카드 및 X Window 시스템을 차량제어 하드웨어에 적용한 후, 그래픽 단위 기능 및 호환성을 확인하였다.
모든 하드웨어 인터페이스 및 기반 시스템 기능을 확인한 후 기존 차량제어 응용 소프트웨어를 이식하여 차량제어 보드 수준의 통합 시험을 수행하였고 통합 결과물의 동작을 확인하였다.
상기 보드 수준의 시험 후에는 응용 소프트웨어 HW/SW 통합시험을 위해 실제 K2전차에 탑재된 차량제어 컴퓨터, 조종수 종합 전시기를 준비하였다. 또한 다른 K2전차 내 컴퓨터의 입출력을 모사하기 위한 시뮬레이션 컴퓨터를 구성하여 차량제어 컴퓨터 수준의 통합시험 환경을 구축하였다.
구축 완료된 통합시험 환경에서 아래 표와 같이 CAN, RS-422, 1553B 등 시스템 통신 기능시험과 조종수 종합전시기 상의 그래픽 시연 기능을 입증하였다.
2.5. 국산 RTOS 적용 차량제어 컴퓨터 HILS 시험평가
상기 과정을 거쳐 기존 차량제어 컴퓨터를 대체할 수 있는 국산 RTOS 적용된 시험용 시제가 완성되었다. 이를 실제 전차에 탑재하기 전 전차 내 전체 시스템을 모사하여 전차 없이도 차량제어 컴퓨터 기능을 최종 확인할 수 있는 HILS 환경을 구축하고 이를 이용한 실험실 수준의 최종시험을 수행하였다. 아울러 본 HILS 구축 및 시험은 K2전차 전체 총괄 체계업체인 현대로템의 기술진들이 진행하여 결과의 객관적인 입증이 가능하도록 하였다.
현대로템은 국산 RTOS가 탑재될 차량제어컴퓨터와 조종수 종합전시기는 실제 전차 양산품을 이용하였고 HILS를 위한 내외부 인터페이스 구성 또한 실제 K2전차의 인터페이스 사양서에 의거하여 아래 구성도와 같이 작업하였다.
또한 HILS를 이용한 시험 결과 데이터를 확인할 수 있는 운용 통제부를 제작하였으며 운용통제부는 MIL-STD-1553B, CAN, RS-422 에뮬레이터, 성능분석장치, HILS 운용장치, 전원공급기 등의 하드웨어와 시스템 점검 SW, HILS 운용 SW, 성능 분석 SW를 구현하였다.
현실감 있는 시험을 위해 현재 양산중인 조종수종합전시기, 차량제어컴퓨터, 차량제어 응용 소프트웨어를 적용하여 실 전차의 조종수석을 모사한 조종수 케빈을 제작하고 6축 구동 장치로 전차 기동 간의 동적 모션을 재연하였다.
구축 완료된 HILS 환경을 이용하여 아래와 같은 순서로 국산 RTOS가 적용된 차량제어 컴퓨터를 시험하여 평가하였다. 먼저 현대로템 개발진들은 HILS 환경에서 차량제어 컴퓨터 소프트웨어 기능 시험을 재수행하여 모든 항목에서 오류 없음을 확인하였고 기능시험 성적서도 발급받았다.
3. 국산 RTOS 성능 평가 결과 (K2전차 차량제어 컴퓨터 탑재 외산대비)
국산 RTOS가 탑재된 차량제어 컴퓨터에 대한 HILS 시험 결과, 기존 외산 RTOS 버전 대비 체계 요구기능과 성능에 문제가 없음을 확인하였다. 국산 RTOS가 우수한 부분이 현대로템에 의해 확인되었고 상세사항은 아래와 같다.
3.1. 시스템 초기화 시간 (1,000회 반복 시험)
- 외산 RTOS의 경우 평균 초기화 시간 : 78.7 초
- 국산 RTOS의 경우 평균 초기화 시간 : 36.1 초
3.2. 지도 데이터 접근시간 (1,000회 반복 시험)
- 외산 RTOS의 경우 평균 시간 : 1.61 초
- 국산 RTOS의 경우 평균 시간 : 2.27 초
3.3. CAN 통신 주기(10Hz) 확인시험 (2,000회 반복 시험)
- 외산 RTOS의 경우 평균 주기 : 9.992659 Hz
- 국산 RTOS의 경우 평균 주기 : 10.0032 Hz
3.4. CAN 통신 주기(25Hz) 확인시험 (2,000회 반복 시험)
- 외산 RTOS의 경우 평균 주기 : 25.00123 Hz
- 국산 RTOS의 경우 평균 주기 : 25.0084 Hz
3.5. OS 수준 부팅 시간
- 국산 RTOS 부팅 시간: 약 3.8초 (부트로더 부팅시간 포함)
3.6. 외산 RTOS 대비 국산 RTOS 기능 비교
- 기존 외산 RTOS 지원 라이브러리의 총 기능 수(78개) 대비 72개를 지원하여, 92.3 % 수준의 기능 동등성을 확인함
3.7. 국산 RTOS 실시간 성능
- 국산 RTOS 상에서 10개의 쓰레드에 대하여 10,000회 반복하여 쓰레드 스위칭 시간 편차 측정 결과 3.3 마이크로초 이내 확인
3.8. POSIX 표준 호환
- OpenGroup의 POSIX 호환성 검증용 테스트 수트인 TETWare를 이용하여 국산 RTOS의 POSIX 호환성 검증 완료.
3.9. 소프트웨어 메모리 요구량 (기존대비)
- 기존 차량제어 컴퓨터 소프트웨어 이미지와 국산 RTOS 기반 시험평가용 이미지의 크기 비교
- 외산 RTOS 기반 이미지: 12,224,925 Bytes
- 국산 RTOS 기반 이미지: 8,729,832 Bytes
4. 무기체계 국산 RTOS 적용의 성과와 향후 계획
국내 RTOS 기술을 무기체계, 항공 분야에 적용하고자 노력해 온 결과, 국산 RTOS를 적용하고자 하는 움직임이 점차 확대되고 있다. 특히 최근 OS분야에서 외산 무기체계에 대한 기술종속의 심각성이 대두됨에 따라 방위사업청 등 국방 획득기관에서는 국산 소프트웨어에 대한 가점제도 등 지원 정책을 시행하고 있다. 이후 국내 무기체계 개발에 국산 소프트웨어 적용이 더욱 가속화될 전망이다.
MDS테크놀로지가 개발하고 현대로템 등 방산 체계업체에서 검증한 RTOS는 NEOS라는 제품명으로 상용화되어 유도, 기동, 통신, 함정, 항공전자 등 다양한 무기체계 개발사에 공급되어 적용이 진행 중에 있다. 특히 방위사업청과 현대로템은 K2전차 후속 양산 간에 국산 RTOS인 NEOS 적용을 추진 중에 있다.
5. 결론
이 글에서는 고신뢰성을 요구하는 분야인 무기체계 분야에 국산 RTOS 소프트웨어 기술을 적용하여 검증하고 외산 대비 객관적인 평가를 진행한 사례를 소개하였다. 국산 RTOS 개발사인 MDS테크놀로지와 K2전차 체계업체인 현대로템, 그리고 국방과학연구소 민군겸용기술센터가 협력을 통해 실제 우리 군이 운용하는 무기체계에 국산 RTOS를 적용하여 HILS 및 실차 시험을 완료하였다. 이후 다양한 무기체계에 국산 RTOS 기술이 확대될 수 있는 객관적 평가 근거를 확보한 사례라 평가된다.
RTOS 기술은 미국, EU 등 선진국이 주도하여 개발이 진행되고 있고, 자국산 RTOS 기술 보유여부는 한 나라의 소프트웨어 기술 성숙도를 대표적으로 보여주는 지표이다. 우리나라의 RTOS 기술은 여전히 선진국에 비해서는 뒤쳐져 있지만, 본 기고에서 다룬 바와 같이 K2전차 적용을 통해 무기체계에 외산 기술을 대체 가능한 RTOS 기술 자립이 이루어졌다.
그 성과는 다양한 무기체계 및 인접 산업분야로 확대될 수 있다. 소프트웨어 산업발전과 소프트웨어 중심의 무기체계 발전을 위해 RTOS 등 시스템 소프트웨어의 국내 기술 발전이 지속해서 추진되어 성공하기를 바라는 마음으로 글을 맺고자 한다.
글 : 조성일 상무 / A&D사업부 / MDS테크놀로지
글 : 김성호 과장 / 중기사업부 / 현대로템
자료제공 : MDS테크놀로지 <www.mdstec.com>
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