★ 요약 ★

임베디드 시스템에서 소프트웨어가 물리적 세계와 상호작용하는 메커니즘은 매우 빠르게 변화하고 있고, 물리적 세계를 정보의 세계와 깊이 연결하는 것이 중요하다. 가상 물리 시스템(CPS, Cyber-Physical Systems)은 물리적 서브시스템이 연산 및 네트워킹과 결합된 시스템이며, 이 책은 가상 물리 시스템의 모델링 및 설계, 분석에 중점을 두고 임베디드 시스템의 공학이론을 소개하는 입문 교재다.

★ 이 책의 대상 독자 ★

학부 고학년부터 대학원 저학년 학생과 임베디드 시스템의 공학 이론을 이해하고 싶은 엔지니어와 컴퓨터 연구원에게 적합한 책이다. 독자가 기계 구조(예를 들어 ALU이 무엇인지 알아야 한다)와 컴퓨터 프로그래밍(이 책 전반에 걸쳐 C 언어를 사용한다), 기본 이산 수학과 알고리즘, 적어도 신호와 시스템에 대한 인식(예를 들어 연속적인 시간 신호를 샘플링하는 것이 무엇을 의미하는지)에 대해 이해가 있다고 가정하고 설명한다.

★ 이 책의 구성 ★

모델링, 설계, 분석이라는 세 가지 주요 부로 나눠져 있다. 세 부는 서로 독립적이고 동시에 읽을 수 있다. 총 8개의 세그먼트를 통해 체계적으로 읽을 수 있으며, 각 세그먼트당 2주씩, 총 15주 안에 이 책을 완전하게 다룰 수 있다.

[목 차]

1장. 소개
__1.1 애플리케이션
__1.2 동기 부여 예제
__1.3 설계 프로세스
____1.3.1 모델링
____1.3.2 설계
____1.3.3 분석
__1.4 요약


1부. 역학 행동 모델링

2장. 연속 역학
__2.1 뉴턴 역학
__2.2 액터 모델
__2.3 시스템의 속성
____2.3.1 인과관계 시스템
____2.3.2 메모리리스 시스템
____2.3.3 선형성과 시불변
____2.3.4 안정성
__2.4 피드백 제어
__2.5 요약
__연습문제


3장. 이산 역학
__3.1 이산 시스템
__3.2 상태의 개념
__3.3 유한 상태 기계
____3.3.1 전이
____3.3.2 반응 발생 시점
____3.3.3 업데이트 함수
____3.3.4 결정성과 수용성
__3.4 확장 상태 기계
__3.5 비결정론
____3.5.1 형식 모델
____3.5.2 비결정성 사용
__3.6 동작과 추적
__3.7 요약
__연습문제


4장. 하이브리드 시스템
__4.1 모달 모델
____4.1.1 상태 기계의 액터 모델
____4.1.2 연속 입력
____4.1.3 상태 세분
__4.2 하이브리드 시스템의 종류
____4.2.1 타임드 오토마타
____4.2.2 고차 역학
____4.2.3 감시 제어
__4.3 요약
__연습문제


5장. 상태 기계 결합
__5.1 동시 결합
____5.1.1 병행 동기 결합
____5.1.2 병행 비동기 결합
____5.1.3 공유 변수
____5.1.4 직렬 결합
____5.1.5 일반적 결합
__5.2 계층적 상태 기계
__5.3 요약
__연습문제


6장. 동시 연산 모델
__6.1 모델 구조
__6.2 동기 반응 모델
____6.2.1 피드백 모델
____6.2.2 Well-Formed와 Ill-Formed 모델
____6.2.3 고정점 구성
__6.3 데이터 흐름 연산 모델
____6.3.1데이터 흐름 원칙
____6.3.2동기식 데이터 흐름
____6.3.3동적인 데이터 흐름
____6.3.4구조화된 데이터 흐름
____6.3.5프로세스 네트워크
__6.4 타임드 연산 모델
____6.4.1 시간 트리거 모델
____6.4.2 이산 이벤트 시스템
____6.4.3 연속 시간 시스템
__6.5 요약
__연습문제


2부. 임베디드 시스템 설계

7장. 센서와 액추에이터
__7.1 센서와 액추에이터 모델
____7.1.1 선형 아핀 모델
____7.1.2 범위
____7.1.3 동적 범위
____7.1.4 양자화
____7.1.5 노이즈
____7.1.6 샘플링
____7.1.7 고조파 왜곡
____7.1.8 신호 조정
__7.2 일반 센서
____7.2.1 틸트와 가속도 측정
____7.2.2 위치와 속도 측정
____7.2.3 회전 측정
____7.2.4 사운드 측정
____7.2.5 기타 센서
__7.3 액추에이터
____7.3.1 발광 다이오드
____7.3.2 모터 제어
__7.4 요약
__연습문제


8장. 임베디드 프로세서
__8.1 프로세서 종류
____8.1.1 마이크로컨트롤러
____8.1.2 DSP 프로세서
____8.1.3 그래픽 프로세서
__8.2 병렬성
____8.2.1 병렬성과 동시성
____8.2.2 파이프라이닝
____8.2.3 명령어 레벨 병렬성
____CISC 명령어
____서브워드 병렬성
____슈퍼스칼라
____VLIW
____8.2.4 멀티코어 구조
__8.3 요약
__연습문제


9장. 메모리 구조
__9.1 메모리 기술
____9.1.1 램
____9.1.2 비휘발성 메모리
__9.2 메모리 계층 구조
____9.2.1 메모리 맵
____9.2.2 레지스터 파일
____9.2.3 스크래치패드와 캐시
____기본 캐시 구성
____직접 매핑된 캐시
____집합 연관 캐시
__9.3 메모리 모델
____9.3.1 메모리 주소
____9.3.2 스택
____9.3.3 메모리 보호 장치
____9.3.4 동적 메모리 할당
____9.3.5 C에서 메모리 모델
__9.4 요약
__연습문제


10장. 입력과 출력
__10.1 입출력 하드웨어
____10.1.1 펄스 폭 변조
____10.1.2 범용 디지털 I/O
____10.1.3 직렬 인터페이스
____10.1.4 병렬 인터페이스
____10.1.5 버스
__10.2 동시 세계에서의 순차적 소프트웨어
____10.2.1 인터럽트와 예외
____10.2.2 원자성
____10.2.3 인터럽트 제어기
____10.2.4 인터럽트 모델링
__10.3 요약
__연습문제


11장. 멀티태스킹
__11.1 명령형 프로그램
__11.2 스레드
____11.2.1 스레드 생성
____11.2.2 스레드 구현
____11.2.3 상호 배제
____11.2.4 데드락
____11.2.5 메모리 일관성 모델
____11.2.6 스레드 문제
__11.3 프로세스와 메시지 전달
__11.4 요약
__연습문제


__12장. 스케줄링
__12.1 스케줄링 기초
____12.1.1 스케줄링 결정
____12.1.2 작업 모델
____12.1.3 스케줄러 비교
____12.1.4 스케줄러 구현
__12.2 비율 단조 스케줄링
__12.3 최단 마감 우선
____12.3.1 우선순위를 갖는 EDF
__12.4 스케줄링과 상호 배제
____12.4.1 우선순위 역전
____12.4.2 우선순위 상속 프로토콜
____12.4.3 우선순위 상한 프로토콜__12.5 멀티프로세서 스케줄링
____12.5.1 스케줄링 이상 현상
__12.6 요약
__연습문제


3부. 분석과 검증

13장. 불변성과 시간 논리
__13.1 불변성
__13.2 선형 시간 논리
____13.2.1 명제 논리 공식
____13.2.2 LTL 공식
____G 연산자
____F 연산자
____X 연산자
____U 연산자
____13.2.3 LTL 공식의 사용
__13.3 요약
__연습문제

14장. 등가와 세분
__14.1 명세로서의 모델
__14.2 타입 등가와 세분
__14.3 언어 등가와 포함
__14.4 시뮬레이션
____14.4.1 시뮬레이션 관계
____14.4.2 형식 모델
____14.4.3 이행성
____14.4.4 시뮬레이션 관계의 비고유성
____14.4.5 시뮬레이션과 언어 포함
__14.5 이중 시뮬레이션
__14.6 요약
__연습문제


15장. 도달성 분석과 모델 검사
__15.1 열린 시스템과 닫힌 시스템
__15.2 도달성 분석
____15.2.1 Gp 분석
____15.2.2 명시적 상태 모델 검사____15.2.3 기호 모델 검사
__15.3 모델 검사 추상화
__15.4 모델 검사 라이브니스 속성
____15.4.1 오토마타로서의 속성
____15.4.2 허용 사이클 찾기
__15.5 요약
__연습문제


16장. 정량 분석
__16.1 관심 있는 문제
____16.1.1 극단적인 경우 분석
____16.1.2 임곗값 분석
____16.1.3 평균 경우 분석
__16.2 그래프로서 프로그램
____16.2.1 기본 블록
____16.2.2 제어 흐름 그래프
____16.2.3 함수 호출
__16.3 실행 시간 결정 요소
____16.3.1 루프 제한
____16.3.2 지수적 경로 공간
____16.3.3 경로 실행 가능성
____16.3.4 메모리 계층
__16.4 실행 시간 분석 기본
____16.4.1 최적화 공식화
____흐름 제약
____전체 최적화 문제
____16.4.2 논리적 흐름 제약 조건
____루프 제한
____실행 불가능한 경로
____16.4.3 기본 블록에 대한 경계
__16.5 다른 정량 분석 문제
____16.5.1 메모리 경계 분석
____16.5.2 전원과 에너지 분석
__16.6 요약
__연습문제


17장. 보안과 프라이버시
__17.1 암호화 기본 요소
____17.1.1 암호화와 복호화
____대칭키 암호화
____공개키 암호화
____17.1.2 디지털 서명과 안전한 해시 함수
____안전한 해시 함수
____디지털 서명
____메시지 인증 코드
__17.2 프로토콜과 네트워크 보안
____17.2.1 키 교환
____디피-헬먼 키 교환
____키의 일정 시간 후 릴리스
____기타 기법
____17.2.2 암호화 프로토콜 설계
__17.3 소프트웨어 보안
__17.4 정보 흐름
____17.4.1 예제
____17.4.2 이론
____17.4.3 분석과 시행
__17.5 심화 주제
____17.5.1 센서와 액추에이터 보안
____위협 모델
____대책
____17.5.2 부채널 공격
__17.6 요약
__연습문제

추천사
“전통적으로 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어에 중점을 둔다. 가상 물리 시스템 접근법을 통해 이 세상을 동작시키는 컴퓨터 시스템을 이해하고 설계하는 데 필요한 관점을 제공한다”
— 브로스 크로그(Bruce H. Krogh)/ 카네기 멜론 대학교 전자 컴퓨터 공학 교수

“미래 사물인터넷 엔지니어를 위한 입문서다. 21세기 인터넷 사물인터넷 혁명의 기초가 될 컴퓨팅과 물리적 세계에 대한 통합 시스템 관점을 제공한다.
— 조지 파파스(George J. Pappas)/ 펜실베니아 대학교 Joseph Moore 교수

“임베디드 시스템 설계자들은 장치 드라이버 작성부터 최악 실행 시간 분석, 연속 시간 시스템의 정형성 검증 및 모델링에 이르기까지 숙달해야 하는 많은 기술과 분야에 너무 압도당하고 있다. 이 책은 비본질적인 측면에서 본질적인 속성을 보여주고, 세부 사항으로부터 기본을 빼내, 설계의 복잡함 속에서도 질서를 찾을 수 있도록 돕는 훌륭한 안내서다. 임베디드 시스템 설계자에게 없어서는 안 될 모든 지식 영역을 제시하고 다른 전문 분야의 영역은 생략했다.
— 악셀 얀트쉬(Axel Jantsch)/ 비엔나 TU wien 컴퓨터 기술 연구소의 시스템 온 칩 교수, 『Modeling Embedded Systems and SoC’s』의 저자

“이 책의 탁월한 특징은 수학적 엄격성과 포괄성의 조합이다. 다양한 예제와 자료로 이해하기 쉽다. 오늘날 우리 주변의 모든 복잡한 시스템, 즉 임베디드 및 가상 물리 시스템에서 핵심 기술의 복잡성을 배우려면 반드시 읽어야 할 책이다.
— 베르너 담(Werner Damm)/ 협력 필수 시스템(cooperative critical system)을 위한 학제간 협력 센터장, 올덴부르크 대학 Carl von Ossietzky


★ 지은이의 말 ★

주요 주제는 모델과 시스템 구현의 관계다. 이 책이 다루는 모델은 기본적으로 역학 관계(dynamics) 즉, 시간에 따른 시스템 상태의 변화다. 시스템 구축에 관한 정적 정보를 나타내는 구조적 모델은 다루지 않는다. 물론 구조적 모델 역시 임베디드 시스템 디자인에 매우 중요하다.
모델을 사용하는 것은 큰 장점이 있다. 모델은 정형(formal) 속성을 가질 수 있으므로 모델에 대한 확정적인 사항을 말할 수 있다. 예를 들어 한 모델이 확정적(determinate)이라고 주장할 수 있다. 이는 같은 입력이 주어지면 언제나 같은 출력을 생산함을 의미한다. 시스템의 물리적 구현에서는 이런 절대적 주장이 가능하지 않다. 모델이 물리적 시스템의 좋은 추상화라면(여기서 좋은 추상화는 불필요한 세부 사항만을 생략함을 의미한다) 이 모델에 대한 확실한 주장은 시스템의 물리적 구현에 대한 확신을 줄 수 있다. 이런 확신은 특히 오동작이 인간의 삶을 위협할 수 있는 임베디드 시스템에서 큰 가치가 있다. 시스템 모델을 연구하는 것은 시스템이 물리적 세상에서 어떻게 동작하는지에 대한 통찰력을 준다.
이 책은 소프트웨어와 하드웨어가 물리적 환경과 상호작용하는 것에 중점을 둔다. 이는 소프트웨어와 네트워크의 시간적(temporal) 역학에 대한 명시적 모델링과 애플리케이션 고유의 동시성 속성에 대한 명시적 명세가 필요하다. 구현 기술이 이런 관점을 아직 따라잡지 못했다는 사실 때문에 잘못된 엔지니어링 관점을 가르치면 안 된다. 올바른 디자인과 모델링을 가르쳐야 하고, 올바른 디자인과 모델링이 어떤 것인지에 대한 논의로 확장돼야 한다. 따라서 임베디드 시스템 기술은 앞에 언급된 책에 있는 것처럼 사실과 트릭의 집합이 아닌 견고한 설계를 향한 디딤돌이 돼야 하며, 견고한 설계가 무엇인지와 오늘날의 기술들이 이를 어떻게 방해하고 달성하는지에 집중해야 한다.
Stankovic et al.(2005)은 이 관점을 지지하며, “실시간 임베디드 시스템(RTES, Real-Time Embedded Systems) 설계를 위한 기존 기술은 안전하고 강인한 임베디드 시스템 개발을 효과적으로 지원하지 못한다.”고 언급한다. 그들은 ‘프로그래밍의 추상화 수준을 올려야’ 할 필요를 언급한다. 하지만 우리는 추상화 수준을 올리는 것만으로는 충분하지 않다고 생각하며, 사용하는 추상화를 근본적으로 바꿔야 한다고 주장한다. 예를 들어 소프트웨어의 타이밍 속성이 이들이 구축된 낮은 수준의 추상화에서 완전히 빠져 있다면 더 높은 수준의 추상화에서는 효과적으로 도입될 수 없다.
이제 반복 가능하며 시간적 역학을 가진 강인하고 예측 가능한 디자인이 필요하다(Lee, 2009a). 이를 위해 가상 물리 시스템의 현실을 적절하게 반영하는 추상화를 구축해야 한다. 이는 약간의 변경 사항이 큰 결과를 만들어내는 오늘날의 디자인 불안정성에서 벗어날 수 있도록 적응형 제어 로직과 시간에 따라 진화할 수 있고 향상된 안전과 안정성이 있는 훨씬 더 정교한 CPS 디자인이다.
시간적 역학을 다루는 것 이외에도 CPS 디자인은 항상 까다로운 동시성 이슈에 직면한다. 소프트웨어는 순차적 추상화에 깊이 뿌리를 두고 있기 때문에 세마포어나 상호 배제(mutual exclusion)를 사용하는 인터럽트나 멀티태스킹 같은 동시성 메커니즘은 매우 중요하게 여겨진다. 따라서 이 책에서는 스레드와 메시지 전달, 교착 상태(deadlock) 회피, 경합 조건(race condition), 데이터 결정론을 확실하게 이해시키기 위한 많은 노력을 기울였다.

★ 옮긴이의 말 ★

임베디드 시스템하면 보통 노트북이나 태블릿, 패드, 휴대폰을 떠올릴 것이다. 그렇다면 임베디드 시스템이란 정확히 무엇일까? 나는 임베디드 시스템을 개발하면서 임베디드 시스템의 메모리나 CPU 등의 물리적 제약 사항을 주로 고려할 뿐 근본적인 임베디드 시스템의 정의나 특성을 파악한 적은 없었다. 이 책은 보통 순차적인 가상 세계와 병렬적인 물리적 세계를 통합한 가상 물리 시스템의 모델링 및 설계, 분석에 대한 공학 이론을 제공해 임베디드 시스템의 정의와 특성을 이해하고, 임베디드 시스템 모델 및 구현과의 관계를 파악할 수 있도록 돕는다. 임베디드 시스템이 실시간성이나 안전성에 민감하다면 이런 개념의 이해는 필수적이다.
기존 임베디드 시스템 책들은 물리적 시스템에만 집중하거나 프로그래밍 언어나 운영체제 혹은 최적화 기법 같은 소프트웨어 측면의 컴퓨터 과학에만 집중했다. 혹은 특정 주제를 너무 심도 있게 다뤄 임베디드 시스템을 개괄적으로 알기 원하는 입문자에게는 적합하지 않았다. 이 책은 물리적 서브시스템이 연산 및 네트워킹과 결합된 시스템인 가상 물리 시스템CPS을 통해 임베디드 시스템을 소개하며, 모델과 시스템 구현의 관계에 대한 ‘입문’ 과정을 제공한다. 임베디드 시스템 입문자를 위해 여러 학과의 임베디드 시스템 관련 지식을 체계적으로 정리하고 결합해 임베디드 시스템의 구현과 분석을 위한 원칙적이고 과학적인 접근 방식을 제시하며, 모델 기반 시스템 설계와 임베디드 소프트웨어에 집중하고 있다. 이 책이 여러 학과의 지식을 결합된 가상 물리 시스템을 다루기 때문에 한 학과의 지식에 익숙한 일반적인 독자는 처음 보는 용어나 개념이 등장해 어렵다고 느낄 수 있다. 하지만 임베디드 시스템 업계에서 함께 일하는 사람들의 배경 지식을 이 책을 통해 경험할 수 있고, 다양한 기본 이론을 이해하고 실제 임베디드 시스템에 적용하려고 노력하면 더 견고한 임베디드 시스템을 만들 수 있을 것이다.
이 책은 가상 물리 시스템을 위한 모델링, 설계, 분석의 세 가지 주요 프로세스를 설명한다. 이를 통해 가상 물리 시스템을 어떻게 설계하고 구현하는지 이해하는 것이 목적이다. 그리고 대학에서 교재로 사용하기 적합하도록 구성돼 있고, 이해를 돕는 많은 예제가 포함돼 있다. 또한 각 장은 관련된 카테고리로 묶여있고 각 장 사이의 연관성도 명확하게 표현돼 있어 책을 읽을 때 원하는 부분을 먼저 읽을 수 있다. 이미 53개국의 282 기관에서 이 책을 사용했으며, 구성이나 예제들을 보며 저자들이 정성 들여 쓴 책임을 느낄 수 있었다.
이 책은 운영체제 교과서처럼 임베디드 시스템의 기본 이론을 설명하고 있다. 이 책이 더 의미가 있으려면 독자가 임베디드 시스템을 구현하거나 분석할 때 이런 이론들을 적용하려고 노력해야 한다. 보통 이런 노력은 시간이 많이 필요하고 기술적으로 어렵지만 이를 통해 한 단계 더 성장할 수 있다고 믿는다. 이 책이 임베디드 관련 학계와 업계에 계시는 분들의 지식에 조금이라도 도움이 되길 바란다.
— 정병혁

최근 사물인터넷이나 전장(automotive)이라는 용어는 너무도 많이 접하게 되는 용어다. IT업계에서는 이 두 가지 분야를 차세대 비즈니스로 중요하게 생각하고 있으며, 이를 위해 임베디드 시스템도 빠르게 변화하고 있는 추세다.
시중에 나와 있는 많은 임베디드 시스템 책과는 다르게 이 책은 시스템의 가상(cyber) 및 물리적인 부분에 의한 물리적 프로세스와 연산을 통합해 시스템의 공학 이론과 시스템 설계 프로세스에 접근하는 방법을 소개한다. 첫 부분에서는 시스템을 센서나 액추에이터와 같은 물리적 시스템과 소프트웨어나 알고리즘 같은 개념적, 논리적 시스템으로 구분하고 있으며, 시간에 따른 시스템의 상태가 어떻게 변하는지를 모델링하는 역학과 시스템의 속성이라고 하는 모델을 소개한다.
시스템 설계를 위해 필요한 메모리 구조와 계층 및 속성, 멀티태스킹 및 실시간 스케줄링, 동기화 등의 운영체제 개념들을 소개하고 있으며, 이를 이용해 하드웨어와 소프트웨어, 연산과 물리적 프로세스의 전반적인 고려를 통해 시스템을 구현할 수 있는 방법을 습득할 수 있는 내용을 다룬다.
임베디드 시스템에서 소프트웨어와 하드웨어가 물리적 환경과 어떻게 상호작용하는지는 매우 중요한 요소 중 하나다. 이를 위해 연산과 물리적 역학을 결합하는 모델과 추상화를 이용해 임베디드 시스템에 접근하는 방법을 보여줌으로써 독자에게 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 책을 통해 임베디드 시스템의 공학 이론에 대한 이해를 얻을 수 있기를 바란다.
— 이일영

애드워드 애쉬포드 리(Edward Ashford Lee)
UC 버클리의 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 명예 교수다. 산업용 가상 물리 시스템 연구소인 iCyPhy를 운영한다. 『Plato and the Nerd』(MIT Press, 2017)를 포함해 여러 권의 책을 썼다.

산지트 세시아(Sanjit Arunkumar Seshia)
캘리포니아주 캘리포니아 대학교의 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 교수다.


옮긴이 정병혁
고려대학교 컴퓨터학과와 동대학원 네트워크 연구실을 졸업한 후 가전제품이나 휴대폰 같은 임베디드 환경에서 와이파이(Wifi) 드라이버/펌웨어 개발 및 안정성 이슈를 담당하고 있다. 임베디드 환경에서의 RTOS, 리눅스(Linux)/안드로이드(Android), 와이파이 분야에 관심이 많다.

옮긴이 이일영
홍익대학교 전기전자공학부를 졸업한 후 무선랜과 관련된 업무를 주로 진행해왔다. Mobile Phone 제조 업체에서 Android WiFi Framework 업무를 시작으로 현재는 반도체 제조 업체에서 WLAN Device Driver 개발 및 유지 보수 업무를 담당하고 있다.