초기의 Java 기술은 인터넷 환경에서 Java 애플릿(applet)을 사용한 애니메이션, 인라인 사운드, 실시간 상호 작용 등을 가능하여 인터넷 서비스를 위한 GUI(Graphical User Interface)로 사용되었다. Java는 객체 지향, 단순성, 분산 환경 지원, 인터프리터 방식, 견고성, 플랫폼 독립성, 안전성, 멀티 쓰레딩 지원 등의 장점들을 가지고 있기 때문에 최근에는 전자 상거래, 전자 출판, 멀티미디어 엔트테인먼트 등과 같이 보다 복잡한 응용에 적용될 수 있어 사실상의 인터넷 표준 언어의 역할을 하고 있다. 특히 Java의 플랫폼 독립성은 인트라넷 환경에서 웹 브라우저와 웹 형태의 서버와 결합시켜 가까운 기간 내에 인터넷보다 더 큰 인트라넷 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다.
Java 기술은 원래 고객 주문형 가전제품의 대화식 제어를 위한 연구 과정에서 개발된 언어이다. 1990년 Java 개발의 중심적인 인물인 제임스 고슬링(James Gosling)은 가전 제품을 위한 소프트웨어를 작성하는데 C++ 또는 그와 유사한 언어를 사용하여 내장형(embedded) 소프트웨어를 개발하려고 하였다. 내장형 소프트웨어는 마이크로프로세서를 탑재한 전자제품을 제어하기 위한 소프트웨어이다. 그러나 가전 제품을 위한 내장형 소프트웨어 개발에 범용언어가 적합하지 않음을 발견하고 Java 언어를 개발하였다[1]. 최근에 썬은 Java 기술을 이용하여 인터넷/인트라넷용 소프트웨어 뿐 아니라 휴대폰, 프린터, 가전제품 등과 같은 내장형 소프트웨어 시장도 점유하려 하고 있다[2].
Java를 이용한 내장형 소프트웨어는 Java 수행 환경을 내장형 디바이스(device)에 탑재함으로써 사용 가능한데, 이러한 동향은 내장형 소프트웨어 개발에서 발생하는 전통적인 문제(에러 없는 소프트웨어, 저가, 소프트웨어의 재사용, 실시간 지원, 소프트웨어의 업그레이드, 시장 선점을 위한 짧은 개발 기간 등)를 Java의 장점을 활용하여 해결하고 인터넷 기술을 채용한 전자제품(internet appliance)을 위한 내장형 소프트웨어를 손쉽게 개발하기 위한 것이다.
본 고에서는 가전 제품 및 이동형 정보 기기를 위한 내장형 소프트웨어 개발 기술과 동향에 대하여 기술한다. II 장에서는 내장형 소프트웨어 개발의 전통적인 문제점을 살펴보고, Java의 어떠한 특징들이 이러한 문제점을 해결하는지 간략히 소개한다. III 장에서는 썬의 EmbeddedJava와 PersonalJava에 대하여 기술하고 IV장에서 내장형 시스템들의 개발 및 상용화 사례를 간단히 살펴본다. V 장에서 Mobile NC에 대한 내역을 기술하고, VI 장에서 Java의 수행 속도를 개선하고 낮은 가격으로 Java 수행 환경을 구성할 수 있게 하는 Java 전용 프로세서인 JavaChips의 구조적 특징과 활용 분야를 살펴본다. 마지막으로 VII 장에서 결론을 기술한다.
II. 내장형 소프트웨어를 위한 Java
기술적, 경제적인 측면에서 내장형 소프트웨어에 대한 요구 사항은 신뢰성, 저가, 소프트웨어 재사용, 소규모 메모리, 실시간 지원, 소프트웨어 업그레이드 등으로 나눌 수 있으며, 이러한 요구사항을 만족해야 하는 이유는 표 1과 같다.
표 1. 내장형
소프트웨어의 요구사항
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오류 발생시 수정하기가 어려울 뿐 아니라 반품의 결정적인 이유가 될 수 있다. |
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가전 제품 시장은 가격에 민감하다. 즉, 가격 문제로 하드웨어 플랫폼이 바뀔 수 있기 때문에 다양한 플랫폼을 지원할 수 있고 소프트웨어의 작성이 손쉽고 간단해야 한다. |
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시장 선점을 하기 위해서는 소프트웨어의 개발 기간이 짧아야 하기 때문에 기존의 소프트웨어를 재사용할 수 있어야 한다. |
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내장형 디바이스는 하드웨어 가격을 낮추기 위하여 수백 KB에서 수 MB정도의 메모리만을 갖는다. 그러므로, 가능한 한 RAM 사용량을 줄일 수 있도록 소프트웨어를 개발하여야 한다. |
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내장형 디바이스는 사건(event)에 신속히 응답하여야 한다. |
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내장형 디바이스는 오랜 기간 사용되고, 유사 기능을 가진 새로운 디바이스를 생산할 수 있기 때문에 기존 내장형 소프트웨어에 대한 호환성이 있어야 하며 기능 확장이 쉬워야 한다. |
이미 기술한 바와 같이 Java는 개발 당시 대화형 가전 제품의 내장형 소프트웨어를 개발하기 위한 도구로 개발되었기 때문에 표1에서 기술한 내장형 소프트웨어의 요구 사항을 만족시킬 수 있다. Java를 사용하여 내장형 소프트웨어를 작성할 경우 얻을 수 있는 장점은 표 2와 같이 요약될 수 있다. 하지만, 이러한 장점이외에도 하드웨어가 준비되기 이전에 어떠한 플랫폼에서도 소프트웨어를 개발 및 시험할 수 있어 소프트웨어와 하드웨어의 동시 개발로 인한 개발 기간 단축 뿐 아니라 보다 안정된 소프트웨어 확보가 가능하다.
표 2. 내장형
소프트웨어를 위한
Java의 장점
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가상 머신을 기반으로 동작하기 때문에 이식성이 높아 다양한 플랫폼을 지원할 수 있다. |
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Java언어에서는 메모리를 직접 참조하는 프리미티브를 제공하지 않으며, 메모리 관리는 가상 머신에 존재하는 가비지 컬렉터(Garbage Collector)에 의해 이루어진다. |
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가상 머신에 있는 바이트코드 검증기(Byte Code Verifier)가 수행이전에 보안상의 문제점을 검사하고, 잠재적인 보안의 헛점을 막기 위하여 애플릿의 수행을 제한한다. |
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Java는 객체 지향 언어이다. |
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III. EmbeddedJava와 PersonalJava
썬은 JAE(Java Application Environment)에 대한 기본적인 방향으로써 응용 분야와 규모에 따라 JAE를 EnterpriseJava, PersonalJava, EmbeddedJava, CardJava로 구분하고 있으며, 각 JAE는 상위 JAE가 가진 API의 부분 집합과 고유의 API로 구성하였다. 예를 들어 PersonalJava는 EnterpriseJava가 가지는 API의 부분 집합과 PersonalJava 고유의 API를 가진다. 그리고, 모든 JAE에 대하여 동일한 JDK를 제공할 예정이다.
본 장에서는 4개의 JAE 중에서 EmbeddedJava및 PersonalJava의 특징과 구성을 기술하고 EnterpriseJava와의 차이점을 비교한다.
1. EmbeddedJava와 PersonalJava의 구성
이미 기술한 바와 같이 소규모의 내장형 시스템 상에서 자바의 장점을 채용하기 위해서는 Java 가상 머신이 내장형 실시간 운영체제 상에서 운용되도록 개발하여야 하는데, 썬에서는 가전 제품을 비롯한 기존의 전자 제품과 인터넷 기술을 채용한 정보 기기를 위한 Java 플랫폼인 EmbeddedJava와 PersonalJava를 제공하고 있다. EmbeddedJava와 PersonalJava의 개발로 인하여 기존의 데스크탑상에서 운영되는 Java는 EnterpriseJava로 이름을 바꾸었다.
표 3은 EmbeddedJava와 PersonalJava의 응용 분야와 하드웨어 플랫폼의 요구사항을 기술한 것이며 표 4는 그 특성을 기술한 것이다. EmbeddedJava는 주로 기존의 내장형 시스템을 위한 소프트웨어에 적합하게 Java 수행 환경을 갖춘 것이다. 어떠한 의미에서는 EnterpriseJava를 축소하고 네트워크 기능을 가지지 않는 전자 제품을 위한 API를 추가한 JAE라고도 할 수 있다. 반면, PersonalJava는 인터넷 환경 및 이동형 통신 기기의 범용화로 인하여 네트워킹 기능을 필요로 하는 전자제품을 위한 JAE이다. PersonalJava는 크기나 기능면에서 EmbeddedJava와 EnterpriseJava의 중간쯤에 위치한다고 할 수 있다.
표 3. EmbeddedJava와
PersonalJava의 응용
분야 및 하드웨어
플랫폼
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모빌 폰, 페이저, 공장 자동화 장비, 네트웍 라우터, 프린터 등과 같이 제한된 사용자 인터페이스를 가지는 저전력 또는 이동형 디바이스 | 웹브라우징 폰, PDA, 셋톱박스 등과 같이 네트워킹 기능을 가지며 웹상에서 애플릿에 대한 호환성을 요구하지만 완전한 엔터프라이즈 서비스를 요구하지 않는 하드웨어적인 제약을 갖는 디바이스 |
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25MHz 이상의
16/32bit 프로세서
256KB ~ 512KB ROM 256KB ~ 512KB RAM |
50MHz 이상의
32bit 프로세서
약 2MB ROM 512KB ~ 1MB RAM |
표 4. EmbeddedJava와
PersonalJava 설계시 고려사항과
특징
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| 실시간 운영체체 상에서 수행된다. | 실시간 운영체제 상에서 수행된다. |
| Java의 호환성보다는 단지 Java의 장점만을 이용하기 때문에 범용 애플릿을 수행하지 않고 디바이스의 기능을 확장한 Java 애플리케이션을 수행한다. | 범용
애플릿을 수행한다.
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| 최소 메모리 사용, 저가, 기능에 대한 제한을 고려하였다. | EnterpriseJava보다 작은 메모리와 성능이 낮은 프로세서를 요구한다. |
| 사용자 인터페이지가 제한되어 있다. | 작고 해상도가 낮은 디스플레이를 사용하고 대부분 키보드와 마우스는 없다. 단순한 사용자 인터페이스를 요구한다. |
| 새로운 기능을 Java 기반에 쉽게 추가할 수 있다. | 새로운 기능을 Java 기반에 쉽게 추가할 수 있다. |
| 실시간 운영체제와 관련 도구의 기능에 의존적이다. | PersonalJava를 사용함으로써 목표 프로세서를 쉽게 바꿀 수 있다. |
| EmbeddedJava를 채용한 제품에는 Java Powered 로고를 사용한다. | PersonalJava를 채용한 제품에는 Java Compatible 로고를 사용한다. |
PersonalJava는 Java API로서 내장형 장비에서 수행되는 네트워크 응용프로그램을 위한 JAE이다. PersonalJava는 데스크 탑 컴퓨터보다는 셋탑박스와 스마트 폰 같은 플랫폼을 목적으로 하고 있기 때문에 PersonalJava API는 JDK1.1 API보다 훨씬 작아야 한다. 따라서 PersonalJava는 최소의 메모리를 사용하면서도 고도로 확장성이 높고 재구성 가능하다. PersonalJava는 다음과 같은 사항을 만족하도록 설계되어 있다.
현재 PersonalJava 1.0 API는 JDK1.1 API의 부분집합으로 네트워킹 기능을 가진 내장형 소프트웨어를 위하여 필요한 새로운 API를 포함하고 있다. 썬사에서는 EnterpriseJava와는 달리 EmbeddedJava와 PersonalJava를 위한 개발 도구인 Romizer 2, 자원 예측기, Configuration Tool, Lint와 유사한 도구, 컴파일러, 증명도구 등을 제공하는데 표 5는 디바이스 개발자와 응용 개발자를 위한 주요 개발 도구를 기술한 것이다.
표 5. EmbeddedJava와
PersonalJava를 위한
주요 개발 도구
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그래픽 사용자 인터페이스를 사용하며 클래스 선택기(class selector)와 클래스 의존성 분석기(class dependency analyzer)를 포함하며 선택된 클래스들에 대한 정적 읽기-전용, 읽기-쓰기 메모리 요구량을 예측한다. |
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클래스 파일이 PersonalJava, EmbeddedJava JAE 명세에 부합하는지 검사한다. |
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여러 개의 클래스 파일(자바 코드)을 압축하여 하나의 다중 클래스 파일로 만들어 주며, 어셈블러와 함께 플랫폼 독립적인 파일(클래스화일)을 목표 시스템에 의존적인 파일로 변환한다. |
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HTML, image, sound와 같은 데이터를 다중 클래스 파일로 입력하여 어셈블러와 함께 목표 시스템에 의존적인 파일 형식으로 변환한다. |
EmbeddedJava에 대한 사양은 현재 발표되어 있지 않아 정확한 규격은 알 수 없는 실정이다
2. EmbeddedJava, PersonalJava 및 EnterpriseJava 비교
EmbeddedJava와 PersonalJava를 구성하는 요소들을 EnterpriseJava와 비교함으로써 이 API들 차이가 더욱 분명해 진다. 그림 1은 EmbeddedJava, PersonalJava, EnterpriseJava를 구성하는 요소들을 나타낸 것이다. 이미 기술한 바와 같이 각 JAE는 상위 JAE가 가지는 API의 부분집합과 고유의 API로 구성된다. 현재 많은 Java API들이 발표되어 있지만, 각 API들은 JAE를 기본적으로 구성하는 것, Javasoft가 옵션으로 제공하여 기본 구성에 포함할 수 있는 것, JavaSoft 또는 third party에 의해 옵션으로 제공되어 기본 구성에 포함할 수 있는 것 등의 세가지로 분류된다. 각각은 그림 1에서 “Required”, “JavaSoft Optional”, “Optional JavaSoft/3rd Party”로 표기되어 있다.
EmbeddedJava의 JAE 구성을 살펴보면 먼저 Java 애플릿을 지원하기 위한 구성 요소가 빠져 있어 EmbeddedJava는 Java 애플리케이션만을 수행한다는 것을 알 수 있다. 그리고 모빌 폰, 페이저 등과 같은 디바이스의 LCD패널에 문자를 표시하기 위하여 다른 JAE에는 없는 문자 기반 AWT가 있는 것을 알 수 있다. PersonalJava는 EmbeddedJava와는 달리 Java 애플릿을 가지고 있어 윕 브라우징 폰과 같이 제약된 하드웨어 환경이지만 애플릿에 대한 호환성이 요구되는 환경에 사용되는 JAE임을 알 수 있다.
JAE의 구성 요소 중 AWT는 가장 많은 차이가 나는 부분이다. 그림 2는 각 JAE의 AWT를 구성하고 있는 API를 보여 주고 있다. 화살표는 하위 JAE에 존재하는 기능들이 상위 JAE에 존재함을 보이고 있으며, Full Implementation은 구현된 상태를 나타내고 API’s only는 API만 정의되고 구현되지 않았음을 나타내다. 그림 2내에 나열된 이름들은 AWT를 구성하는 Java 클래스의 이름이다.
IV. 자바기술을 적용한 내장형 시스템 개발 사례
미쓰비시와 UCSC(University of California, Santa Cruz)에서는 썬의 EmbeddedJava/PersonalJava 기술이 구체화되기 전에 이미 Java 기술을 적용하여 내장형 시스템을 개발하였다. 또한 최근에 Acorn, Chorus, GeoWorks, Lucent Technologies, Microtec, Microware[7], QNX, WindRiver[5] 등의 실시간 운영체제 업체들이 썬의 EmbeddedJava와 PersonalJava를 라이센스함으로써 각 회사의 실시간 플랫폼과 EmbeddedJava와 PersonalJava를 통합하여 EmbeddedJava와 PersonalJava를 판매할 수 있게 되었다. EmbeddedJava와 PersonalJava를 라이센스한 업체들의 시장 점유율이 전체 상용 실시간 운영체제 시장의 50%이상을 차지하고 있음을 볼 때 향후에는 Java 기술이 내장형 시스템 시장을 석권할 것으로 보인다. 실시간 운영체제를 사용하는 회사에 대한 설문 조사 결과에 의하면 WindRiver사의 VxWorks, Enea OSE System사의 OSE, Microware사의 OS-9, Lynx Real-Time Systems사의 LynxOS, Microtec사의 VRTX 등의 실시간 운영체제들이 전체 시장의 25%, 18%, 16%, 15%, 12% 정도를 차지하고 있는 것으로 나타났다[4]. 주목할 만한 것은 썬이 1997년 상반기에 인수한 정보기기 개발 업체인 Diba가 Microware사와 협력관계를 맺고 있고 1997년 9월에 Chorus사도 인수함으로써 썬도 내장형 실시간 시스템 시장에 직접 진출하고 있다는 점이다.
통신 회사인 Alcatel, Nortel 및 삼성도 최근에 PersonalJava를 그들의 새로운 웹폰 제품에 결합시키기로 공표하였으며, 이 세 회사는 연간 1,100억불의 웹폰 시장을 점유할 것으로 예측된다.
Java를 탑재한 환경은 운영체제와 Java가 사용하는 운영체제 API사이의 차이를 극복하기 위하여 적응 계층을 두는 것이 특징이다. 그래서, PersonalJava를 사용하고자 한다면, 실시간 운영체제, Java 적응 계층, PersonalJava 등의 세가지 소프트웨어에 대한 라이센스 비용을 부담하여야 한다. 다음에 미쓰비시의 Java 기술을 기반으로 한 내장형 시스템인 M32R/D, UCSC의 JN, WindRiver의 Tornado for Java, Microware의 Java 환경을 설명한다.
1. 미쯔비시의 “Java on M32R/D”
미쯔비시에서는 썬사의 EmbeddedJava/PersonalJava 계획을 발표하기 이전에 “Java in eRAM” 정책을 통하여 Java 기술을 내장형 디바이스 개발에 적용하여 왔으나 향후에는 썬의 EmbeddedJava/PersonalJava기술과 자사의 eRAM 기술을 결합하여 기능이 풍부하고 사용하기가 쉬우며 적정한 가격의 가전제품과 네트워크 장비를 개발하는 것으로 방향을 선회하였다. 즉, 향후의 미쓰비시의 "Java in eRAM" 전략은 자사의 eRAM(단일 칩에 RAM, 조직 및 프로세서를 내장함) 기술에 Java 언어를 결합함으로써 응용 분야에 따라 적합한 조건의 내장형 시스템을 개발하여 경쟁력을 높이는 것이다.
미쓰비시의 EmbeddedJava/PersonalJava 이식을 위한 타겟 프로세서는 M32R/D이며, M32R/D는 프로세서(32bit RISC), 메모리(2M DRAM + 2K Cache), 주변 로직(32b * 16b DSP, 어큐뮬레이터, 메모리 제어기 등)으로 구성된 칩이다. M32R/D상에 Java Runtime, HotJava Core Library, Network Class Library, Display Class Library 등의 Java 환경을 2년 전부터 이식하였다. 즉, M32R/D의 메모리 상에 Java 수행 환경을 기본적으로 탑재한 것인데, 그림 3에서와 같이 소규모 실시간 커널을 중심으로 하여 Java 라이브러리와 Java 수행 환경을 기본적인 소프트웨어 환경으로 포함하고 있다. 그림 3의 전체 구조는 새로운 응용 디바이스를 개념적으로 표현하는데, Java 플랫폼을 가진 M32R/D에 전체 디바이스를 제어하는 Java 애플릿 형태의 내장형 소프트웨어와 디바이스의 고유 기능을 제공하는 하드웨어를 버스로 연결하여 새로운 제품을 구성할 수 있다.
Java 기술을 채용한 M32R/D의 응용은 매우 다양하다. 미쯔비시의 발표에 의하면 M32R/D는 일차적으로 저전력을 사용하는 이동형 handheld 시스템인 PDA, PIC, Data Pager, 무선 Smart Phone 등에 적용할 예정이다. 또한 네트웍 프로토콜 제어기, 디지털 스틸 카메라, 항법 시스템, TV/VCR의 GUI, 비디오 게임 등과 같이 고성능과 높은 대역폭을 필요로 하는 통신 및 그래픽 제어기에도 적용될 예정이다.
미쯔비시에서는 M32R/D의 효용성을 보이기 위하여 97년 JavaOne 컨퍼런스에서 이더넷(ethernet)에 연결된 M32R/D 시스템 상에서 PDA 애플릿을 수행하는 시연을 보인 바 있다. 그림 4는 그 당시 사용되었던 하드웨어의 블록 다이어그램으로써 M32R/D eRAM과 여러 가지 디바이스에 대한 제어 기능을 가진 Super I/O FPGA를 버스로 연결한 후 입출력 디바이스(터치 패널, 컬러 LCD)들을 연결하였다.
그림 5는 그림4의 하드웨어를 구성하는 소프트웨어 계층을 그림으로 나타낸 것으로 기존에 Win95, Solaris 등의 운영체제 상에서 운영되는 Java 환경과 동일한 소프트웨어 계층을 가진다. 마이크로 커널 계층은 TRON사의 ITRON 실시간 운영체제를 사용하고 있고, Java 계층은 EnterpriseJava를 이식한 것이다. 그러나 향후 미쯔비시는 EmbeddedJava와 PersonalJava도 지원할 예정이다. 그림 4와 그림 5에서 하드웨어적인 기능은 가능한 한 하나의 칩으로 통일하고 소프트웨어는 Java 환경을 기반으로 사용하였는데, 이러한 경우에는 새로운 제품을 개발하더라도 유사한 하드웨어 구성과 소프트웨어 기반하에 내장형 프로그램만을 새로이 개발함으로써 새로운 제품을 개발할 수 있기 때문에 미쯔비시의 eRAM 전략이 매우 타당성 있는 접근 방법으로 보인다.
2. UCSC의 내장형 Java와 Java 나노커널(Nanokernel)
UCSC에서는 Java 가상머신을 지원하는 내장형 운영체제인 JN(Java Nanokernel)을 National Semiconductor의 내장형 PC인 NS486에 구현하였으며, 이 JN을 기반으로 1MB의 적은 메모리에서도 동작할 수 있는 JavaCam도 개발하였다.
JN은 현재 National Semiconductor의 NS486SXF 프로세서에서 수행된다. NS486SXF는 단일칩의 32비트 486PC로서 칩에는 PCMCIA제어기, UART 직렬포트, 양방향 병렬포트, LCD 디스플레이 제어기, 클락, 타이머, DMA제어기, DRAM제어기, 인터럽 제어기 등이 포함되어 있다. 그림6은 JN을 기반으로 구성된 내장형 소프트웨어 환경을 나타낸 것이며, JN의 상위의 API는 Java 가상머신을 응용프로그램으로 실행시키는데 필요한 서비스와 TCP/IP 스택을 이식하는데 필요한 서비스만 포함되어 있다. 즉, 쓰레드, 모니터, 소켓 및 예외처리 관련 API만 구현하였다.
그림 6의 Java 가상머신은 썬의 JDK1.0.1의 Java 가상머신을 JN상에서 실행될 수 있도록 수정한 것으로 약 183KB의 메모리가 필요하다.
JN은 JVM API가 하드웨어적인 실시간 요구사항을 부과하지 않기 때문에 연성 실시간(soft-real-time) 커널이며, 그 특성을 살펴보면 다음과 같다.
표 6. Java 나노커널의 크기
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나. JavaCam
UCSC에서는 Java 나노커널에 기반한 Java 가상 머신을 사용한 첫번째 응용으로 원격으로 네트워크 카메라를 동작시키는 Java Cam을 구현하였다. Java캠은 원격지에 있는 카메라를 인터넷을 통하여 제어하는 예로써 Java캠이 온라인 상태에서 네트웍을 통하여 프로그래밍 가능하다. 여기에서 사용한 카메라는 Connectix의 QuickCam으로서 가격은 250불 정도이다. 카메라 드라이버는 카메라에게 명령어를 보낼 수 있는 고수준 프로그램을 가능하게하고 영상을 수신하는 단순한 인터페이스를 제공한다. Java캠은 Java 수준에서 인터넷을 통해 카메라를 액세스하기 위하여 Java 애플릿을 사용한 방법과 서블릿을 사용한 방법의 두 가지를 제공한다.
애플릿을 사용한 방법은 그림 7과 같이 작동한다. 이 방식에서는 JavaCam 시스템에서 실행되고 있는 HTTP 서버가 있으며, 클라이언트측의 WWW 브라우저가 이 HTTP 서버에 적당한 GET 명령어를 보내면 HTTP 서버는 QuickCamApplet이란 애플릿을 포함한 페이지를 브라우저로 되돌려 보낸다. QuickCamApplet은 JavaCam 시스템에서 실행되고 있는 또 다른 서버인 QuickCamServer와 교신을 통하여 필요한 영상을 얻게 된다. 즉, QuickCamApplet은 QuickCamServer에게 파라미터를 전송하여 필요한 영상을 요청한다. QuickCamServer는 JN 카메라 드라이버 루틴을 호출하여 영상 데이터를 생성하고, 생성된 데이터는 네트워크를 통해 QuickCamApplet에게 보내져서 결국은 사용자의 브라우저에 디스플레이 된다.
앞으로 UCSC에서는 Java 내장형 소프트웨어의 성능 개선 및 메모리 사용량을 줄이는 방안에 대하여 연구를 수행할 예정이며, 더 나아가 내장형 Java 응용도 개발할 수행할 예정이다. 하지만 향 후 EmbeddedJava/PersonalJava의 사용은 고려하지 않고 있다.
3. WindRiver사의 Java 환경
WindRiver사는 자사의 실시간 운영체제인 VxWorks를 중심으로 하여 Java를 기반으로하는 내장형 소프트웨어 개발 환경인 Tornado for Java를 제공한다. WindRiver사의 Tornado for Java는 현재 Sun Sparc, Motorola 680x0, Intel x86, Power PC, Mips R3000/4000에 이식되어 있으며, 그림 8은 Tornado for Java에 대한 구성도이다. 다음은 Tornado for Java의 특징을 나타낸다.
4. Microware사의 Java 환경
Microware사는 자사의 실시간 운영체제인 Internet OS-9과 Java 기술을 결합하여 내장형 소프트웨어 개발 도구를 제공하고 있다. 즉, PowerPC, X86, ARM 및 StronsARM 프로세서에 OS-9과 Java 기술을 장착하여 내장형 장비 개발을 지원하고 있다. 그림 9는 Internet OS-9의 주요 구성 요소는 나타낸 것이며, 주요 구성 요소에 대한 설명은 다음과 같다.
TCP/IP 등의 다양한 네트워킹 프로토콜을 제공하는 계층
직렬 포트, 병렬 포트 등과 같은 기본적인 문자 위주 입출력 디바이스를 다루는 계층
V. 이동형 네트워크 컴퓨터
네트워크에 연결될 수 있는 다양한 이동형 장비들이 향후 1~2년 이내에 출현할 것으로 보인다. 이러한 이동형 네트워크 컴퓨터 장비(Mobil NC device)의 예로는 hand-held PC, 저가형 랩탑 PC, 개인용 정보관리기(PIMs : Personal Information Managers), 워드 프로세싱이나 스프레드쉬트같은 사무용 소프트웨어, 비디오 컨퍼런스 같은 협동작업, 원격 e-mail, 인터넷 및 인트라넷 억세스, 페이징 시스템, 스마트 폰 등이 있다.
1996년 5월에 애플컴퓨터, IBM, 넷스케이프, 오라클과 썬은 네트워크 컴퓨터(NC : Network Computer)에 대한 표준을 정의하였다[12]. 이 NC 표준은 이동형 네트워크 컴퓨터 장비 구현을 배제하지는 않았지만, 이동형 컴퓨터 장비에 대한 독특한 요구사항을 해결해 주지는 못하고 있다. 따라서 이동형 네트워크 컴퓨터 장비에 대한 별도의 표준이 요청된다. 다음에 이동형 컴퓨터 장비의 요구사항, 장비 등급 분류, 동작 모드 등을 살펴 본다.
1. 요구사항
대부분의 NC는 지속적인 네트워크 연결과 상당한 네트워크 대역폭이 요구되고 해상도가 높은 디스플레이를 갖춰야 한다. 이동형 장비는 연결 모드 및 무연결 모드(disconnected mode)의 양쪽에서 작동하기 위해 최소한 낮은 대역폭과 저해상도 디스플레이 장비도 수용할 수 있어야 한다. 이동형 장비는 일반적으로 LAN에 접속된 NC에 비해 대역폭, 스크린 해상도, 전력 및 크기에 있어서 제한을 받으며 또한 연결 모드 및 무연결 모드 환경에서 서버 데이터를 엑세스해야 되고 데이터 일관성도 유지해야 한다. 이동형 장비에서 무연결모드는 호스트 연결이 어렵거나 원치 않는 경우에도 유용한 일을 할 경우가 있기 때문에 필요하다. 무연결 동작의 필요성과 서버 데이터와의 일관성을 유지하기 위하여 이동형 장비에 저장장치가 필요하다. NC 사양과 유사하게 이동형 NC 사양은 다양한 장비를 구현할 수 있도록 하기 위하여 마이크로 프로세서나 운영환경에 독립적이어야 한다. 이동형 NC 사양에 대한 주요한 요구사항은 다음과 같다.
2. 장비등급
이동형 NC 장비는 다음의 3가지 등급으로 정의된다.
이동형 NC는 초기에는 전용장비를 목표로 하였으며, 전용장비는 가끔 여행을 하면서 원격지에서 일을 하는 전문 직장인을 위하여 설계 되었으며, 네트워크에 연결되면 NC와 등가의 기능을 제공한다. 이동형 NC는 현재의 램탑 컴퓨터에서 제공하는 모든 기능을 필요로 하지 않기 때문에 램탑 PC에 비해 가격이 싸고 보안 기능이 강화되고 크기가 적은 장비를 만들수 있다.
3. 동작모드
이동형 NC는 3가지 모드에서 작동된다.
VI. JavaChips
1. JavaChips 개요
오늘날 사람들은 직장, 사무실 혹은 가정생활을 통해 평균 10개 이상의 마이크로 컨트롤러에 의존하여 살아가고 있으며, 금세기 말에는 셀룰라폰, 셋탑박스, PDA, 저가형 네트워크 터미널 등의 이용 증가로 가정에서도 평균 50 ~ 100개의 마이크로 컨트롤러가 활용될 것으로 보인다[11]. 이러한 저가의 내장형 시스템에도 Java 기술은 급속하게 그 활용도를 높여가고 있다.
내장형 시스템은 소형화, 저전력, 신뢰성 등의 특성이 요구되기도 하지만 응용프로그램의 빠른 수행이 가장 요구 된다. 지금까지 Java 응용프로그램을 수행시키기 위한 표준환경은 그림 10의 1처럼 Java 가상 머신의 인터프리터(Interpreter)를 사용하여 바이트코드를 수행하는 형태이다. 인터프리터를 이용하면 쉽게 다른 시스템으로 이식이 가능하지만 인터프리트된 코드를 이용하기 때문에 상대적으로 실행속도가 느려진다. 실행속도를 높이기 위한 방안으로 그림 10의 2처럼 JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 사용하는 방법이 있으나 3배 정도로 코드 크기가 확장되기 때문에 적은 메모리를 사용하면서 가격에 민감한 내장형 시스템에는 적합하지 않다. 코드 크기를 변화 시키지 않으면서도 실행 속도를 향상시키는 방안으로는 그림 10의 3처럼 마이크로프로세서에서 Java 코드를 직접 실행시키는 것이다.
썬의 자회사인 썬마이크로 일렉트로닉스는 JavaSoft와 함께 Java 프로그램의 수행 속도를 향상시키기 위하여 picoJavaTM, microJavaTM, UltraJavaTM란 마이크로 프로세서를 개발하였으며 이 세 프로세서는 JavachipTM 패밀리를 이룬다. picoJava I은 Java 가상머신을 지원하는 마이크로 프로세서에 대한 사실상의 표준 사양으로, 칩으로 Java 가상머신을 구현하기 때문에 Java 바이트코드를 직접 실행할 수 있다.
microJava와 UltraJava는 picoJava I의 사양에 기반을 두어 설계되었으며, microJava는 picoJava에 application-specific I/O, 메모리, 통신, 제어 기능 등이 추가된 것이다. 하지만 UltraJava 프로세서는 고성능 Java 프로세서로써 UltraSPARC에 사용되었던 VIS기법(프로세서 내부에서 2D/3D 그래픽/이미지 처리, 비디오 압축 및 복원, 오디오, 네트워킹, 등의 알고리즘을 지원하는 것)을 사용하는 것으로 알려지고 있다. 표 7은 Javachip의 응용 환경을 정리한 것이다
표 7. JavaChips의 분류
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NC, PDA, 스마크 폰, 저가/저전력 가전 디바이스 | $25 미만 |
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NC, 저가 네트웍 디바이스, PDA, 전기 통신 기기, 게임기 등 | $25 ~ $50 |
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NC, 웹PC 등의 데스크톱 환경 | 약 $100 |
2. picoJava I구조
picoJava I은 RISC 형태로서 성능을
향상시키기 위하여 그림 11처럼 매우 간단한 구조를 가지며, 다양한 내장형
디바이스에 응용 될 수 있도록 하기 위하여 데이터 캐쉬 및 명령어 캐쉬의 크기는
가변적으로 하고 부동 소수점 연산부도 선택적으로 사용하는 등 구성을 조절할
수 있다.
가. 4단계 파이프라인
picoJava I은 그림 12와 같이 RISC 파이프라인과 유사한 4 단계 파이프라인으로 구성되어 있다. 계산 명령어는 스택 데이터에 대해서만 동작하고 메모리 데이터에 대해서는 동작하지 않기 때문에 계산 명령어와 메모리 명령어를 파이프라인으로 처리하게 한다. picoJava I의 파이프라인은 객체 지향 프로그램의 성능을 위해 개선되었다. 예를 들어 지역 변수의 로드를 숨기는 기능과 함께 제공되는 메쏘드 호출, 쓰레드 동기화 그리고 고성능 가비지 컬렉션 기능을 지원하다. 데이터 캐쉬와 명령어 캐쉬의 크기는 0~16kbyte까지 조절할 수 있으며, hit rate를 개선하기 위하여 two-way, set associative memory로 설계되었다. picoJava I 아키텍쳐는 단순하고 유연하며 저가형부터 고성능까지 다양한 범위의 응용을 지원할 수 있게 설계되어 있다. 재구성 가능한 명령어 및 데이터 캐쉬, 부동소수점 유니트의 선택 기능 등은 특정 응용이나 성능 및 전력 요구 사항에 맞추어 조정될 수 있다. 예컨데, 부동 소수점 유니트를 제외하고 4KB 명령어 캐쉬와 8KB 데이터 캐쉬로 구성하게 되면 20% 정도 가격이 절약 된다.
나. 하드웨어 스택
picoJava I은 RISC 스타일의 파이프라인과 명령어 셋을 포함하고 있으며, 속도를 개선시킬 수 있는 명령어들은 하드웨어로 구현되고, 명령어의 대부분은 1~3 사이클 내에서 실행된다. 성능 개선에 별로 영향을 주지 않는 명령어들은 마이크로 코드나 스테이트 머신을 통해 실행된다. Java 바이트 코드는 0 ~ 16KB 크기의 명령어 캐쉬에 보관되며, 기능 유니트(function unit)에 필요한 데이터를 액세스하기 위하여 온칩(on-chip) 스택을 사용한다.
Java 플랫폼은 레지스터를 사용하는 일반적인 마이크로프로세서와는 달리 스택을 사용하는 Java 가상머신에서는 스택 연산의 효율성이 매우 중요하기 때문에 picoJava I은 Java 가상머신을 하드웨어로 직접 구현하였다. Java 가상머신의 스택의 상위 64 엔트리는 picoJava I의 온칩 스택 캐쉬에 저장되며 데이터에 대한 모든 연산은 이 스택 캐쉬를 통하여 수행된다. picoJava I 스택은 그림 13처럼 메쏘드 호출을 위한 정보 드리블링(dribbling), 폴딩(folding) 기법에 의해 매우 향상된다.
Java 가상 머신은 실행 시에 호출될 각 메쏘드를 위해 메쏘드 프레임을 저장한다. 프레임은 메쏘드를 위한 파라미터와 지역 변수를 보관하며, 또한 메쏘드를 완료한 후에 필요한 정보를 위한 프레임 상태도 포함한다. Java 프로그램은 보통 많은 메쏘드 호출을 포함하기 때문에 이렇게 메쏘드 프레임 위주의 스택 구조는 Java 코드의 성능을 크게 향상시킨다. 스택에는 빠른 액세스를 위해 동시에 여러 개의 메쏘드 프레임을 저장할 수 있지만 메쏘드 프레임의 크기가 다르기 때문에 한 프레임이 전체 스택을 차지할 수도 있다. 따라서 오버플로우가 발생하는 것을 방지하기 위하여 백그라운드로 스택을 관리한다. 스택 캐쉬의 오버플로우가 예측되면 값을 백그라운드로 데이터 캐쉬에 보관하였다가, 스택 캐쉬에 여유가 생기면 데이터 캐쉬에 보관된 정보는 다시 스택 캐쉬에 보관하는 드리블링 메커니즘을 이용한다.
picoJava I은 성능 개선을 위해 폴딩 연산을 이용한다. 일반적인 스택 구현에서 스택 연산은 명령어 수행 결과를 저장하고 다시 액세스하는데 있어서 여러 단계를 필요로 한다. 또한 스택의 최상위 부분에서만 액세스를 할 수 있기 때문에 스택의 최상위 부위에 있지 않은 변수를 사용하려면 여러 단계를 거쳐서 그 변수를 스택의 최상위로 이동시켜야 한다. picoJava I에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 스택을 단 한번 액세스하게 하는 폴딩 연산을 이용한다. 즉, 명령어 실행 결과는 가끔 바로 뒤따르는 명령어에 의해 이용되는 경우가 많이 있기 때문에 스택의 최상위에 있는 두 명령어를 동시에 처리함으로써 변수의 여러 번 이동을 방지할 수 있다. 시뮬레이션을 통하여 폴딩 연산의 효과를 분석해본 결과 스택 연산의 비 효율성을 60% 이상 개선했다고 한다.
3. 성능
그림 14는 Java 컴파일러인 Javac와 계산 중심 프로그램인 Raytrace를 벤치마크 프로그램으로 사용하여 picoJavaI의 성능을 시뮬레이션한 것이다. 486및 펜티엄은 Javac와 Raytrace를 직접 수행하여 측정한 결과이다. Javac와 Raytrace를 벤치마크로 선택한 것은 두 프로그램 모두 객체 지향 코드로써 Java의 실재 환경과 유사하다고 판단되었기 때문이다.
그림 14에 의하면 picoJava I의 성능이 Java 가상 머신이 설치된 펜티엄 상에서 수행한 경우에 비교하여 약 20배 정도의 성능 향상이 기대되며 JIT(Just-In-Time) 컴파일러를 채용한 펜티엄과 비교할 때에도 약 5배 정도의 성능 향상이 기대된다. 하지만, 이러한 성능 데이터가 시뮬레이션에 의한 것이기 때문에 실제 환경에서 어느 정도의 신뢰성을 가지고 있는가는 상용 picoJava 프로세서가 개발된 후에야 알 수 있을 것으로 보이다.
그럼에도 불구하고 Java 프로세서를 채용하며 성능 상의 이득과 함께 다음과 같은 이유로 메모리 사용량을 줄일 수 있는 장점이 있어 하드웨어 환경이 제약된 Java 기반 내장형 디바이스에 적합한 것으로 평가되고 있다.
4. JavaChips의 향후 전망
LG 반도체, 미쯔비시 전자, NEC는 picoJava칩을 97년 하반기에 생산할 계획으로 되었으나 상용화는 내년 3/4분기를 지나야 가능할 것으로 예측되고 있다. 그래서, 내년 하반기에는 JavaChips를 탑재한 네트웍 컴퓨터, 인터넷 TV 등이 세계시장에 선보일 것으로 전망되고 있다. 그러나 JavaChips와는 별도로 범용 프로세서를 제작하는 ARM, Intel, Mips 등의 회사에서도 바이트코드의 속도를 개선하기 위한 기능을 지원할 것으로 기대된다. 예를 들어, ARM사의 StrongARM은 Java, PostScript와 같은 스택 기반 언어와 내장형 응용에 적합하게 설계된 기능을 가지고 있고, Mips는 바이트코드를 빠르게 수행할 수 있도록 Rx000 시리즈의 구조를 개선하여 워크스테이션, 셋톱 박스, 비디오 게임기 등에 적용할 예정이다.
이러한 일련의 상황들은 JIT컴파일러와 결합된 범용 프로세스와 picoJava 칩을 경쟁체제에 놓이게 할 것이다. 그러나 데이터프로는 궁극적으로 JavaChips의 성공이 Java 언어의 성공에 의존적인 것으로 분석하고 있다. 즉, 범용 프로세서는 C와 Java 가상 머신을 잘 수행하지만 바이트코드에 대하여서는 최적화된 성능을 보이지 않는다. 그리고, JavaChips은 바이트코드에 대하여서만 최적화된 성능을 보이지 않기 때문에 Java가 범용 언어로 확산되는 경우 한하여 JavaChips의 사용도 확산될 것으로 예상되고 있다.
VII. 결론
가전제품 및 Mobile NC 등과 같은 내장형 디바이스가 갖추어야 하는 요구조건은 기술적인 요소보다는 제품의 라이프사이클이나 시장 상황에 의해 결정된다. 그러나, 개발의 어려움에도 불구하고 전 세계적으로 매년 약 10억개의 내장형 프로세서가 거래되고 있으며, 내장형 시스템 산업의 빠른 증가로 2010년에는 내장형 소프트웨어 개발자가 데스크탑 컴퓨터를 위한 소프트웨어 개발자보다 10배 더 많을 것으로 전망되고 있다.
Java 기술을 사용한 내장형 소프트웨어 개발은 사용자 측면의 요구보다는 개발자의 요구를 수용한 것이다. 현재와 같이 가전 제품의 라이프 사이클이 짧은 상황에서 내장형 소프트웨어를 개발하는데 가장 중요한 점은 현재 사용되고 있는 코드를 확장하여 재사용하는 것이다. 내장형 소프트웨어는 한 번 개발되면 더 큰 프로그램으로 개발될 수 있어야 하고, 다양한 프로세서에서 수행될 수 있어야 하고, 메모리 양이 제약된 경우에도 수행될 수 있어야 하며, 재구성이 가능하도록 모듈화되어야 한다. 이와 같은 요구는 객체 지향적이면서도 플랫폼 독립적인 장점을 가진 Java를 내장형 소프트웨어 개발을 적용함으로써 만족될 수 있다.
향 후 가전제품의 기능은 더욱 다양해 질 것으로 예측되고 있으며, 영업적인 측면의 요구조건인 적기 제품 출시(Time-to-Market), 신뢰성, 낮은 가격 등를 만족하기 위해서는 모든 가전 제품의 내장형 소프트웨어의 플랫폼을 단일화하고 이를 기반으로 하여 단기간에 내장형 소프트웨어를 개발해야 한다. 현재 일본에서는 Java 기반으로 가전 제품용 내장형 소프트웨어의 개발할 수 있는 표준안을 마련하고 있다. 하지만, 국내에서는 Java를 사용한 내장형 소프트웨어의 개발이 초기 단계이며, 범용 언어를 사용한 내장형 소프트웨어의 개발 수요마저도 대부분 외국 회사의 제품으로 대체하고 있기 때문에 Java를 기반으로 하는 내장형 소프트웨어 개발 환경이 빠른 시일내에 구축되어야 할 것으로 생각된다.
약어 목록
API : Application Program Interface
GUI : Graphical User Interface
JAE : Java Application Environments
JDBC : Java for DataBase Connectivity
RMI : Remote Method Invocation
참고 문헌