Webを利用したハードウェア／ソフトウェア協調設計のためのテスト環境

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(1)ソフトウェア工学 135−4 （２００１．１１．２１）. Web を利用したハードウェア／ソフトウェア協調設計のためのテスト環境沢田篤史 ∗ ，岩下武史 ∗ ，神原弘之 †‡ ∗. 京都大学大型計算機センター〒 606-8501 京都市左京区吉田本町 †. (財) 京都高度技術研究所〒 600-8813 京都市下京区中堂寺南町 17 京都リサーチパーク ‡. (株) 半導体理工学研究センター〒 222-0033 横浜市港北区新横浜 3-17-2 友泉新横浜ビル 5 階本研究では，ハードウェア／ソフトウェア協調設計に用いられるリターゲッタブルコンパイラやシミュレータなどのソフトウェアツールを統合し，設計対象システムの動作テストを行う環境を構築し，Web 上に展開することを目指している．このように，複数の開発者が遠隔から動作の確認や機能の検証を行える協調設計環境を整えることで，より信頼性や保守性の高い組込みシステムの開発が可能となると考えられる．キーワード : 協調設計，組込みシステム開発，検証，ツール統合，Web アプリケーションサービス，Web DB. A Web-based Test Environment for Hardware/Software Co-design Atsushi SAWADA∗ , Takeshi IWASHITA∗, Hiroyuki KANBARA†‡ ∗. Data Processing Center, Kyoto University Yoshida-honmachi, Sakyo, Kyoto 606-8501, Japan †. Advanced Software Technology & Mechatronics Research Institute of Kyoto Kyoto Research Park, 17 Chudoji Minami-machi, Shimogyo, Kyoto 600-8813, Japan ‡. Semiconductor Technology Academic Research Center 5F Yusen Shin Yokohama Bldg., 3-17-2 Shin Yokohama, Kouhoku, Yokohama 222-0033, Japan In this paper, we propose a web-based test system for hardware/software co-design, which we call COVEE (CO-design VErification Environment). The system provides a framework for testing embedded applications which are developed using a set of integrated co-design tools such as retargetable compiler, hardware instruction level emulator, HDL simulator, etc. COVEE framework enables open-style development of reliable and maintainable applications. Keywords: co-design, embedded system development, verification, tool integration, web application service, web DB. −25−.

(2) 1. はじめに. 2. 近年，組込みシステムの適用分野が急速に拡大し，システムに求められる機能や性能はより高度なものとなってきている．同時に，製品競争力の確保に開発期間の短縮を余儀なくされており，組込みシステム開発技術のオープン化が進行している．一方で，ハードウェア／ソフトウェア協調設計の考え方が一般化し，ハードウェアとソフトウェアとの境界を柔軟に変更しながら組込みシステム開発が短いサイクルで行われるようになってきた．このように，急速に開発技術のオープン化が進行し，ハードウェアとソフトウェアの境界が流動化する中で，協調設計環境において開発されるシステムの信頼性や保守性を確保する手段を整備することが急務であると指摘されている [1]．本研究は，ハードウェア／ソフトウェア協調設計に用いられるリターゲッタブルコンパイラやシミュレータなどのソフトウェアツールを統合し，設計対象システムの動作テストを行う環境を構築し，Web 上に展開することを目指している．このように，複数の開発者が遠隔から動作の確認や機能の検証を協調して行える環境を整えることで，より信頼性や保守性の高い組込みシステムの開発が可能となると考えている．以下，第 2 節で協調設計における検証の重要性について概観した後，第 3 節で我々が開発しているテストシステムの構成について述べ，第 4 節では Web を用いた統合環境の実装について説明する．さらに，第 5 節で本システムの問題点と今後の課題について考察した後，第 6 節で本稿のまとめをする．. 協調設計と検証. 本研究が対象とするハードウェア／ソフトウェア協調設計の目的は，対象システムに要求される機能が与えられているときに，システムに対する非機能要求を満足するようにハードウェアとソフトウェアの境界を定め，組込みアプリケーション全体を実現することである．端的に言えば，C 言語などを用いて記述された対象アプリケーションについて，それがハードウェアとソフトウェアからなるシステムとして実現されるときに，その消費電力や処理時間などに関する要求が満たされていることを保証するために行うものである．具体的には，計算時間を短縮する目的で，ソフトウェアの実行性能に大きく影響を与えるプロセッサのアーキテクチャ(サポートする命令セットやレジスタの数) を変更したり，全体時間に占める割合の大きい処理についてはプロセッサバスなどに専用のハードウェア (ベクトル演算や並列演算など ) を追加するといったことが行われ，ハードウェアとソフトウェアの境界が変更されることになる．図 1 に，協調設計の流れと各場面で用いられる開発ツールとの関係について示す．図の左半分がソフトウェア側，右半分がハードウェア側の設計手順である．ソフトウェア側の設計と検証では，プロセッサアーキテクチャに関する情報 (図左上) が与えられた時に，そのプロセッサに特化した命令列を生成する専用コンパイラ (図中央) と，その命令列をエミュレートする専用エミュレータ (図左下) を生成，アプリケーションプログラムをコンパイルして動作の確認と検証を行う．それに対し，ハードウェア側の設計と検証では，プロセッサと専用ハードウェアを含めたハードウェア記述 (図右上) から論理回路合成を行った上. −26−.

(3) Processor Architecture Info. つまり，協調設計において，アプリケーションの動作をハードウェア，ソフトウェアの両方の側面から検証するプロセスを自動実行できる環境を整備することで，組込みシステム開発の省力化やプロダクトの信頼性・保守性向上に大きく寄与することができると考えられる．また，対象アプリケーションが大規模で複雑になれば，その開発は多人数・グループで進められることから，検証プロセスの実行やその結果の閲覧，アプリケーション (ソフトウェア・ハードウェア ) の改版は，ネットワークを介して効率的に支援されなければならない．. Processor HDL Description. Target Application Code. Retargetable Compiler. Target Application Assembler Code. Retargetable Instruction Set Level Emulator. HDL Simulator. Emulation Result. Simulation Result. Compare. 3 図 1: 協調設計の流れで，アプリケーションの動作を信号レベルでシミュレートしながら，タイミングや処理時間の検証を行う．さらに，ソフトウェア側から出されるエミュレーション結果とハードウェア側のシミュレーション結果との比較を行った上で，必要に応じてハードウェアとソフトウェアとの境界が変更される．こういったチューニングを繰り返すことでシステム全体の開発が進行していく．このようなハードウェア／ソフトウェア協調設計のプロセスにおいて，検証作業，すなわちエミュレーションとシミュレーションの実行および両者の結果比較にかかる工数が非常に大きな部分を占めているといえる．というのも，想定される多くの入出力の組合わせについて，アプリケーションをエミュレータおよびシミュレータ上で動作させ，それぞれの結果を互いに突き合わせるという作業を繰り返し行わなければならないためである．. テストシステムの構成. 前節で述べた必要性のもと，協調設計のプロセスで用いられる各種ツールを組合わせ，アプリケーションの動作テストを繰り返し行うシステム，COVEE (CO-design VErification Environment) の構築を行った．COVEE が自動化するテストのプロセスは前節の図 1 にしたがったものであり，アプリケーションの記述に Valen-C とそのコンパイラ・エミュレータの処理系 [2, 3]，ハードウェア記述には UDL/I とそのシミュレーション環境 [4, 5] を用いることを想定している．なお，COVEE とそれが統合するツールは，いずれも Debian GNU/Linux[6] (kernel ver. 2.2.18pre21) を用いて構築，動作確認が行われている．. 3.1. テンプレートとテストセット. COVEE におけるテスト実行は，テンプレートをテストセットに適用することで行われる．テンプレートは，テストの手続きを記述する簡易シェル言語であり，一連のツール実行順序とそれぞれに与える引数，. −27−.

(4) check_files #test# snoot #success retcode==0 vcc -target sparc -reg-opt #test#.c snoot -Tsparc #test#.o #fail stderr>0 storage_alloc -Tsparc #success stderr==0,retcode==0. テストセットテンプレート. 図 2: テンプレート記述例さらにそれぞれのツール実行における結果判定の条件を記述することができる．テストセットはアプリケーションに与える入力および想定出力に関するデータの集合を示す．通常のテストにおいては複数のテストセットが用意され，テンプレートに示された一連の手続きが繰り返されることになる．図 2 にテンプレートの記述例を示す．先頭にツールのコマンド名が示され，それに与える引数が続いて記述される．ただし， #test# は繰り返し実行時にそれぞれのテストセット名と置き換えられて評価される．また #success 以下には実行が成功したと判定されるための条件，#fail 以下には失敗と判定する条件を記述できる．省略時は，シグナル割込で異常終了する場合以外は成功と判定される．条件の中身に指定できるキーワードは，stdout: 標準出力のサイズ，stderr: 標準エラー出力のサイズ， retcode: プログラムの返値となっており，列挙される場合にはすべてが成立する場合に成功 (失敗) と判定する．条件として記述できるのは，それぞれの値に対する等号・不等号・比較の演算子のみであり，例えば出力ファイルの形式や内容にまで言及するような条件の記述を行うことはできない．そのような条件を含む実行結果の判定が必要な場合には，判定を行うプログラムを別途開発者の側で用意し，テンプレートから起動されるツールという形にして対処すれば良い．. テスト実行エンジン. stdout stderr retcode signal result. 結果格納データベース. 図 3: テスト実行エンジンの構成. 3.2. テスト実行エンジンと結果格納データベース. 図 3 に示すように，テスト実行エンジンは，テンプレートに対してテストセット名を与え，指定された順に繰り返しテストの自動実行をする．各ツールの起動にあたっては，標準出力，エラー出力，返値，シグナルなどに関する情報を取得しながら，テンプレートに指定された条件にしたがった実行結果の判定を行うとともに，出力された各情報をデータベースに格納する機能を持つ．図 4 にテスト結果格納データベースのスキーマを示す．スキーマに定義された表 template result は，ある対象アプリケーションについて一つのテンプレートを用いて行われたテストの結果をまとめて示すためのもので，各タプルには，テンプレートの名前の他，ターゲットの名前・バージョン，テストの開始・終了の時刻，テスト実行者の情報が記録される．また，testset result は，あるテンプレートについて繰り返し行われたテストのうち，一つのテストセット. −28−.

(5) template_result name target_name target_version start_date end_date exec_user 1 * testset_result name version start_date end_date log. tool_result 1. *. name version start_date end_date result stdout stderr retcode exec_order. 図 4: テスト結果格納データベースのスキーマに関する情報を取りまとめるための表で，テストセット名の他，そのテストセットに対するテスト開始・終了時刻，そのテストセットについての各ツールを起動したログ情報が格納される．さらに，tool result には，個々のツールについての起動情報の詳細 (標準出力，エラー出力，返値，シグナル，実行順) とツール実行の成否判定結果が格納される．. 4. Web を用いたシステムの展開. COVEE が提供する一連のテスト実行プロセスの起動やテスト結果の閲覧を，遠隔の開発者から可能とするために，図 5 に示す形で，Web 上への展開を行っている．アプリケーションの開発者は Web ブラウザ. 経由で COVEE サーバにアクセスし，起動するテンプレート，テストセット，テスト対象のアプリケーションを指定した上で，テストの実行をサーバに依頼する．テスト実行エンジンは指定されたテストをサーバ計算機上で繰り返し実行し，結果格納データベースに判定した結果を登録する． COVEE サーバで用いる Web サーバには Apache[9] (ver. 1.3.20) を利用し，テスト実行エンジンの呼び出しのサーバサイドスクリプトの記述には PHP[7] (ver. 4.0.6) を用いている．一方，テスト結果格納データベースには PostgreSQL[8] (ver. 7.1.2) を採用しており，PHP を用いた検索インタフェースを提供することで，各開発者が Web ブラウザを用いてテスト結果を閲覧することができる．図 6 にテスト結果閲覧のためのインタフェースの概観を示す．右上のフレームには，各テンプレートを用いて実行されたテスト結果の概要 (テンプレート名，対象アプリケーションとバージョン，開始・終了時刻，実行者など ) が示されており，リンクをたどることにより，右下フレームに各テストセットに対する結果情報を表示することができる．さらに，各テストセットに対して起動されたツールに関する情報 (標準出力，エラー出力，返値など ) は，ツール項目のリンクをたどる事で閲覧可能となっている．また，左側のフレームからは，テストの実行者やテンプレート名，テストセット名などの条件を指定して，テスト結果の検索が行えるようになっている．開発者はこれらのインタフェースを用いることにより，Web ブラウザを用いたテストの実行と，結果の確認という一連の作業を遠隔から行うことができる．なお， COVEE ではテスト実行エンジンの起動に関する排他制御機能を備えない．テスト作. −29−.

(6) HTTP. アプリケーションリポジトリ (開発中). server チェックインチェックアウト. cvsweb. Apache + PHP. client (browser). テスト実行エンジン. チェックアウト. ターゲットアプリケーションテスト実行エンジンソーステストセットテンプレート. (CVS) 実行指示. 実行結果. 検索インタフェース結果提示. テスト結果格納データベース. テンプレート結果テストセット結果ツール起動結果. (PostgreSQL) 開発者. COVEE サーバ図 5: COVEE の Web への展開. 業という比較的大きな粒度でのプロセスの制御は，開発環境が強制するものではなく，開発管理において決定，施行されるべきものと考えるからである．ただし，結果表の参照一貫性など最低限の整合性については， PostgreSQL が提供する行レベルのロックや外部キー機能で保証している．Apache や PostgreSQL が提供するユーザ認証の機能を利用することで，データベースのアクセス権やツールの実行権の設定が可能であるため，開発ポリシを施行するさいに利用することができると考える．. 5. 考察と今後の課題. 現在，著者ら自身，および著者らが所属する組織の別プロジェクトにおいて，MIPS プロセッサ上での MPEG4 アプリケーションの協調設計に COVEE を適用し，その. 有効性の評価を試みている．その中で，協調設計全体に関する問題として指摘されているのは，ソフトウェアで実現されるものと仮定されて記述された処理がハードウェアで実現されるような場合に，その処理に対する時間制約が存在しないという点である．このような場合には，他のハードウェアとのやりとりなどを通じて，より詳細なタイミング検証が必要となるが，現在 COVEE とそれに統合されるツールでは，その機能が提供されない．これに対処するためには，図 1 の下部に示した，シミュレーション結果とエミュレーション結果との比較から，新たなハードウェア部分に対する時間制約を導出するような機能を持つツールの整備が必要となるだろう．上記問題点とも関連するが，エミュレーション・シミュレーション結果の可視化についての要求もあげられている．協調設計. −30−.

(7) テンプレートに対するテスト結果閲覧部テスト結果の検索条件指定部. 各テストセットについて起動されたツール毎の実行結果閲覧部. 図 6: テスト結果の検索・閲覧インタフェースにおいては，とくにメモリやバス競合などの発見が重要であるため，効率的な可視化ツールを統合し，Web で結果の確認ができるよう環境を整備することも今後の課題となる．一方，COVEE を単なる遠隔テストのための環境としてではなく，協調設計ツールのデモンストレーション環境としても利用したいという要望が出されている．各ツールを一貫して動作させる手続きをテンプレートとして示しながら，サーバ側で動作させて確認が行えることで，協調設計ツールの導入ガイドとなると期待される．デモンストレーション環境としてより有効に機能させるためには，図 5 の右上部に示すアプリケーションリポジトリに，各ツールやテストエンジン，テンプレート，テストセットのソースを登録し，遠隔からそれら. をチェックアウトし，各ユーザの手元で動作確認とインストールが行えるようにする必要がある．現在，この点に関する改良として，CVS[10] とその Web インタフェースを COVEE と組合わせるための開発を行っている．また，デモンストレーション環境として用いるという面から，ビジュアルなテンプレートエディタについての必要性も指摘されている．協調設計ツールをアイコン部品で示し，それらを組合わせてテストの流れを記述できれば，よりユーザに親和性の高い環境を提供することができるであろう．. −31−.

(8) 6. おわりに. 本稿では，ハードウェア／ソフトウェア協調設計のためのテスト環境 COVEE について，その機能と開発の現状を紹介した． COVEE は，協調設計で用いられる各種の開発ツールを統合したサービスを，Web を介して提供する．このことにより，開発者はブラウザを用いた対象アプリケーションの動作確認や検証結果の閲覧が可能となる．このような環境を提供することで，オープン化に対応した組込みシステム開発において，プロダクトの信頼性や保守性の向上を目指すための基盤を与えることができると考える．現在，組込みアプリケーション開発のプロジェクトに COVEE を適用し，問題点の整理を行っている．その中で，新たな機能を持った開発ツール統合の必要性や，COVEE をデモンストレーションおよび開発ツールの配布環境として使用することについての必要性が指摘されており，今後はそれらを採り入れてシステムをさらに改善して行く必要があるだろう．. 参考文献 [1] 高田広章: “組込みシステム開発技術の動向”, システム／制御／情報, Vol. 45, No. 3, pp. 115–117, 2001. [2] Inoue, A., Tomiyama, H., Shimizu, T., Kanbara, H. and Yasuura, H. : “An Embedded Software Programming Language for Application Specific Datapath Width Processors”, 6th International Workshop on Hardware/Sotware Codesign (Codes/CASHE’98), March 1998.. [3] Inoue, A., Tomiyama, H., Okuma, T., Kanbara, H. and Yasuura, H.: “Language and Compiler for Optimizaing Datapath Widths of Embedded Processors”, IEICE Trans. Fundamentals, Vol.E81-A, No.12, December 1998. [4] Kanbara, H. and Yokota, S.: “Validation of UDL/I Test Suites and UDL/I Simulation/Synthesis Environment”, IEICE Trans. Fundamentals, Vol. E78-A, No.12, pp.1749–1754, 1995 [5] Yokota, S. and Kanbara, H.: “Conformance Test of a Logic Synthesis System to the Standard HDL UDL/I”, IEICE Trans. Fundamentals, Vol. E78-A, No.12, pp.1742– 1748, 1995 [6] Debian GNU/Linux, (http://www.debian.org/). [7] PHP: Hypertext Preprocessor, (http://www.php.net/). [8] PostgreSQL, (http://www.postgresql.org/). [9] The APACHE Software Foundation, (http://www.apache.org/). [10] CVS: Concurrent Versions System, (http://www.cvshome.org/).. −32−.

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