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【学習メモ#11th】12ステップで作る組込みOS自作入門
- 1. 12ステップで作る組込みOS自作入門 11thステップ @sandai
- 4. 1.タスク間通信
- 5. タスク間通信 ● 組込みOSのカーネルはできるだけコンパクトに しておきたい – 高機能やリアルタイム性を求められるため ● だから、デバイス・ドライバや、ファイル・シ ステムなどといったリアルタイム性を保証でき ないサービスは、カーネルの外でスレッドとし て実装する ● とはいえ、そういったアプリは一般に単体で動 作できるものは少ない – 機能別にスレッドに分けることが多い – そこでスレッド同士でデータのやり取りができるタ スク間通信をできるようにする
- 6. システム・タスク ● 基本サービスを行うスレッドのことを一般にシ ステム・タスクと呼ぶ – 任意サイズのメモリ管理を実装するとして、OSの機 能として実装すると空きメモリの検索時間が保証で きない – そこでメモリ管理を行うようなスレッドを作成し、 任意サイズ必要な場合はそのスレッドにタスク間通 信で依頼して領域を割り当ててもらう、などといっ た実装ができる ● こういったOSのカーネルとセットで利用するス レッドがシステム・タスク
- 7. ユーザ・タスク ● OSのユーザ側で作成するアプリケーション・プ ログラムは、ユーザ・タスクと呼ぶ – ユーザが使う目的のスレッドと考えれば良いかな ● OSからみればシステム・タスクもユーザ・タス クもOSで動作しているスレッドにすぎない – 両者の違いは使われ方の違いなだけ
- 8. 2.関数の再入と排他
- 9. 関数の再入 ● タスク間通信が必要な理由はもうひとつ関数の 再入を避けるというものがある ● 関数の再入とは、あるスレッドが特定の関数を 実行している最中に割込みによって別スレッド が動作し、その別スレッドがその関数を実行し てしまうこと – 別々のスレッドで同じタイミングで同じ関数を実行 してしまうようなことかな ● 関数内でstaticなデータをやり取りしている場 合、内容を上書きし合うといった問題が起きる
- 10. 再入問題の回避 ● 回避する手段はいくつかの方法がある – 仮想メモリを実装し、タスクをスレッドでなくプロ セス化する – サービスをOS内部に実装し、システム・コールを利 用して呼び出すようにする – 関数をリエントラントな構造にする – 関数内の排他が必要な部分に履いた処理を入れる (割込み禁止など) – 再入が発生しない設計にする – サービスをスレッド化する
- 11. 仮想メモリを実装 ● 関数の再入はメモリを共通資源として複数のス レッドが扱っていることに問題がある ● そこでタスクごとに独立した仮想的なメモリ空 間を割り当てれば良い ● この仮想的なメモリを仮想メモリ、そのメモリ のアドレスを仮想メモリと呼ぶ ● 仮想メモリにより動作するアドレス空間が独立 しているタスクをプロセスと呼ぶ – スレッドはアドレス空間は共通なので、他のスレッ ドの変数などにアクセスできるが、プロセスではそ ういったことはできない ● スレッド・モデル、プロセス・モデルなどとし て区別される
- 12. MMU ● 仮想メモリではMMUと呼ばれる専用ハードウェ アが仮想アドレスから実際のメモリアドレスに アドレス変換をした上で行われる – 実際のメモリを物理アドレスと呼ぶ ● タスクごとにメモリ空間は独立するので、結果 的にメモリ保護を行うこともできる ● メリットはいろいろあるが組込みOSには向かな い – H8にはMMUが無い – リアルタイム性や高速性に向いていない – そもそも組込みOSではメモリ保護は必要ない
- 13. サービスをOS内部に実装 ● OSの機能としてカーネル内部に実装する方法が ある ● システム・コールによってOSに依頼する形 ● とはいえ、OSの肥大化に繋がるし、再入を防止 したいサービスを全てカーネルに含ませるとい うポリシーの無い設計になってしまうので、あ まり良い手段とはいえない
- 14. 関数をリエントラントな構造にする ● 関数が再入されても問題が発生しない構造に なっていることをリエントラント(再入可能)と 言う – リエントラントにするには、たとえば静的変数では なく自動変数を利用するなどするといった手段があ る ● ただし、関数内部でさらに別の関数を呼び出し ている場合は、その関数もリエントラントにし なきゃいけない ● つまりライブラリ関数全体をリエントラントに する必要がある
- 15. 排他処理を入れる ● 静的変数を操作している部分で割込み禁止にす ることで、スレッドのディスパッチを防止する ことで再入されなくしてしまう方法もある – INTR_DISABLEやINTR_ENABLEとか使う void log_output(char *message) { static char buf[256]; time_t t; time(&t) INTR_DISABLE; strcpy(buf, ctime(&t)); strcpy(buf + strlen(buf), message); puts(buf); INTR_ENABLE; }
- 16. 排他 ● ある資源にアクセスしている最中に他の処理が その資源にアクセスしないようほ保証すること を排他と言う ● 排他には割込み禁止/許可の他に、ロック、セ マフォ、ミューテックスと呼ばれる機能を利用 する方法がある ● ロックをアプリケーション・レベルで実現しよ うとすると様々な問題があるので、一般にセマ フォという排他の仕組みをOS側で提供する
- 17. セマフォ ● セマフォとはロックをOS側で行うような仕組み 獲得・解放をカウンタで管理することで、複数 のスレッドが再入する場合のスレッド数の上限 を管理することができる ● 上限が1のセマフォはバイナリ・セマフォと呼 ばれ、常にひとつのスレッドしか実行できない ● ミューテックスはバイナリ・セマフォに近い void log_output(char *message) { . . kz_getsem(ID); ←セマフォ獲得 strcpy(buf, ctime(&t)); strcpy(buf + strlen(buf), message); puts(buf); kz_relsem(ID); ←セマフォ解放 }
- 18. 割込み禁止でする排他の話 ● 割込み禁止から有効に戻すまでの間を割り込み 禁止区画と呼ぶ – INTR_DISABLEからINTR_ENABLEの間 ● この方法での排他は割込みの遅延(遅延割込み) が発生する問題がある – 割込み禁止中に割込みが発生した場合、現在行なっ ている割込み処理を終えてから発生するので、割込 みが遅延する形になる – 割込み禁止区画が長いとキーボードを叩いても反応 が鈍いとか、マウスの動きが鈍くなったりする ● 一般に「割込み処理は短く」「割込み禁止は最 小に」が鉄則
- 19. 再入が発生しない設計にする ● スレッドの優先度を工夫して優先度の大小の関 係で動作が奪われないようにしたりできるが ● 優先度が動作に依存するため慎重に設計する必 要がある ● 現実的には割込み禁止にするなど確実で小回り の効く対策が人気 ● 排他が不要な構成にするというのは理想だけ ど、難しいな
- 20. サービスをスレッド化する ● 再入の根本的な原因はひとつの資源を複数のス レッドから操作してしまっていること ● 簡単な解決策は資源を管理するスレッドを実装 して、このスレッドを通して資源を操作する ● これができるようにするには、スレッド同士の 通信ができるようにならなきゃいけない – つまりタスク間通信が必要 ● 組込みOSはカーネルをコンパクトにしたいので 基本的にサービスはスレッドとして実装する – サービスを利用する場合はタスク通信でスレッドに 依頼する
- 21. 3.KOZOSでのタスク間通信
- 22. メッセージ ● KOZOSのタスク間通信はOS内部からシステム・ コールを発行することで、送信と受信の間に構 造体をかませてやりとりするになっている – この構造体をメッセージ・ボックスと本書では呼ん でいる – また、KOZOSのタスク間通信をメッセージと呼ぶ
- 23. メッセージの仕組み ● メッセージのやり取りは送信用のシステム・ コールを呼び出して、受信側でメッセージ受信 用のシステム・コールを呼び出して受け取る ● 受信用のシステム・コールを呼び出してもメッ セージが送信側で送信されていない場合は、ス リープして待ち合わせる – 待ち合わせによりスリープすることを一般に ブロックと言う ● 受信用のシステム・コールを読んでいないのに 送信側が複数送信を行ったときは、メッセージ はキューに蓄えられる
- 24. メッセージのシステム・コール ● kz_send()とkz_recv() – どちらも第1引数にメッセージID、第2と第3 で整数値とchar型のポインタを持つ ● 第2と第3でint型のデータ(2バイト)とchar型の ポインタ(4バイト)を渡せるようにしている – バッファのサイズとアドレスを渡すと か、argc、argv[]形式で任意のデータを渡 す、といった融通が効くから
- 25. メッセージで同期的処理もできる ● スレッド同士で情報のやりとりだけではなく、 動作タイミングを取り合うこともできる – あるスレッドの処理が完了してからもう一方 のスレッドで処理を開始するといったことが 可能 ● スレッドの動作状態と関係無く別の動作が行わ れることを非同期処理と言う
- 26. 4.メッセージ通信の実装
- 27. プログラムの修正と追加 ● 修正ファイル – defines.h...メッセージIDの定義 – syscall.h,syscall.c...システム・コール追加 – kozos.h,kozos.c...システム・コール追加 – main.c...起動するスレッドの修正 – Makefile ● 追加ファイル ● test11_1.c,test11_2.c
- 28. メッセージ送受信 ● メッセージのやり取りはシステム・コールに よって行い、メッセージボックスの構造体を間 に挟んで行う ● 特に難しい処理はないが、メッセージボックス はキューになっている – リンクリスト構造で、headとtailのポインタを持つ – tailポインタを持つのはリンクリストの最後尾を毎 回検索するのが無駄であるため
- 29. メッセージ送受信の流れ ● 送信側は基本的にメッセージボックスにメッ セージ(構造体)を保存するだけのことをする – 受信待ちスレッドがある場合は受信処理を行い、カ レントスレッドをレディ・キューに繋ぎ直す ● 受信側は受信するメッセージがない場合はス リープ状態に入る – スリープ状態で送信処理が行われたときに、そちら で受信処理が行われるわけ ● スリープする必要がなければメッセージを取得 する – メッセージボックスは複数のメッセージを持つ場合 にキューとなり、メッセージ取得は順番に取得が為 される
- 30. 5.プログラムの実行
- 31. プログラムの実行 /Users/sandai/12step/src/11/os% sudo cu -l /dev/tty.usbserial-FTG6PQ4H . . kzload> run starting from entry point: ffc020 kozos boot succeed! test11_1 started. test11_1 recv in. test11_2 started. test11_2 send in. test11_1 recv out. static memory . . . test11_2 recv out. allocated memory test11_2 exit. test11_2 EXIT.
- 32. 6.まとめ
- 33. まとめ ● タスク間通信を実装したことでOSの重い処理を システム・タスクとしてスレッド化できるよう になった ● OSの機能をコンパクトにする設計をマイクロ・ カーネル、様々な機能を全て詰め込んだものを モノリシック・カーネルと呼ぶ