部内向けスキルアップ研修「組込みOS自作入門」

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部内向けスキルアップ研修

「組込みOS自作入門」

2013年12月

8thステップ担当：松元

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本日の内容

• スレッドを実装します

– スレッドとは？

– OSとは？

• もくもく会

– スレッドで動作するコマンド応答プログラム

• 必要に応じてプログラムの説明

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たとえばこんな動作をさせる

• 以下の機能を持つ

– 0.1秒ごとにLED点滅

– 1秒ごとに液晶パネルに時刻表示 – シリアルからのコマンドに応答

• 一定時間ごとにサービスを実行できるかチェックする（ビジー・ループ）

8.1.1 OSはなぜ必要なのか？

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メイン・ループ

0.1秒経過？

1秒経過？

シリアル受信？

LEDを点滅

液晶パネルに時刻表示

入力コマンドを実行

ダンプ出力を追加

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問題点

• ダンプするデータが大きい場合、処理に時間がかかる

• LED点滅、時計表示がとまってしまう

• 一定回数ごとにメイン・ループに戻る

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ダンプ処理

ダンプ処理中？

一定回数？

データ分繰り返す

前回の状態を復旧して再開

データ出力

状態を保存メイン・ループより呼び出し

メイン・ループへメイン・ループへ

データがなくなるまで

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dump関数

• 定期的にメイン・ループに戻る

• 戻る前に実行中の状態を保存

• 関数の先頭で、前回の中断状態からの再開か調べる

• 再開の場合、保存された状態を復旧

(8)

まとめると・・・

• 時間のかかる処理

• 回数が特定できないループ処理では、中断・再開処理が必要

処理が複雑化してバグが発生しやすい

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やりたいこと

• 定期的な処理の切り替え

• 処理状態の中断・保存・再開

サービス単位に区切る（タスク）

処理を共通化スレッド化

8.1.2 タスクとスレッド

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スレッドとは

• タスクごとに独立して動作させる

→ 並行処理

• CPUの処理時間を非常に短い単位に分割し、複数のスレッドに順番に割り当てることによって、複数の処理を同時に行っているようにみせる

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用語

• システム・コール

– OSに対するサービス要求

• スケジューリング

– 次に動作すべきスレッドを選択

• ディスパッチ

– 選択されたスレッドの処理再開

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ディスパッチ

• 中断時に処理状態を保存

– スタックはスレッドごとに持つ

• 再開時にスタック・ポインタを再開するスレッドのスタックのものに切り替える

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用語

• コンテキスト／コンテキスト情報

– スレッドの処理中断時に保存が必要なCPUの状態

– スタック・ポインタ、プログラム・カウンタなどの各種レジスタ値

• コンテキスト切替え／コンテキスト・

チェンジ

– スレッドのディスパッチのために、そのスレッドのコンテキストを読み込むこと

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用語

• アプリケーション・プログラム

– OS上でタスクとして独立して動作するプログラム

• コア／カーネル

– OSの中核

– 基本プログラム

8.1.3 アプリケーション・プログラムとは何か？

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OS／割込み／スレッド

• OSは割込みの延長で動作し、スレッドを管理する

1. 割込みハンドラからスレッドのコンテキスト保存

2. スケジューリング

3. スレッドのコンテキストを復旧（ディスパッチ）

8.1.4 スレッドの切替え契機

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システム・コール

• OSは資源を管理するための機能を持つ

– OSは割込みの延長

– スレッドとは切り離されている

• スレッド側から明示的に割込みを発生

• システム・コール命令を実行

→ システム・コール割込みが発生

• システム・コール割込みハンドラで応答

8.1.5 システム・コール

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もくもく会の前に

• kz_start()

スレッド生成用スレッドを開始

• レディー・キュー

8.2 OSの実装

(18)

レディー・キュー

• スレッドごとにタスク・コントロール・

ブロック（TCB）を生成

→ タスクの情報を格納

• 実行可能なスレッドのタスク・コントロール・ブロックをつなぐ（レディー・

キュー）

head tail readyque

nextポインタ各種パラメータ

TCB nextポインタ

各種パラメータ

TCB nextポインタ

各種パラメータ

TCB NULL

8.2 OSの実装

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レディー・キュー

• 実行中のスレッド（カレント・スレッド）の実行に区切りがついたら、レディー・キューの末尾に追加

• ラウンドロビン・スケジューリング

head tail readyque

TCB

TCB NULL カレント

スレッド

NULL

8.2 OSの実装

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用語

• キュー／先入れ先出し／FIFO

– 最初に入ってきたものを最初に処理する構造

• キューイング／エンキュー

– キューへ挿入

• デキュー

– キューからの抜き出し

• スタック：後入れ先出し／LIFO

8.2 OSの実装

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もくもく会

• スレッドで動作するコマンド応答プログラム

– 教科書p.290～のソースコードリストを参照 – ブート・ローダー

• ld.scr、intr.S、startup.s を修正

– OS

• kozos.h、kozos.c、syscall.h、syscall.c、

test08_1.c を追加

• ld.scr、startup.s、defines.h、main.c、

Makefile を修正

8.2 OSの実装

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プログラムの実行

• ブートローダー

– make → make image → make write

• OS

– make

• コンソールで確認

– load → kozosを転送 – run

– echo test – exit

8.3 プログラムの実行

(23)

コードを追ってみよう

• startup.sよりmain()が呼ばれる(P.325)

• kz_start(

start_threads

,

"start", 0x100, 0, NULL

);

(P.317)

– 割込みハンドラの登録

• setintr(SOFTVEC_TYPE_SYSCALL, syscall_intr);

• setintr(SOFTVEC_TYPE_SOFTERR, softerr_intr);

– current = (kz_thread *)thread_run(func, ^name,

stacksize, argc, argv);

– dispatch(&current->context);

(24)

割込みハンドラの登録 ^(P.313)

• setintr(

SOFTVEC_TYPE_SYSCALL, syscall_intr

);

• setintr(

SOFTVEC_TYPE_SOFTERR, softerr_intr

);

– 割込みベクタの登録

softvec_setintr(type, thread_intr);(P.263)

• SOFTVECS[type] = handler;

handlers[type] = handler;

(25)

コードを追ってみよう

• startup.sよりmain()が呼ばれる(P.325)

• kz_start(start_threads,

);

(P.317)

(26)

thread_run() ^(P.306)

• タスク・コントロール・ブロックを設定

– thp->init.func = func;

• スタックを設定

– スレッドの戻り先：thread_end() – スレッドの開始位置：thread_init() – 汎用レジスタ

– thread_init()に渡す引数（ER0）：thp

• レディー・キューに接続

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コードを追ってみよう

• startup.sよりmain()が呼ばれる(P.325)

• kz_start(start_threads,

);

(P.317)

(28)

thread_run() ^(P.306)

• タスク・コントロール・ブロックを設定

– thp->init.func = func; ← start_threads

• スタックを設定

• レディー・キューに接続

ER0：引数 ER1

・

ER6 開始位置

戻り先

(29)

コードを追ってみよう

• startup.sよりmain()が呼ばれる(P.325)

• kz_start(start_threads,

);

(P.317)

stacksize, argc, argv); → レディー・キューに登録

→ スレッドを実行

(30)

スレッドを実行

• dispatch() (P.296)

– 引数：スレッドのスタック・ポインタ(ER0) – 汎用レジスタの値を復旧（ER0～ER6）

– rte→プログラム・カウンタとCCRの値を復旧

(31)

もう一度 thread_run() ^(P.306)

• タスク・コントロール・ブロックを設定

– thp->init.func = func; ← start_threads

• スタックを設定

• レディー・キューに接続

ER0：引数 ER1

・

ER6 開始位置

戻り先

(32)

スレッドを実行

• thread_init() (P.306)

– thp->init.func(thp->init.argc,thp->init.argv);

→ start_threads – thread_end();

• start_threads() (P.325)

– kz_run(test08_1_main, “command”, 0x100, 0, NULL);

(33)

kz_run() ^(P.322)

• パラメータを設定

– param.un.run.func = func;

↑test08_1_main

• kz_syscall(KZ_SYSCALL_TYPE_RUN,

&param); (P.318)

– current->syscall.type = type;

– current->syscall.param = param;

– asm volatile(“trapa #0”);

→ トラップ割込みを発行

(34)

スレッドを実行

• thread_init() (P.306)

→ start_threads – thread_end();

• start_threads() (P.325)

– kz_run(test08_1_main, “command”, 0x100, 0, NULL);

(35)

thread_end() ^(P.305)

• kz_exit() (P.323)

• kz_syscall(KZ_SYSCALL_TYPE_EXIT,

NULL); (P.318)

(36)

トラップ命令による割込み

• 割込みベクタ

(37)

もう一度割込みハンドラの登録

• setintr(

SOFTVEC_TYPE_SYSCALL, syscall_intr

);

• setintr(

SOFTVEC_TYPE_SOFTERR, softerr_intr

);

– 割込みベクタの登録

softvec_setintr(type, thread_intr);

• SOFTVECS[type] = handler;

handlers[type] = handler;

(38)

thread_intr() ^(P.316)

• handlers[type](); 割込みハンドラ実行

– SOFTVEC_TYPE_SYSCALL → syscall_intr – SOFTVEC_TYPE_SOFTERR → softerr_intr

• schedule();

• dispatch();

(39)

syscall_intr() ^(P.315)

• syscall_proc(current->syscall.type, current->syscall.param); (P.314)

– getcurrent();

– call_functions();

• call_functions(type, p); (P.314)

– KZ_SYSCALL_TYPE_RUNの場合

→ thread_run(p->un.run.func, ...);

– KZ_SYSCALL_TYPE_EXITの場合

→ thread_exit();

(40)

もう一度 thread_run() ^(P.306)

• タスク・コントロール・ブロックを設定

– thp->init.func = func; ← ???

• スタックを設定

• レディー・キューに接続

ER0：引数 ER1

・

ER6 開始位置

戻り先

(41)

syscall_intr() ^(P.315)

• syscall_proc(current->syscall.type, current->syscall.param); (P.314)

– getcurrent();

• call_functions(type, p); (P.314)

→ thread_exit();

(42)

kz_run() ^(P.322)

• パラメータを設定

– param.un.run.func = func;

↑test08_1_main

• kz_syscall(KZ_SYSCALL_TYPE_RUN,

&param); (P.318)

(43)

もう一度 thread_run() ^(P.306)

• タスク・コントロール・ブロックを設定

– thp->init.func = func; ← test08_1_main

• スタックを設定

• レディー・キューに接続

ER0：引数 ER1

・

ER6 開始位置

戻り先

(44)

thread_intr() ^(P.316)

• handlers[type](); 割込みハンドラ実行

– SOFTVEC_TYPE_SYSCALL → syscall_intr – SOFTVEC_TYPE_SOFTERR → softerr_intr

• schedule(); → スケジューリング

• dispatch(); → スレッドを実行

(45)

スレッドを実行

• thread_init() (P.306)

→ test08_1_main

• test08_1_main() (P.326)

– コンソールからのコマンドに応答するアプリケーション・プログラム

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