thesis.dvi

(1)

PC-UNIX

と

CAMAC ACC

を用いた

リアルタイムデータ収集システムの開発

A Real-Time DataAcquisition System with PC-UNIX and CAMAC ACC

長崎総合科学大学大学院工学研究科流体工学専攻

長谷野雅哉

(2)

1 はじめに 3 2 物理学実験におけるデータ収集システム 5 3 システム構成 9 3.1 ハードウェア構成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 3.1.1 PC-UNIXシステム : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 3.1.2 CAMAC : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12 3.1.3 CAMAC ACC: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14 3.2 ソフトウェア構成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15 3.3 データ収集フロー : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17 4 プログラム開発 19 4.1 CAMACデバイスドライバ・ライブラリ : : : : : : : : : : : : : : : 19 4.1.1 CAMACデバイスドライバ : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19 4.1.2 CAMACライブラリ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25 4.2 ACCプログラム開発環境 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 26 4.3 データ収集プログラム開発 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28 4.3.1 ACCメモリマップ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28 4.3.2 ACC-UNIDAQライブラリ : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30 4.3.3 ACCとUNIDAQプログラム : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 5 システムの性能 35

(3)

目次 5.2 CAMACライブラリの性能 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 5.2.1 CAMACシングルアクション : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 5.2.2 CAMACブロックアクション : : : : : : : : : : : : : : : : : 39 5.2.3 CAMAC割り込み処理 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41 6 考察 45 6.1 コストパフォーマンス : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45 6.2 CPUとOSの違いによるシステムの性能比較 : : : : : : : : : : : : 50 6.3 UNIXの問題点 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54 7 まとめ 57 8 謝辞 59

(4)

第

1

章

はじめに

最近のコンピュータシステムの性能向上は目覚ましく、しかも価格低下が進み、高性能なコンピュータが身近に扱えるようになってきた。特に、パーソナルコンピュータにおいてこの傾向が著しく急速に普及し始めている。このパーソナルコ

ンピュータの急速な普及の要因として、MacOS、Windows95、WindowsNTな

どのGUIを使用したOSが登場し、快適にコンピュータを扱えるようになってき

たことがあげられる。また、SCO UNIX、Linux、386BSDなどのUNIX系OS

（PC-UNIX）の登場によりパーソナルコンピュータの新たな可能性も見出されはじめている。巨大な粒子加速器を使用する物理学実験分野においても、1960年代からコンピュータを用いた自動計測制御が積極的に行われている。この分野では、物理的発見のため常にその時々の最新技術を投入し計測機器の開発並びに技術開発が行われ、その場における技術の発展があってこそ、新しい発見が見出されるといっても過言ではない。さらに、ここで培われた技術は成熟すれば産業界の応用も図られ普及していく場合が多い。この分野のデータ収集システムは、単にデータを収集するだけでなく、それと同時にデータの保存、収集したデータの一部を解析しグラフの表示等を行わなければならない。そのため、コンピュータには個々の処理の実行に見合った能力よりはるかに大きな処理能力が要求される。その要求はこれまでメインフレームにより実現されていたが、UNIXワークステーションの性能向上とネットワークの普及により、それに代わってUNIXワークステーションがデータ収集のホストコンピュータやデータ解析用のコンピュータとして用いられるようになり標準的地位を築きつつある。最近では、実験に使用する検出器が複雑化してきたことにより、単位時間に収集しなければならないデータ量が増加傾向にあり、大量なデータを高速に収集するこ

(5)

Chapter 1.はじめにとが要求されるようになってきた。その要求の高まりに応えるため、高速性、即時応答性を特徴とするリアルタイムUNIXを用いてシステムの構築が行われているが[17]、リアルタイムUNIXはまだ発展途上で応答スピードに限界がありデータ収集に必要な処理をリアルタイムに行うには問題となる場合がある。そこで本研究では、外部にデータ収集の機能を持ったコントローラ（CAMAC ACC）とUNIXワークステーションを用いて高速性の要求されるリアルタイムデータ収集システムの開発を行った[9][27]。その結果、PC-UNIXのようなリアルタイム性を保証しないOSでも高速なリアルタイムデータ収集システムを構築することが可能となった[26]。

(6)

第

2

章

物理学実験におけるデータ収集システム

コンピュータをとりまく環境はめまぐるしく変化しており、物理学実験分野のデータ収集システムもその影響を受け、その時々に応じたシステムが開発されている。日本では文部省高エネルギー物理学研究所（KEK）が中心となりデータ収集システムの標準化が進められている。その具体的な開発経緯をたどってみる[22]。まず、DEC社製のコンピュータVAX上に、VMSというOSが動作するコンピュータシステム（VAX/VMS）を用いてデータ収集システムが構築された。 VMSはリアルタイムOSであり、高速データ収集／パフォーマンス／操作性などの統合的な判断でVAX/VMSが選ばれた。測定回路システムにはCAMAC

（IEEE standard Serial Highway Interface）が用いられ、VAXのシステムバス

であるQ-Busとのインターフェイスを介して接続された。データ収集システムの

ソフトウェアはFORTRAN言語によって書かれ、CAMACデータ収集ライブラ

リはKEK独自の仕様でアセンブラ言語で書かれた（CAMLIB）[20]。

次に標準となったのはモトローラ社の68000シリーズコンピュータ上にOS9と

いうOSが動作するコンピュータシステム（68K/OS9）で、測定回路には

CA-MAC、TKOが用いられシステムが構築された。測定回路と68K/OS9とは、産

業界で標準化されたVME Busを介して接続された。VAX/VMSはデータ収集シ

ステムのホストコンピュータとして適したものであったが、より安価で、標準バス

を搭載した68K/OS9が主流となった。データ収集システムのソフトウェアはC言

語によって書かれ、よりポータブルなものとなった。CAMACライブラリもほぼ

C言語によって書かれ、VAX/VMSのものと互換性が保たれた。

そして、現在ではVAX/VMSや68K/OS9に比べて遥かに高性能なUNIXワー

クステーションを用いられるようになった[15]。また、コンピュータネットワーク

の普及とあいまって、複数のコンピュータを用いてシステムが構築されている。こ

(7)

Chapter 2.物理学実験におけるデータ収集システムコンピュータネットワーク UNIXワークステーションオンラインモニタリングデータデータ解析保存データ Mass 収集 Storage 測定回路検出器図2.1: 物理学実験におけるデータ収集システムデータ収集システムに利用されなかったのは、UNIXがリアルタイム性を保証しないためである。しかしながら、CPUの処理速度の急激な上昇、デバイスドライバの実装上の工夫により、物理学実験が要求する程度のリアルタイム性を十分確保することができるようになってきた。データ収集ソフトウェアはC言語によって書かれており、UNIXをOSとして用いるようになったことで、より移植性の高いコードに拡張された。CAMACライブラリもすべてC言語によって書かれ、 VAX/VMSと68K/OS9のものと互換性が保たれている。このようにデータ収集システムは標準に沿って連続して発展してきた。最近では、コンピュータシステムの性能向上はとどまることはなく、VMEボードコンピュータを用いてポータブルなシステムが構築されている。OSもまた進化しており、リアルタイム性を保証するようなUNIXに近いOSが開発され、この OSを用いたシステムも構築されている[17]。一方、物理学実験における検出器は巨大化・複雑化してきており、それに伴い、データ収集システムに対する要求が高まってきている。そのため、それに応じて新しいシステムの開発が行われ続けている。その具体的例として、KEKにおいて行われているE337実験プロジェクトにおけるシステム開発をあげる。E337実験プロジェクトは、高温、高密度核物質生成のメカニズムを探るターゲットマルチフラグメンテーションの研究実験プロジェ

(8)

ビームを用いて1995年12月から1996年5月にかけて行われた[25]。この実験では、検出器にFrisch Gridをもつガスイオンチェンバーの一種であるブラッグカーブカウンタ（BCC）を用い、入射荷電粒子がカウンター内のガス中で停止する際に作り出した電離電子の空間分布の測定を行う。BCCはターゲットを中心に水平面上に4台、上部に大型のものが1台配置され、それぞれを合わせて37chの出力系統を持っている。検出器から送られてくる信号は、時間情報、電圧情報を抽出し、測定回路システムにCAMACを用いてADC74ch、TDC （SCALER）74chによって測定を行う。この検出器によって測定される物理事象は、最大に見積もって1秒間に5000回起こると予想された。また、1つの物理事象に対し収集しなければならないデータ量は、8∼23wordである。これは、一般的なKEK-PSを用いた実験とは異なり、1つの物理事象に対して収集しなければならないデータ量は非常に少ないが、事象発生頻度が非常に高い。そのため、従来のシステムでデータ収集を行うことは困難であり、この要求に応える新しいシステムを開発することとなった。ビーム KEK-PS 12GeV プロトンビーム 0.25 Hz（spill width Max. 2 sec）

検出器ブラッグカーブカウンタ（37チャンネル）測定器 CAMAC ADC（74チャンネル） TDC（74チャンネル）事象発生頻度 Max. 5000 Hz データ量 8∼23word/event 460 KB/spill 表2.1: E337実験のセットアップとデータ量 E337実験のデータ収集システムを開発する上で最も重要なことは、測定する物理事象が1秒間に最大5000回起こると予想されているので、1つの物理事象に対するデータを最低でも200secの間に収集しなければならないということであった。そこで、この要求を満足するため、CAMAC上にデータ収集機能を持ったコ

ントローラCAMAC ACC（Auxiliary Crate Controller）を使用することが提案

され、これとUNIXワークステーションとを組み合わせた新しいシステムが構築

された[27]。このシステムは、E337実験において80％以上のデータ収集率をあ

(9)

Chapter 2.物理学実験におけるデータ収集システム

CAMAC ACCを用いることにより、E337実験の要求を満足する高速なデータ

収集が実現され、良い結果を得ることができた。このシステムの成功により一般的な実験への応用も期待され、標準的な新しいシステムを構築することとなった。第

(10)

第

3

章

システム構成

パーソナルコンピュータの普及が急速に進んでおり、またその性能も一昔前のワークステーションに匹敵する程に向上してきている。このような状況をふまえ、新しいシステムのホストコンピュータとしてパーソナルコンピュータを採用し、システムの構築を行った。本章ではそのシステムの構成を述べる。 3.1

ハードウェア構成

本研究において構築したPC-UNIXとCAMAC ACCを用いたデータ収集シス

テムの構成を図3.1に示す[26]。システムは、測定回路システムとデータ収集を司

るホストコンピュータとからなり、単にデータ収集を行うだけでなく、それと同時にデータの保存、収集したデータの一部を解析しグラフ表示を行う。ホストコ

ンピュータには、パーソナルコンピュータ（IBM PC互換機）にLinuxというOS

をのせたPC-UNIXシステムを、測定回路システムにはCAMACを用いる。IBM PC互換機とCAMACクレートとは、ISAバスを介するCAMACインターフェイ

スカードとCAMACクレートコントローラを用いて接続する。この構成でデータ

収集が可能となるが、さらなる高速データ収集を実現するため、CAMAC上に

データ収集機能を持ったCAMAC ACC（Auxiliry Crate Controller：補助クレー

トコントローラ）を配置する。

3.1.1 PC-UNIXシステム

数年前まで、UNIXは強力なミニコンあるいはワークステーションのOSとして

使用されるのが普通であったが、ここ最近のパーソナルコンピュータの急激な性能

(11)

Chapter 3.システム構成

PC-UNIX

CAMAC Crate

CAMAC/IBM PC

Interface CAMAC ACC

(Model 2927) (Model 3976)

IBM PC Compatibles Crate Controller

(Model 3922) GATEWAY2000 CPU:Pentium (150MHz) OS :Linux 2.0.0 図 3.1: システム構成た。本システムのOSとして用いているLinux[7]は、フィンランドのヘルシンキ大

学においてLinus B. Torvalds氏によって開発されたUNIX系OSである。Linux

のカーネルコードはゼロから開発され、1990年10月最初のバージョンがインター

ネット上に公開されると、世界中に広がり多くの人々の協力によって開発が行われ

るようになった。Linuxは、POSIX（IEEE standard 1003.1）に準拠しており、

カーネルの機能はSystem V互換になっているが、ネットワークデーモンなどのユーティリティ機能はBSDから移植されており、SystemVとBSDの拡張機能の両方を兼ね備える。また、基本的なコマンドはGNUのものが使われており、さらにCコンパイラ等のプログラム開発環境をはじめとするほとんどのGNUツールも移植されている。このようにしてLinuxはUNIXシステムにおける機能のほとんどを実現しており、ソースレベルで互換性を持っている。以下に、Linuxの持つ主な機能をあげる。マルチタスク、マルチユーザー同時にいくつものプログラムを実行でき、同時に何人ものユーザーがシステムを利用できる環境を提供する。

(12)

3.1. ハードウェア構成仮想記憶でメモリの少ないシステムに対応ハードディスク上に記憶領域（スワップ領域）を設け、その領域を使いメモリを仮想的に拡張し実メモリより大きなメモリ空間を扱うことができる。また、デマンドページング機能により実メモリより大きなプログラムを実行することができる。シェアドメモリ BSD系のUNIXで採用されている機能であるが、プログラムの一部をメモリ上で共有することができる。メモリの占有量を減らせるなどの特徴を持つ。シェアドライブラリ System V系のUNIXで採用されている機能であるが、プログラムをコンパイル時ではなく、実行時に共有ライブラリと結合する機能である。多くのプログラムでライブラリを共有するので、メモリ、ディスクのの占有量を減らすことができる。ネットワーク機能

TCP/IP、IPXプロトコル、Aplle Talkネットワークといったネットワー

クプロトコルをサポートしており、これらを利用したネットワークサービス機能を備える。プロテクトモードをサポート Linuxは386系プロセッサのプロテクトモードで動作するため、ユーザープログラムによりシステムが破壊されることがない。動的に確保されるディスクキャッシュ実メモリ上に使われていない空き領域がある場合、そこをディスクキャッシュとして利用する機能があり、このキャッシュ領域は実メモリ領域が必要になったら減少するというように動的に確保される。多種のファイルシステムに対応

Linuxは、MS-DOS（FAT）、Windows95（VFAT）、 OS/2

（HPFS）、など様々なOSのファイルシステムやCD-ROM（ISO9660）

のファイルシステムをサポートしており、そのままマウントして使用するこ

とができる。また、Linux独自のファイルシステム（ext2）は、255文字ま

(13)

Chapter 3.システム構成フリーソフトウェアである Linuxは、GNUパブリックライセンスに従って配布されているフリーソフトウェアであり、ソースコードを含め誰もが自由に入手でき変更、再配布が許されている。配布にはインターネットが大いに活用され、その普及と共にユーザーは世界中に広まっており、その性能は高く評価されている。また、ソースコードが公開されているため、世界中の多くのプログラマが Linux開発を支援しており、対応するハードウェア、Linuxの持つ機能は他のUNIX系OSと比較して多くのものをサポートしている。

Linuxの優れた機能を十分に発揮させるため、IBM PC互換機にはPemtium

CPUを搭載するGATEWAY2000 P5-150を採用した。その仕様を表3.1に示す。

メモリ、ハードディスクに十分な容量を与え、データ収集、解析を行うに十分な性能を確保した。最近のパーソナルコンピュータは価格低下が進んでいるため、性能を重視してハードウェアを構成しても、コスト面で問題となるようなことはない。

GATEWAY2000 P5-150

CPU（CPU Clock） Pentium（150MHz）

メインメモリ EDO 64MByte

キャッシュメモリ PB SRAM 256KByte

ハードディスク 2GByte SCSI

拡張スロット ISA ×3, PCI ×4

VIDEOチップ ATI Mach64ct

ネットワークカード 3Com595TXPCI 10/100BASE-T

SCSIアダプタ Buslogic BT-964C FastSCSIPCI

OS（パッケージ） Linux2.0.0（Slackware3.1）

表3.1: GATEWAY2000 仕様

3.1.2 CAMAC

CAMACの規格は、CERN（欧州共同原子核物理学研究所）を中心として提唱

され、1969年ESONE（European Standards on Neclear Electronics）の委員会

で制定され、その後、ACE、IEEEで承認され国際標準規格（ANSI/IEEE

publi-cation SH-08482）となった。この規格では、インターフェイス回路の信号伝達方

式や信号の電気的仕様だけでなく、機械的構造についても細かく規定されており、

(14)

3.1. ハードウェア構成 CAMACクレートは最大25のスロット（ステーション）を持ち、このスロットには左から順にN=1、2、……、25とステーションナンバー（N）が割り付けられている。ステーションナンバーN=1∼24はノーマルステーションと呼ばれ、この任意の場所にADCやTDCなどのCAMACモジュールを差して用いる。右端に位置するステーションナンバーN=25はコントロールステーションと呼ばれる特別なもので、ここを通じてコンピュータはCAMACクレートの制御を行う。CAMACクレートの後部は43×2のボードエッジコネクタが取り付けられ、バス線（CAMACデータウェイ）に接続されている。各ノーマルステーションに

は、24bitのREAD、WRITEそれぞれの専用バス、9bitのコントロールバス、

モジュールのイニシャライズ、クリア、インヒビット、のためのZ、C、I、モジュールのステーションナンバー、コマンドアクセプト、レスポンスを示すN、 X、Q、割り込み線L（LAM: Look-At-Me）、タイミング信号線S1、S2、バスの使用を示すB、の各1bitのバス線につながる。コントロールステーションは、 READ、WRITEのバス線に代わり、各ステーションからのLとNの線がつながる。コントロールバスは、F（5bit）、A（4bit）で構成され、Fはファンクション、Aはサブアドレスを指定するものである。これらとNを組み合わせて、各ステーションに配置されるCAMACモジュールをコントロールする。コントロールに用いるN、A、Fの信号は、ハンドシェイク行わないで1サイクルで動作が完全に終了し、その動作でデータ転送も完了する。バスのサイクル時間は、 1secと規定されており最大３MB/secの転送能力を持つ[23]。 CAMACクレートとコンピュータの接続は、クレートコントローラとコンピュータインターフェイスを用いて行う。クレートコントローラはCAMACクレートの右端に配置する。本システムのクレートコントローラには、文部省高エネルギー物理学研究所において陽子シンクロトロンを用いて行われる実験（KEK-PS 実験）で従来から標準的に用いられているKineticSystems社のModel 3922を、ホストコンピュータであるPC-UNIXとのインターフェイスはそれに合わせて、

ISAバスを介するKineticSystems社のModel 2927を採用した。これらの間は40

本のパラレルリボンケーブルにより接続し、最大90mの長さのケーブルを使用することができる。Mo del 2927インターフェイスはDMAによるブロック転送機能を持っており、最大800KB/secのデータ転送が可能である[2][3]。 CAMAC自体現在では、既に古く良いものであるとはいえないが、これまでに蓄えられたハード・ソフトの資産が多く受け継がれてきており、また様々な用途に合わせた多くのモジュールを商業的にも比較的容易に入手することができるなどの理由で、制定されて20年以上経つ現在でも最もよく用いられている。

(15)

Modules CAMAC ACC (KineticSystems Model 3976)

ＭＰＵＲＯＭＭ６８０３０ 40 MHz 512 KB ADC, TDC Crate etc ... Controller Internal Ｍ６８０３０ Bus ＣＳＲ Dual Port Interrupt ＲＡＭ AUX Logic １MB Crate Controller ＡＣＢＣＡＭＡＣ Bus 図3.2: CAMACACCの内部構成 3.1.3 CAMAC ACC CAMAC ACCは、プロセッサを搭載したインテリジェントなコントローラで、クレートコントローラと同じ機能を持ち、CAMACバスをコントロールすることができる。

本システムのCAMAC ACCには、KineticSystems社のMo del 3976を採用し

た。その内部構成を図3.2に示す。 Mo del 3976は、Motorola 68EC030プロセッ

サ、数値演算用コプロセッサを搭載するシングルスパンのCAMACモジュールで、プログラムによりスタンドアローンで動作し、CAMACクレート上にある測定モジュールにアクセスしてデータ収集を行う。Mo del 3976の内部機構は、それぞれインターナルバスにつながっており、それらをコントロールする68EC030プロセッサは、メモリマネージメント機構を持たない68030のハイスピードバージョンであり40MHzのクロックスピードで動作している。コントロールステイタスレジスタ（CSR）、デュアルポートRAMは、CAMACバスともつながっており、ホストコンピュータからクレートコントローラを経由してこれらにアクセスすることができる[4]。これにより、3976が収集したデータをデュアルポートRAM上に一時バッファリングしておき、バッファリングしたデータをホストコンピュータが

(16)

3.2. ソフトウェア構成

ブロック転送により収集することで、データ収集の高速化が図れる。

3.2

ソフトウェア構成

システムを制御するソフトウェアの構成を表3.2に示す。

Application UNIDAQ

Library CERN LIB,CAMLIB, ACC-UNIDAQLIB System UNIX OS / X windowSystem

Kernel Linux Device Driver Hardware K2927 （ISA）表3.2: ソフトウェア構成データ収集ソフトウェアには、KEK-PS実験において標準的に用いられている UNIDAQ[12][13]を使用した。UNIDAQはアメリカ合衆国におけるSSCプロジェクトのSDC実験グループにより開発されたデータ収集ソフトウェアであり、以下にその特徴を示す。分散処理データ収集に必要なタスクを段階的に区分けし、それぞれのタスクに対しプロセスが与えられている。データ収集に必要なタスクは大きく分けて４つである。その４つとは、CAMACなどの測定回路システムからデータを取り込みバッファー内に格納するCollectorプロセス、バッファーからデータを読みとり解析しグラフ描画プログラム（PAW）にデータを渡すanalyzerプロセス、バッファーからデータを読みとりハードディスクなどの記憶装置に書き保存するrecorderプロセス、そして、これらプロセスへのデータの受け渡しを管理するバッファーマネージャーNOVAである。各プロセスは統一的な構造であるので目的に応じたプロセスを容易に作成することができる。このような形態にすることで、ユーザーが必要とするタスクのみを実行できるほか、同じタスクでも複数のプロセスを実行させることもでき、あるタスクの走っているプロセスが何らかの理由でハングアップしても、他のタスクに影響を及ぼさない。

(17)

Chapter 3.システム構成 Portability UNIDAQは既存のライブラリを利用することで高い移植性を実現しており、各種コンピュータで動作している。現在までにUNIDAQが動作しているUNIXシステムを表3.2に挙げる。IBM PCには本システム構築の際に移植を行い、ハードウェア、OSに対する依存性を吸収するデバイス

ドライバを開発した。UNIDAQは、CAMACの操作を行うためにKEK

において開発されたCAMACデータ収集ライブラリ（CAMLIB）を、データ解析・グラフ描画には高エネルギー物理学分野でよく使われている CERNLIB（HBOOK/PAW）を利用する。また本システムにおいては、 CAMAC ACCとのコミュニケーションを容易に行うため、今回開発した ACC-UNIDAQライブラリも使用する。デバイスドライバ、ACC-UNIDAQ LIBについてはのちの章で詳しく述べる。コンピュータ（OS） Bus Interface

Sun（SunOS,Solaris） SBus SFVME-100,PT-SBS915（VME） ForceVMEComputer（SunOS） SBus 内蔵 VMEInterface（VME） DEC（ULTRIX） TURBOchannel DEC PMABV/T6000（VME） HP（HP-UX） EISA BIT3

HPVMEComputer（HP-RT） VME SGI（IRIX） VME

IBMPC（Linux） ISA Kinetics Mo del2927（CAMAC）

表3.3: UNIDAQがサポートするUNIXシステムネットワーク機能 UNIDAQは、複数のコンピュータシステムを1つのデータ収集システムとしてサービスする機能を持っている。つまり、あるコンピュータでデータ収集を行い、取り込んだデータをコンピュータネットワークを通じて他のコンピュータへ転送し、そこでオンライン解析を行うこともできる。それぞれのコンピュータは、もちろん異なる機種であってもかまわない。UNIDAQの外部仕様は統一されており、コンピュータによる使い勝手の差はほとんどないように設計されているからである。 UNIDAQを使用することで小規模なテスト実験から大規模な実験までカバーすることができ、ソフトウェア開発の短縮を図ることができる。

(18)

3.3. データ収集フロー 3.3

データ収集フロー

本システムのデータ収集のフローダイヤグラムを図3.3、図3.4に示す。図3.3はデータの流れに沿って、図3.4は時間の流れに沿って書いたものである。このデータ収集の基本的概念は、モジュールのデータをACCがCAMAC上で収集しメモリ上にバッファリングし（1次データ収集）、次にバッファリングしたデータをホストコンピュータ読み込む（2次データ収集）と言うものである。 UNIDAQは、データ収集に必要なタスクを段階的に区分けし、それぞれのタスクに対してプロセスが与えられている。データ収集に必要なタスクは大きく分けて4つである。その4つとは、CAMACなどの測定回路システムからデータを取り込み、シェアドメモリ上に構成されたバッファー内に格納するCollectorプロセス、バッファーからデータを読みとりグラフ描画プログラム（PAW）にデータを渡すanalyzerプロセス、バッファーからデータを読みとりハードディスクなどの記憶装置に書き込み保存するrecorderプロセス、そして、これらプロセスへのデータの受け渡しを管理するバッファーマネージャーNOVAである。測定モジュールのデータは、まずACCが読み込み内部のメモリ上に構成されたダブルバッファの片方に記憶される。片方のバッファが一杯になると、ACCは UNIDAQのcollectorプロセスに割り込みをかけバッファ内のデータを収集するように要求する。UNIDAQはその要求を受け付けると、ACC上に記憶されている

データをDMA機構によるブロック転送で読み込む。その間、ACCは40secで

バッファをもう片方に切り替え、データ収集を続けている。バッファ切替え時間

40secは、データ収集のデッドタイムとなる。しかし、ホストコンピュータにお

けるデッドタイムと比較すると短いものである。

UNIDAQに取り込まれたデータは，UNIDAQのバッファを管理している

NOVAプロセスを通してRecorder，Analyzerプロセスに渡り，保存，解析が行

われる。また、UNIDAQはデータのほかにも取り決められたACCのステイタス

(19)

Modules

ADC,TDC etc... Communication Area

Shared Memory Program Area Double Buffer Buffer Communication Program Pointer Collector Tape or Disk Recorder NOVA Analyzer PAW ＣＣ Command or Status Data ・１次データ収集 DMA転送機構により高速に収集する。・２次データ収集直接CAMAC上で収集する。 UNIDAQ ＡＣＣ図3.3: データの流れに沿ったデータ収集フロー・ UNIDAQ Recorder Process Analyzer Process Collector Collector Process Process Interrupt Interrupt

・ ACC Buffer Full Buffer Full

Data Taking Data Taking Data Taking

Switch Switch

Buffer Buffer

( 40 μｓ)

(20)

第

4

章

プログラム開発

本章では、システムを構築するため、本研究において開発した

CA-MACデバイスドライバ・ライブラリ、ACCプログラム開発環境、ACC

データ収集ライブラリについて述べる。なお、開発したソフトウェアは、 http://www.elc.nias.ac.jp/~daq/software/ より公開している。 4.1 CAMAC

デバイスドライバ・ライブラリ

PC-UNIXを用いてCAMACをコントロールしデータ収集を行うためには、 Mo del 2927 CAMACインターフェイスのデバイスドライバが必要である。また、データ収集プログラムを作成する際の便宜を図りデータ収集ライブラリも合わせて用意した。 4.1.1 CAMACデバイスドライバデバイスドライバ[6][10][14]は、コンピュータで動作するソフトウェアのうち最も低レベルに位置し、OSとハードウェアを結びつける役割を持つ。デバイスドライバはC言語で書かれた関数の集まりであり、カーネル自体のコードとリンクされカーネルの一部となる。これらの関数は、ユーザープロセスがシステムコールにより要求を出したとき、カーネルによって呼び出される。デバイスドライバを作成する上で用いるプログラムインターフェイス（カーネルサポート関数）は、通常のアプリケーションプログラムのインターフェイスとは異なる関数群を用い、標準のライブラリ関数は用いることができない。その詳細については参

考文献[10]に記されているが、ハードウェア操作の基礎となるinとout、iop erm

(21)

Chapter 4.プログラム開発

inb() Read a byte from a port. #include <asm/io.h>

inline unsigned int inb(unsigned short port) Argument:

port Port to read byte from. Returns:

The byte is returned in the low byte of the 32-bit integer.

outb() Writes a byte to a port. #include <asm/io.h>

inline void outb(char value, unsigned short port) Argument:

value The byte to write. port Port to write byte to.

図4.1: inb、outbカーネルサポート関数

図4.1は、参考文献[10]からカーネルサポート関数inとoutについての部分を引

用したものだが、これを利用することでハードウェアのI/Oレジスタにアクセス

することができる。関数inは、引数portにより指定したI/Oレジスタからデータ

を読み込み、そのデータを返す。関数outは逆に、引数p ortにより指定したI/O

レジスタへ、引数valueを書き込む。アクセスする際、バイト単位のアクセスには

inbとoutb、ワード単位のアクセスにはinwとoutw、ロングワード単位のアクセ

スにはinlとoutlを用いる。

ハードウェアは通常カーネルがデバイスドライバを通じコントロールされるが、

Linuxでは、iop ermというシステムライブラリが用意されており、ユーザープロ

セスからもコントロールすることができる。図4.2はオンラインマニュアルからの

引用であるが、iop ermはユーザープロセスからハードウェアのI/Oポートを直接

コントロールするために、プロセスが使うI/Oポートをカーネルに宣言し、許可

を得るというものである。iop ermの1番目の引数fromは、I/Oポートのアドレ

ス、2番目の引数は、1番目の引数で指定したポートからいくつ（num Byte）許

可を得るのかを指定し、3番目の引数は、指定したポートを獲得するか、返却する

かの指定である。iop ermにより使用の許可を得ることができるI/Oポートは、シ

(22)

4.1. CAMACデバイスドライバ・ライブラリ

NAME

ioperm - set port input/output permissions SYNOPSIS

#include <unistd.h>

int ioperm(unsigned long from, unsigned long num, int turn_on);

RETURN VALUE

On success, zero is returned.

On error, -1 is returned, and errno is set appropriately. CONFORMING TO

ioperm is Linux specific.

図4.2: iop ermオンラインマニュアル

可を得ることができたらカーネルサポート関数inとoutを使ってハードウェアの

I/Oレジスタにアクセスすることができる。また、iop ermの使用はスーパユーザ

（ro ot）のみに限定される。 CAMACデバイスドライバ構成する関数群は、カーネルが呼び出すエントリポイントと呼ばれる関数とドライバ内部でローカルに用いる関数とに分けることができる。まず、エントリポイントの処理をみていく。括弧内は、その中の各処理を行うカーネルサポート関数である。 cc init() initエントリポイントは、システムがブートされたときに直ちにカーネルが呼び出す。このとき、CAMACデバイスファイル（/dev/cc0）のメ

ジャーナンバーの登録（register chrdev()）とCAMACインターフェイ

スが使うI/Oスペースを確保（request region()）する。

cc open()

op enエントリポイントは、ユーザープロセスがCAMACデバイスファイ

ルに対してop enシステムコールを実行したときに、カーネルが呼び出す。

このとき、割り込み線（IRQ）、DMAチャンネルを確保（request irq(),

request dma()）し、ハードウェアのリセットを行う。 cc read()

(23)

ルに対してreadシステムコールを実行したときに、カーネルが呼び出す。こ

のとき、DMA機構を使ってCAMACからデータを128KBまでの任意のブ

ロックで読み込む。ここでの処理は次のようになる。

1. DMAコントローラの設定をする。この処理は、cc setup dma()と名

付けたローカルな関数にまとめており、処理の流れは後に示す。

2. Model 2927のコントロールステイタスレジスタのGO bitをセットす

る。これによりDMA動作が開始される。

3. DMA動作の終了を待つ。終了はコントロールステイタスレジスタの

DONEbitにより知らされるので、DONEbitをポーリングにより監視

する。 4. DMAが終了したら、バッファメモリ内に読み込まれたデータを、ユーザープロセスのメモリ空間にコピーする（memcpy tofs()）。 5. Return。 cc write() writeエントリポイントは、ユーザープロセスがCAMACデバイスファイルに対してwriteシステムコールを実行したときに、カーネルが呼び出す。このとき、DMA機構を使ってCAMACへデータを128KBまでの任意のブロックで書き込む。ここでの処理は次のようになる。 1. ユーザープロセスのメモリ空間にあるデータをバッファメモリ内にコピーする（memcpy fromfs()）。 2. DMAコントローラの設定をする。 3. Model 2927のコントロールステイタスレジスタのGO bitをセットする。 4. DMA動作の終了を待つ。 5. DMA動作が終了したらReturn。 cc ioctl() io ctlエントリポイントは、ユーザープロセスがCAMACデバイスファイルに対してio ctlシステムコールを実行したときに、カーネルが呼び出す。ここでは、Mo del 2927のレジスタを操作し、CAMACをコントロールする処理のほとんどと割り込み処理を行っており、CAMACライブラリの処理と対応する。処理はio ctlの引数cmdによりスイッチする。引数のリストはイ

(24)

4.1. CAMACデバイスドライバ・ライブラリ

引数cmd 処理

CCIOC RESET Model 2927 インターフェイスをリセット CCIOC SET CRATE クレートナンバーのセット

CCIOC ENABLE LAM Enable LAM CCIOC DISABLE LAM Disable LAM CCIOC WAIT LAM Wait LAM

CCIOC SINGLE CAMACシングルアクション CCIOC SETUP DMA DMA セットアップ

表4.1: io ctl処理ンクルードファイル（cc.h）に定義している。用意した処理を表4.1にまとめる。次に、ドライバ内部で用いる関数の処理をみていく。 cc reset() Model 2927のリセットを行う。 cc interrupt() Model 2927からのインタラプトをハンドリングする（wake up interruptible()）。 cc setup dma()

IBM PC互換機には、2つのIntel 8237 DMAコントローラチップが搭載

されており、8bit転送用に4チャンネル（0∼3）、16bit転送用に4チャンネル（4∼7）、計8チャンネルのDMAチャンネルを持つ。Mo del 2927 は、16bitの転送チャンネルを使用するが、チャンネル4は8bit転送用のコントローラと16bit転送用のコントローラとのカスケード接続に使用されているため、チャンネル5∼7のうちの一つを使用する[2]。DMAコントローラの設定を行うためのインターフェイスが/usr/include/asm/dma.hに定義されているのでこれを用いる。コントローラの設定は次のようになる。設定を行っている最中にインタラプト、DMAの動作が起こらないように、設

定を行う前にこれらを禁止（cli(), disable dma()）し、設定が終ったら

解除（sti(), enable dma()）する[11]。

(25)

2. コントローラのフリップフロップをクリア（clear dma ff()）

3. バッファメモリの先頭アドレスをセット（set dma add()）

4. データのサイズをセット（set dma count()）

5. DMAモードをセット（set dma mode()）

camac single

CAMACのシングルアクション処理を行う。ここでの処理は次のようにな

る[2]。

1. CAMACNAFコードをNAFレジスタにセットする。

2. NAFコードのセット完了を待つ。完了はコントロールステイタスレジ

スタのDONE bitにより知らされるので、DONE bitをポーリングに

より監視する。 3. 転送モード（24bitモードか16bit）の設定する。 4. Writeファンクションならばデータをデータレジスタにセットする。 5. コントロールステイタスレジスタのGO bitをセットする。これによりシングルアクションが開始される。 6. シングルアクション動作の完了を待つ。 7. READファンクションならば、データレジスタよりデータを読み込む。

(26)

4.1. CAMACデバイスドライバ・ライブラリ 4.1.2 CAMACライブラリ CAMACライブラリはデバイスドライバとユーザープログラムとのインターフェースであり、その仕様はこれまでにKEKにおいて、各種コンピュータ用に開発されているCAMACライブラリ（CAMLIB）と互換性を持つようにした[16]。そのため、ハードウェアに対する依存性をCAMACライブラリが吸収し、これまで他のコンピュータ上でCAMLIBを使って開発したデータ収集プログラムを PC-UNIX上に移植することができる。PC-UNIX上でサポートするファンクションを表4.2にまとめた。KEKリスト処理、Kineticリスト処理ついては、今回開発を行っていない。 Function Contents SETUP

CAMOPN Op en CAMACdevice CAMCLS Close CAMACdevice CGENC Initialize CAMACmo dules CGENZ Clear CAMACmo dules

CSETI Settingthe CAMACdataway inhebit CREMI Resettingthe CAMAC dataway inhibit CSETCR Settingcurrentcrate numb er

Single Action

CAMAC CAMACSingle DataTransfer with 24bit width CAMACW CAMACSingle DataTransfer with 16bit width Block Action

CDMAL CAMACBlo ckData Transfer with 24 bit width CDMAW CAMACBlo ckData Transfer with 16 bit width InterruptHandling

CELAM Enable LAM Interrupt CDLAM Disable LAM Interrupt CWLAM Wait for anLAM Interrupt

(27)

ユーザープログラム

データ収集ライブラリ（ CAMLIB ）

Device SETUP System Call CAMAC Initialize

Interrupt Handling

CAMAC Block Action (16Bit, 24Bit) CAMAC Single Action(16Bit, 24Bit)

ioperm

Linux Kernel

ＣＡＭＡＣ I/O access

デバイスドライバ via ISA Bus

open ioctl read release write IBM PC/CAMAC IF Model 2927 ＣＡＭＡＣ Crate Contoller Model 3922 図4.3: CAMACデバイスドライバ・ライブラリ 4.2 ACC

プログラム開発環境

Mo del 3976 CAMAC ACCを動作させるプログラムを開発するための環境は、 KineticSystems社から提供されているが、非常に高価であるため、誰もが気軽に利用することができない。そこで、誰もが利用することができる開発環境を整備した。 CAMAC ACCのプログラム開発は、C言語を用いて行うことにした。そのため、C言語で書かれたソースコードを、ACCが実行できる形式にコンパイルするコンパイラが必要である。そのコンパイラにはGNUプロジェクトによって開発されたCコンパイラgccとリンカldを利用する。これらはGNUパブリックライセンスにしたがって配布されており、インターネットなどを通じて、誰もが自由に入

(28)

4.2. ACCプログラム開発環境

手することができる。gccとldをM68030プロセッサーのマシン語コードにコン

パイルするクロスコンパイラとして、データ収集を行うホストコンピュータ上にイ

ンストールする。GNUプロジェクトが供給するgcc、ldは非常に移植性が高く、

ほとんどのUNIXにインストールすることが可能であり、Linux、SunOS、

UL-TRIX、HP-UX、IRIX、のUNIX OSでgcc、ldをクロスコンパイラとしてイン

ストールすることができることを確認している。 ACCにデータ収集を行わせるプログラムを作成する際の便宜を図り、ACC用のデータ収集ライブラリ（ACC CAMLIB）を用意した。このデータ収集ライブラリもKEKにおいて開発されたCAMLIBと互換性を持っている[16]。また、データ転送の処理のみを行うデファイン文によるマクロ定義ファンクションも用意した。ACC上でサポートするファンクションを表4.3にまとめた。 Function Contents Single Action

CAMAC CAMACSingle DataTransfer with 24bit width CAMACW CAMACSingle DataTransfer with 16bit width InterruptHandling

CELAM Enable LAM Interrupt CDLAM Disable LAM Interrupt CWLAM Wait for anLAM Interrupt Macro Function

CAM WRITE Write aData CAM READ Read a Data CAM CTL Control op eration

表4.3: ACCがサポートするCAMACFunction

ACCのデータ収集プログラムをコンパイルする手順は、まずソースコードを gccを使って、オブジェクトファイルに変換する。次にそのオブジェクトファイルとACC CAMLIBをリンカldをつかって結合し実行ファイル形式に変換する。変換する際、このようにgcc、リンカldと手順を踏むことにより、単純な形式の実行ファイルを作成することができる。この実行ファイルをodコマンドを用いてマシン語コードで分析してみると、最初はヘッダ部でその後、0（NULL）が並ぶ。そして、4KByte以降にプログラムの動作が記述されている68030マシン語コードが並んでいることが分かった。にはプログラムの動作が記述されている部分の

(29)

・Host Computer ・CAMAC

ACC CC ACC Program ACC CAMLIB

gcc Cross Compiler Program Area

Any OS ( Linux, SunOS, etc...) Down Load 図 4.4: CAMACACCプログラム開発環境みをダウンロードし実行させると良い。そこで、この実行ファイルを読み、プログラムの動作が記述されている部分を抜き出し、その部分をCAMACバスを経由してACCのメモリ上へダウンロードするダウンローダープログラムを開発した。 4.3

データ収集プログラム開発

本システムではACCとcolectorプロセスとで処理を分散してデータ収集を行うため、これらの間でデータ収集、コミュニケーションがスムースに行われるように、ACCのユーザメモリ領域のメモリマップとコミュニケーションレジスタを設定し、ACCをコントロールするためのACC-UNIDAQライブラリを開発した。 4.3.1 ACCメモリマップ表4.4に示すように、1MByteの領域があるACCのメモリをコミュニケーションエリア、バッファーエリア、プログラムエリア、スタックエリアの4つに区分した。コミュニケーションエリアは、ACCとcollectorプロセスとの間の情報交換の窓口として用いる。バッファーエリアとして512KByteの領域をとり、ここに収

(30)

4.3. データ収集プログラム開発

集したデータを一時保管するためのバッファーを配置する。バッファーはダブル

バッファー構造とした。プログラムエリアとして256KByteの領域をとり、ここに

ACCのプログラムを配置する。スタックエリアは、プログラムがスタック領域と

して用いる。

Area Memory Address

コミュニケーションエリア 0x208000 {0x20FFFF バッファーエリア (512KB) 0x210000 {0x24FFFF (Buer1) 0x250000 {0x28FFFF (Buer2) プログラムエリア (256KB) 0x290000 {0x2EFFFF スタックエリア 0x2f0000 { 0x2FFFFF 表4.4: ACCのメモリマップコミュニケーションエリアには、表4.5に示すように、Control Command、

ACC Status、DAQ Status、Data Semaphoreの4つのコミュニケーションレジ

スタを配置する。これらのレジスタに、ACC、collectorプロセスが取り決められたステイタス情報を交換することでコミュニケーションをとる。 Control Command レジスタ collectorプロセスがACCを制御するためのコマンドをここに書き込む。 ACCはこのコマンドに従って動作を切替える。 ACC Status レジスタ ACCがcollectorプロセスからのコマンドを受け付けたことを知らせるために用いる。collectorプロセスはこのレジスタを読むことで、ACCが正しくコマンドを受け付けたかどうか知ることができる。 DAQ Status レジスタ ACCがcollectorプロセスに対しバッファー読み込み要求を出したときの状態を知らせるために用いる。このレジスタは2つのバッファそれぞれに設置している。 Data Semaphore レジスタバッファーが使用されているかどうかを示すレジスタで、ACCによりセットされ、collectorプロセスによりクリアされる。

(31)

RegisterName (Memory Address) Value

ControlCommand (0x208000) 1:Resume 2:Pause 3:End

ACCStatus (0x208010) 1:Resume 2:Pause 3:End

DAQStatus on Buer1,Buer2 (0x208020, 0x208024) 1:Spill o 2:Buerfull 3:NoLAM 0:Execution

DataSemaphore onBuer1, Buer2 (0x208030, 0x208034) 1:Buer in use 0:Buerfree

表 4.5: コミュニケーションレジスタの構成 4.3.2 ACC-UNIDAQライブラリ ACCを容易にコントロールするため開発したACC-UNIDAQライブラリの関数を以下に示す。これら関数を用いてcollectorプロセスのユーザープログラムを作成しACCをコントロールする。 ACC INT

Syntax: ACC INIT(int n) Description:

ACCのステーションナンバーをライブラリ全体に対して設定し、

ACCをイニシャライズする。

Arguments: n;ACCが配置されているステーションナンバー Rerurn value: success =0

Enable ACC LAM

Syntax: Enable ACCLAM()

Descliption: ACCのLAMをイネーブルにする。 Arguments:

Return value: success=0 ACC LOAD

Syntax: ACC LOAD(char*lename, long start address) Description:

(32)

4.3. データ収集プログラム開発 lenameで指定されるプログラムをACCのメモリ上へダウンロードする。 Arguments: *lename; ACCへダウンロードするプログラム名。 start address; プログラムを配置する場所の先頭アドレス。 Return value: success=0

ACC START

syntax: ACC START(longstart address)

Description: ACCにダウンロードしたプログラムをスタートさせる。 Arguments: start address; スタートさせるプログラムの先頭アドレス。 Return value: success=0

ACC WAIT LAM

Syntax: ACC WAIT LAM(long timeout) Description:

timeoutで指定した期間、ACCのLAMを待つ。

指定した期間が過ぎると、LAMが無くてもwakeupする。

Arguments: timeout; タイムアウト期間（単位 sec) Return value: 割り込みあり=0、割り込みなし=timeout ACC GET BUF

Syntax: ACC GET BUF(int *buer,long start address,long bu en) Description:

ACCのRAMから、bu enで指定した大きさのデータをブロック転送

によりbuerに取り込む。 Arguments:

*buer; バッファー。

start address; 取り込むデータの先頭アドレス。 bu en; 取り込むデータの大きさ。

Return value: success=0 ACC READ COMREG

Syntax: ACC READ COMREG (long address, int *retdata) Discreption: コミュニケーションレジスタのデータを読み込む。 Arguments:

(33)

*retdata; 読み込まれたデータ Return value: success=0 ACC WRITE COMREG

Syntax: ACC WRITE COMREG(long address,int *data) Discreption: コミュニケーションレジスタへデータを書き込む。 Arguments:

address; コミュニケーションレジスタアドレス *data; 書き込むデータ

Return value: success=0

4.3.3 ACCとUNIDAQプログラム

ACCとUNIDAQのcollectorプロセスのデータ収集プログラムを見て行く。図 4.5にACCとUNIDAQcollectorプロセスのプログラムフローとコミュニケーショ

ンの様子を示す。 collectorプロセスには動作をコントロールするコマンドが設けてあり、そのコマンドに対する動作をユーザー各自で実験の用途、測定系に合わせてプログラムすることができる。コマンドは4つあり、システムの初期化を行わせるb egin、データ収集を開始させるresume、データ収集を一時停止させるpause、データ収集を終了させるendコマンドである。ACC側もこれらのコマンドに対応した動作をするようにプログラムを行った。

b eginコマンドを発行するとcollectorプロセスはまずCAMACクレートの初

期化を行う。その後、ACCプログラムをプログラムエリアにダウンロードし、

ACCを動作させるCAMACファンクションF(25)を発行する。ACCはこれを受

け付けるとプログラムがスタートし、collectorプロセスからのコマンドを待つ状

態になる。

resumeコマンドを発行するとcollectorプロセスはACCに対しデータ収集開始

コマンドを発行する。その後、ACC、collectorプロセスはそれぞれresumeルー

チンを開始する。ACCのresumeルーチンは次にようになる。2つのバッファーのうちデータが書き込める状態にあるバッファーをゲットする。バッファーの状態はデータセマフォにより判断する。そして、モジュールからデータを収集しバッファーに保管していく。バッファーがいっぱいになると、collectorプロセスに対し割り込みをかけバッファーに保管されているデータを読み出すように要求する。これと同時にACCはもう一つのバッファーをゲットしデータ収集を続ける。バッファーをダブルバッファー構造にしたことで、連続的にデータ収集を続けること

(34)

4.3. データ収集プログラム開発

ができる。collectorプロセスのresumeルーチンは次のようになる。まず、ACC

が割り込みをかけるまでsleep状態で待つ。そして、割り込みがかかるとwaikup

しACC、DAQステイタスを読みACCが正常に動作しているか確認する。正常

であれば、2つのバッファーのうち、データを読み込める状態にあるバッファーからデータをDMAによるブロック転送を使って読み込む。読み込んだデータは NOVAのバッファーへ転送される。これが終了すると再びACCの割り込み信号を待つ状態に戻り一連の動作を繰り返す。そして、endコマンドが発行されるまでデータ収集を続ける。データ収集はpauseコマンドにより一時停止させることができ、再開するときは resumeコマンドを発行する。 ACCとcollectorプロセスとでデータ収集を進めて行くうえでこのプログラムが

基本となる。ユーザー各自は、その用途にあわせてACC上のDAQroutineの部分

を作成するだけでよい。このDAQ routineの部分もACCCAMLIBを使うことで

(35)

end routine Buffer Full DAQ routine

LAM Interrupt

Command, ACC status, DAQ status DATA semaphore

Transfer Data to NOVA LAM Memory Address 0x290000 0x2F0000 0x2FFFFF 0x208000 0x210000 resume routine pause routine

Download ACC Program

ACC starts

Issue resume command

Wait ACC's LAM

Read ACC,DAQ status

Read ACC's Buffer

Issue Pause Command

Read ACC status

Issue End Command

Read ACC status

Close CAMAC Test Command

Get Buffer

Return Test Command

ACC stops

Initialize CAMAC

Buf 1

Return Test Command Buf 2 Communication Area Double Buffer Buffer Area (512KB) Program Area (256KB) Stack Area begin resume pause end

ＡＣＣ

UNIDAQ (collector)

図 4.5: ACCとUNIDAQ間のデータフロー

(36)

第

5

章

システムの性能

本データ収集システムを評価するため、DAQBENCH評価プログラムによるテスト、CAMACライブラリ関数の処理に要する時間の測定を行った。本章では、その結果について述べる。 5.1 DAQBENCH 本データ収集システムのホストコンピュータであるPC-UNIXの性能を DAQBENCH[21]というベンチマークプログラムを用いて評価を行った。 DAQBENCHはKEKより提唱されているベンチマークプログラムで、データ収集に必要とされるパラメータを設定し、それに基づいてコンピュータを評価する。評価を行ったパラメータは、コピー性能、プロセス間通信、UNIDAQバッファーマネージャのラウンドトリップ時間で、その結果を、表5.1に示す。また比較のために、現在データ収集システムに用いられているUNIXワークステーションHP743rt、FORCE CPU-5CEのデータも示している。HP743rtのデータは文献[29]を参照した。また、PC-UNIXとHP743rt、CPU-5CEの仕様を表5.2に示す。HP743rtはHP社製のVMEボードコンピュータで、OSにはリアルタイムOSであるLynxOSをベースとしたHP-RTが使用されており、コンテクストスイッチ、割り込みに対する処理時間がある一定期間内に終ることを保証している。HP743rtを使用したシステムのデータ収集性能は高く評価されている[18]。 CPU05CEはFORCE社製のVMEボードコンピュータで、OSには標準UNIX

であるSunOSが使用されている。

PC-UNIXの性能をここに挙げるUNIXワークステーションと比較してみると、

UNIXワークステーションに対し、全体的にみて優れており、特にmemcpy()、

(37)

Chapter 5.システムの性能

Computer GATEWAY HP743rt CPU-5CE Data Transfer Speed

memcpy() 40 MB/s 29 25 strcpy() 16 MB/s 15 19 for-lo op 40 MB/s 23 19 InterPro cess Communication

ContextSwitch 3.5 sec 10 88 Semaphore 5 sec 10 96

Signal 29sec 29 137

Pip e(overhead) 37MB/s (4 sec) 32 (12) | FIFO(overhead) 38MB/s (4 sec) 32 (12) 11 (79) MessageQue(overhead) 27MB/s (4 sec) 14 (16) 14 (62) So cketINET(overhead) 11 MB/s (13 sec) 33 (30) | So cketUNIXDomain(overhead) 23 MB/s (18 sec) 5(53) | Buer Manager Round-trip

Collector 242 sec 294 892 Collector+Analyzer 467 sec 698 1943 Collector+2Analyzers 798 sec 1248 3107 Collector+3Analyzers 1164 sec 2064 4358 Collector+CPUConsumerPro cess 395 sec 441 1368 Collector+IOConsumerPro cess 1321 sec 376 8357

表5.1: DAQ Benchによる性能評価

Computer GATEWAY HP743rt CPU-5CE CPU Pentium PA7100LC microSPARC CPU Clock 150MHz 64MHz 85MHz Op erating System Linux 2.0.0 HP-RT2.02 SunOS4.1.2

Main Memory 64MB 32MB 32MB

(38)

5.2. CAMACライブラリの性能の処理時間が短いことがわかった。コンテクストスイッチは、OSの性能を示す重要なパラメータでありLinuxの性能がいかに優れているかわかる。また、バッファマネージャはデータ収集の核であり、この処理がUNIXワークステーションより早く行われているということは、PC-UNIXがデータ収集システムのホストコンピュータとして十分に実用になる性能を持っているということを示している。 5.2 CAMAC

ライブラリの性能

データ収集効率に直接関係してくるCAMACライブラリ関数の処理時間を

PC-UNIXとACCそれぞれについて測定した。測定を行ったライブラリ関数は、

CA-MACシングルアクション関数（CAMACW, CAMAC）、CAMACブロックア

クション関数（CDMAW）、CAMACからの割り込み（LAM）を処理する関数

（CWTLAM）である。以下それぞれについて測定方法とその結果を示す。また比

較のためにUNIXワークステーションHP743rt、CPU-5CEを用いたシステムの

データも示す。HP743rtのデータは、文献[29]を参照した。

5.2.1 CAMACシングルアクション

まず、CAMACシングルアクション関数であるが、この関数はファンクショ

ンを発行しCAMACモジュールに対して16bitまたは24bitの幅を持った1つの

データの読み込み（READ）、書き込み（WRITE）、それから、コントロールを

行う。コントロールの際はデータのやり取りは行わない（Non Data Transfer）。

これら3つの処理について測定を行った。また、READ、WRITEは16bit、

24bitモードそれぞれについて測定を行った。 PC-UNIXの測定方法はシングルアクション関数をプログラムループにより5000 回呼び出し、そのループの前後でシステムタイムを取得しその差分から1回の処理に要した時間を割出す。システムタイムの取得には、gettimeofday()システムライブラリ関数を用いた。この関数を用いることによりsec単位で測定することができる。この方法で10000個のデータを貯めその統計と平均値を解析ツールPAW で求める。 ACCの測定方法は、測定するシングルアクション関数の前後にアウトプットレジスタへデータを書き込み、そこから出力される信号をオシロスコープで観測して行う。ACCは、マクロ定義によるファンクションのデータである。結果を表5.3に示す。また、データの統計を図5.1に示す。図5.1では、処理時間のバラツキを顕著化するため頻度のスケールをスケールとしている。

(39)

PC-UNIXのシングルアクションの処理時間は、READ、WRITE共に16bit

モードで15sec、24bitモードで17sec、NDTは12secであった。ACCは、 24bitモード、16bitモード共にREADで4.6sec、WRITEで2.4secとなっ

た。これより、シングルアクションによるデータ転送能力は、PC-UNIXが

READ、WRITE共に130KB/sec、ACCが、READで430KB/sec、WRITE

で830KB/secとなる。

Computer READ sec WRITE sec NDT sec (16bit / 24bit) (16bit / 24bit)

ACC 4.6 2.4 2.0 PC-UNIX 15/17 15/ 17 12 HP-743rt 22(24bit) 20 (24bit) 15 CPU-5CE 105 / 106 104 / 106 92

表5.3: CAMACシングルアクション関数の性能

PC-UNIX Single Action (READ 16-bit)

1 10 102 103 104 0 5 10 15 20 25 30 ID Entries Mean RMS 100 7000 15.08 0.1056

PC-UNIX Single Action (WRITE 16-bit)

1 10 102 103 104 0 5 10 15 20 25 30 ID Entries Mean RMS 101 7000 15.09 0.8791E-01

PC-UNIX Single Action (Non Data Transfer)

1 10 102 103 104 0 5 10 15 20 25 30 ID Entries Mean RMS 102 7000 12.68 0.8062E-01 図 5.1: PC-UNIX シングルアクションデータの統計

PC-UNIXの16bitモード、24bitモードによるの処理時間の差は、Model 2927

インターフェイスのデータレジスタは16bitであり、16bitモードではでーたの

(40)

5.2. CAMACライブラリの性能

めである。それに対してACCは、データレジスタが32bitであるため、16bit、

24bitのモードによる差はないが、READとWRITEと比較した場合、READは CAMACバスのサイクルを待つ時間が加わるため、約2sec程遅くなる。 PC-UNIXではシングルアクションの動作完了を待っておりCAMACバスのサイクル時間はここで吸収される。 PC-UNIXの性能は、その性能を高く評価されているHP743rtを凌ぐものであり、非常に良い結果が得られた。統計データをみてもバラツキはほとんど見られない。

ACCは直接CAMACバスにアクセスできるため、コンピュータI/Oの時間ロ

スがほとんどない。また、ACCに搭載される68EC030プロセッサは40MHzで動作しており十分な処理スピードを確保している。そのため、非常に高速なデータ転送を行うことができ、そのスピードはCAMACバスのサイクルである1secに迫るものがある。PC-UNIXとの比較して、その処理時間は、READで約3分の 1、WRITEで約5分の1である。 5.2.2 CAMACブロックアクション次に、CAMACブロックアクション関数であるが、この関数はファンクションを連続的に発行し、任意のブロックサイズでデータの読み込み（READ）、書き込み（WRITE）を行う。それに伴うデータ転送はDMA機構を用いて行うため、

CPUを消費することなく高速なデータ転送を可能としている。READ、WRITE

それぞれについて測定を行った。

測定は、CAMACブロックアクション関数を呼び出しデータを100Byte∼

100KByteまで変化させながら転送を行い、呼び出しの前後でシステムタイムを取

得し処理時間を測定する。これを50回繰り返しデータを貯めグラフ上にプロット

する。プロットしたデータから近似直線を求め、これよりオーバヘッドと転送速度

Computer READ KByte/sec WRITEKByte/sec (overhead sec) (overheadsec) PC-UNIX 530 (30) 530 (30)

HP-743rt 920 (95) 850 (95) CPU-5CE 650 ({) 650 ({)

(41)

を求める。

結果を表5.4に示す。この結果は図5.2に示す近似直線より求めたもので、

PC-UNIXのブロックアクションによる転送速度は、READ、WRITE共に 530KByte/sec、またオーバヘッドが約30secである。またその特性は非常にリニ

アであることがわかる。他のUNIXワークステーションの性能と比較すると転送

速度で劣っているが、これはUNIXワークステーションではCAMACインタフェ

イスにVMEバスを介するKyneticSystems社のModel 2917を使用しており、こ

の違いによるものであると考える。また、ACCのデータ収集能力（READ）よ

り、ブロックアクションREADのほうが速いので、ACCの能力を十分に引き出

せることがわかった。

Block Action Speed (READ)

y = 1.9x + 0.03 R2 = 1 0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 Data Size [KB] Transfer Time [ms ]

Block Action Speed (WRITE)

y = 1.9x + 0.03 R2_{= 1} 0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 Data Size [KB] Transfer [size ] 図 5.2: CAMACブロックアクションスピード

(42)

5.2. CAMACライブラリの性能 5.2.3 CAMAC割り込み処理最後に、CAMACからの割り込みを処理する関数であるが、割り込みに対する応答時間を測定した。測定は、応答時間を統計的に測るため図5.3のような回路をCAMAC上に組み、次のような手順のプログラムで行った[19]。また、PC-UNIXについては3つの環境下で測定を行った。その環境は、1.ネットワークとXウインドウシステムが動作するごく普通の環境下、2.ディスクに頻繁にアクセスするプロセスを実行しシステムにI/O負荷をかけた環境下、3.計算プロセスを実行しシステムにCPU負荷をかけた環境下である。2.と3.のプロセス実行に用いるプログラムを図5.4に示す。 CAMAC O I ● ● U N 1MHz S K T T C Clock C 3 R R L A 9 E E O L 2 G G C E 2 IIBBMM PPCC 1● ● K R Compatibles 2● ● 100msec Gate Delay GATE GENERATER START STOP 図5.3: 割り込み応答時間測定のための回路構成 1. スケーラをクリアする。 2. アウトプットレジスタ1にデータを書き込み、割り込み信号パルスを作る。（このパルスはディレイモジュールで100msec遅らせて、インタラプトレジスタ、ゲートジェネレータのスタートに入力される。パルスが入力されると、割り込みが発生し、それと同時にスケーラでカウントが始まる。） 3. インタラプトレジスタからの割り込みを待つ。このとき、PC-UNIXはスリープ状態で待つが、ACCは割り込みを知らせるレジスタをポーリングしながら待っている。