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としなりはまもり
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1 MMU とプロテクション機能を積極的に使った新しい RTOS システム京都マイクロコンピュータ株式会社 1

2 バグの自動検出も可能な新開発環境京都マイクロコンピュータについて設立 CEO 国内拠点海外販売主要製品 1985年山本彰一本社開発拠点京都市西京区東京オフィス港区新橋韓国代理店 Nextech Solutions Co., Ltd インド代理店 Celestial Systems Pvt. Limited JTAGエミュレータ PARTNER-Jet2 GCC コンパイラ exegcc 開発プラットフォーム SOLID 京都マイクロコンピュータ株式会社 2

3 とは京都マイクロコンピュータ株式会社 3

4 プラットフォーム変更のお悩みお使いのプラットフォームベアメタル RTOS 京都マイクロコンピュータ株式会社システム設計大変そうシステムも大型化してきたしアプリも複雑化してきたしそろそろ開発リソース不足も心配プログラミングモデルのパラダイムシフトはリスクできれば RTOS を使い続けたいな検討中プラットフォーム RTOS Linux デバッグ大変そう printf デバッグでやり切れるか? リアルタイム性も確保でマルチ CPU + マルチ OS そんなのうちで作れるのかよ? 4

5 組込みソフトウエア開発の普遍的なお悩み納期どおりに開発する品質を確保する快適な操作性出来るだけ安価にこれらを実現するための開発環境として生まれたのが SOLID 開発プラットフォームです京都マイクロコンピュータ株式会社 5

6 とは開発環境と RTOS が一体化提供される組み込み向けソフトウェア開発プラットフォーム SOLID-IDE VisualStudio ベースの IDE GCC/Clang コンパイラベースのツールチェイン KMC が創業以来培ってきたデバッガ SOLID-OS リアルタイム OS(TOPPERS カーネル ) Arm プロセッサに対応した専用ランタイムライブラリこれを一つ用意するだけで開発がスタートできる優れモノ京都マイクロコンピュータ株式会社 6

7 ここが新しい! SOLID-OS TOPPERS/ASP3, FMP デバッグ支援, ミドルウェア LLVM/Clang コンパイラ京都マイクロコンピュータ株式会社ツールをパッケージ化した統合開発環境従来は SOLID-IDE (Visual Studio ベース ) デバッガ JTAG/ デバッグモニタ 7

8 連携というよりむしろ各々のツールが専用設計されている RTOS実装とコンパイラの専用化 RTOS実装とデバッガの専用化コンパイラとデバッガの専用化 IDEを RTOS,コンパイラ,デバッガに合わせて専用化組み合わせを限定することで使う側には一体専用設計によるメリットが大きく享受されるそんな開発プラットフォームが SOLID です京都マイクロコンピュータ株式会社 8

9 本日の三つのポイント RTOS なのに MMU によるプロテクションが簡単!! RTOS なのにファイルからの実行が簡単 RTOS なのにリッチなデバッグ開発環境京都マイクロコンピュータ株式会社 9

10 RTOS なのに MMU によるプロテクションが簡単!! SOLID-OS での MMU 対応について京都マイクロコンピュータ株式会社 10

11 従来の多くの開発案件では Cortex-AでRTOSを使うとき MMUはキャッシュオンデータキャッシュ有効化のためにだけ使っていませんか Linuxなどの高級OSを使う場合はそれらのシステムがMMUを高機能に使ってくれるがそうでない場合極端にMMUを有効活用していないのが多いのでは京都マイクロコンピュータ株式会社 11

12 MMUを積極的に使うにはおそらくMMUを使うための設定のプログラムなどがなかなか面倒だったのでは SOLIDが解決しますさっきから同じ事しつこいですよねただこれがSOLID作る大きなきっかけの一つなのでメモリマップエディタによる簡単な設定で仮想アドレスを有効化 MMU周りのAPIを整備して提供京都マイクロコンピュータ株式会社 12

13 メモリマップエディタで設定した例物理アドレスマップ論理アドレスマップ京都マイクロコンピュータ株式会社 13

14 メモリマップエディタで設定した例周辺レジスタの領域はプログラム開発しやすいよう論物一致で設定同じアドレスのバッファを異なるアドレスでキャッシュオンとキャッシュオフで割り付け京都マイクロコンピュータ株式会社 14

15 MMU 関連 API の例メモリマップエディタで設定すると自動的に設定テーブルが生成され実行時に初期化されるがそれだけでなく後からプログラム中で API を使って MMU を制御する事も出来ます物理アドレスの論理割り当て解放関連 SOLID_MEM_Map, SOLID_MEM_Unmap, I/O 領域の論理割り当て解放関連 SOLID_MEM_AllocIO, SOLID_MEM_FreeIO, 論理アドレス管理関連 SOLID_MEM_IsValid, SOLID_MEM_VA2PA, SOLID_MEM_SetAttr, キャッシュコントロール関連 SOLID_MEM_CACHE_Invalidate, SOLID_MEM_CACHE_Clean, 詳しくは以下のドキュメントで京都マイクロコンピュータ株式会社 15

16 では SOLID は Linux なのか?? SOLID では MMU を簡単に積極的に使うために割り切りをした割り切って出来なくしたことユーザーモードを使わない全てのプログラムはスーパーバイザーモードで実行したがって割り当てた領域は全てどこからでもアクセス可能基本的にページテーブルを切り替えない Linux ユーザー空間のように同じアドレスで異なるメモリにはしないメモリ空間は単一の一つの空間しか存在しない京都マイクロコンピュータ株式会社 16

17 SOLIDは割り切りのMMUだからメモリ空間が一つしかない同じ論理アドレスは同じメモリ実行レベルは常に一つどこからでもどこのメモリをアクセス可能すなわち今までのRTOSでのプログラムでのメモリアクセスとなんら変わらない!! プログラム中で新しく学習する必要があまりないいままでのプログラムを効率よく移植して実行が可能京都マイクロコンピュータ株式会社 17

18 MMU を積極的に使うとメモリプロテクションを使った効率よい開発 0 番地などはメモリを割り当てない実行メモリなどは書き換え不能に設定 SOLID では開発環境のリンカスクリプトと SOLID-OS の連携で各セクションのメモリアクセス権を自動設定します物理的なメモリを効率よく利用 SOLID では 4K ページを採用することで効率よくメモリ割り当てをします論理アドレスが離れていてもその隙間に物理メモリを割り当てる必要はありません ELF ローダーの利用 SOLID の ELF ローダーは MMU で論理アドレスが使える事を前提に動作しますサブモジュールは論理アドレス固定で作成することで実行効率をよくしています論理アドレス固定でも隙間に物理メモリを割り当てないのでメモリ利用効率に優れます京都マイクロコンピュータ株式会社 18

19 SOLID での MMU 関係の注意点通常のプログラムでは特に意識する必要はないが DMA の場合は以下の注意が必要 DMA コントローラには物理アドレスを渡す必要がある専用 API でアドレスを取得すれば良い DMA 前後に適切にキャッシュメンテナンスが必要これは今までも同じだが専用 API を用意しているのでそれを利用することこれ以外は MMU を有効にしていても今までと同じ感覚で RTOS プログラムが可能 I/O 領域をアドレス変換した場合その部分は変換して読み替え必要だがアドレス変換しなければこれも必要なし京都マイクロコンピュータ株式会社 19

20 SOLID-OS の MMU による安全な開発コンパイルリンクしたプログラムは各セクション毎に適切に MMUの権限が設定されます.textなど実行可能リード可能ライト不可能.rodataなど実行不可能リード可能ライト不可能.dataや.bssなど実行不可能リードライト可能プログラムバグなどで実行命令などの書き込みからの破壊を即時検出しますタスクのスタック突き抜けを保護します RTOS が生成するタスクスタックを割り当てるとき隣接境界のメモリを割り当てないことでスタックを使いすぎたときに即時に検出します京都マイクロコンピュータ株式会社 20

21 スタック突き抜け検出の様子スタック突き抜け詳細情報 RTOS状態表示のスタック消費量京都マイクロコンピュータ株式会社 21

22 RTOS なのにファイルからの実行が簡単 SOLID ローダーの概要京都マイクロコンピュータ株式会社 22

23 SOLID の複数プログラム対応標準搭載の ELF ローダーの仕組みを使えば分割開発分割ロードが可能分割開発ごとに実行ファイルを生成可能 SOLID の ELF ローダーがメモリを効率的に実行ファイルを展開し実行ローダー機能は特に RTOS(TOPPERS/ASP3, TOPPERS/FMP) に依存せず実装ローダーが存在するからといって RTOS を使ったプログラム方法は変化しない SOLID ローダーの機能はシンボルへのアドレス解決をしているだけ ELF ローダーと RTOS マルチタスクを使えば複数アプリケーションの並列実行のような環境を実現並列実行は必須ではなくシングルタスクでも可能です京都マイクロコンピュータ株式会社 23

24 実行時のイメージ起動直後 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションメモリ空間アプリ 1 ロードアドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 ロードアドレス解決相互呼び出し可能アドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 アドレス解決相互呼び出し可能京都マイクロコンピュータ株式会社 24

25 アプリサイズ変更も問題なし起動直後 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションメモリ空間アプリ 1 ロードアドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 ロードアドレス解決相互呼び出し可能アドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 アドレス解決相互呼び出し可能京都マイクロコンピュータ株式会社 25

26 システム部分のサイズ変更やアプリ開始アドレス変更も問題なし起動直後 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションメモリ空間アプリ 1 ロードアドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 ロードアドレス解決相互呼び出し可能アドレス解決相互呼び出し可能 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 メモリ空間アプリ 2 アドレス解決相互呼び出し可能京都マイクロコンピュータ株式会社 26

27 MMU を使ったメモリ管理で隙間があっても効率的なメモリ利用が可能この隙間には実際にはメモリが存在しないアクセスすると例外発生 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションメモリ空間アプリ 1 アプリ 2 実行する時のメモリ空間は MMU を設定した仮想アドレス空間を利用 SOLID システム + RTOS + システム初期アプリケーションアプリ 1 アプリ 2 物理メモリ空間京都マイクロコンピュータ株式会社 27

28 SOLID ローダーの特長各サブモジュールは固定の論理アドレスでリンク実行時 ( ローディング時 ) にアドレス再配置を行わない実行時には未解決シンボルのみアドレスを解決して設定各サブモジュールの実行アドレスをあらかじめ決めておく必要はあるが実メモリの予約は不要必要なメモリをローディング時に払い出す関数だけでなく変数のアドレスも解決可能複数のサブモジュールをローディング可能アンロードが可能ただしそのモジュールの公開しているシンボルがどのモジュールも利用していない場合に可能実装としてはスタティックリンクの最後の工程を実行時に行っている感じ解決後の命令などはスタティックリンクしたものと同じ京都マイクロコンピュータ株式会社 28

29 ローダー対応に必要な条件 SOLID 開発環境で作成できることツールチェイン ( コンパイラやリンカ ) に専用機能を追加しているので SOLID 開発環境利用が前提 ARM 側プログラムに SOLID コアサービスのうち以下の追加が必須 SOLID ELF ローダ SOLID ARM v7 メモリ管理マネージャ SOLID ファイルシステム抽象化レイヤファイルシステムの実体はシステムやユーザー毎に自由に変更実装が可能 Export シンボルリストテキストファイルにアプリケーションが外部公開するシンボル名を定義すること関数のプロトタイプや変数種別など型情報は必要なくシンボル名称のみをテキストのリストアップマルチタスク機能が必要な場合には RTOS を追加京都マイクロコンピュータ株式会社 29

30 開発やデバッグ SOLID-IDE でアプリケーションプロジェクトを作成してビルド他のアプリケーションのプロジェクトやベースシステムのプロジェクトが無くてもかまわない SOLID-IDE を使ってアプリケーション単体だけをデバッグ可能ベースシステムや他のアプリケーションが ROM などに書き込んである状態で開発しているアプリケーションのみを IDE デバッガからデバッグ可能 ROM などに書いてあるアプリケーションを SOLID-IDE で作成したアプリケーションと置き換えてデバッグ可能京都マイクロコンピュータ株式会社 30

31 SOLID ファイルシステム SOLID ELF ローダ SOLID 標準実装として KMC から提供 SOLID ファイルシステム抽象化レイヤ FAT FS RAM FS ROMFS システムに応じて必要な FS やデバイスに対応して実装 SD CF HDD DDR NOR SPI NOR NAND 京都マイクロコンピュータ株式会社 31

32 SOLID ローダーがある事で可能になることアプリケーション毎の分割開発が可能機能毎に分割したアプリケーションとして開発協力会社と連携して開発するときにアプリケーション分割して開発開発する以外のアプリケーションはソースやオブジェクトなどが無い実行バイナリのみも可能システムや基本アプリケーションを ROM に書いておき協力会社に提供して追加アプリケーションのみ作成してもらうなど MMU 対応なので余裕をもったアドレス割り当てをしても効率的にメモリを利用可能機器の試験用アプリケーションを作成用意しておき試験モード起動などの作成が簡単に京都マイクロコンピュータ株式会社 32

33 ローダーがあると分散開発へ応用開発協力会社がアプリケーション単位でプログラムを分担して開発担当部分以外のソースコード無しで開発を実施京都マイクロコンピュータ株式会社 33

34 ローダーがあると仕向地向け開発への応用ローダーがないとまた自作のローダー的な物を作って対応など SOLID のローダーはアドレス解決の仕組みです関数コールだけでなく変数のアドレス解決も可能すなわちデータをローダーで入れ替える事も可能ので仕向地別のメッセージなどの入れ替えに応用することも可能京都マイクロコンピュータ株式会社 34

35 RTOS なのにリッチなデバッグ開発環境 SOLID ローダーを使った具体的なプログラム京都マイクロコンピュータ株式会社 35

36 代表的な自動バグ検出機能ソースコード静的解析機能を標準搭載追加設定なくビルドの設定さえあれば解析可能 0 除算や不正ポインタアクセスの可能性などを検出アドレスサニタイザによる実行時メモリバグ検出機能 ios アプリ開発環境などで定評のアドレスサニタイザを組み込みで初めて実現バッファオーバーランや解放後のメモリアクセスなど不正アクセスを自動検出京都マイクロコンピュータ株式会社 36

37 静的解析機能実行前のバグ検出が可能デバッグを効率良くしますプログラムの流れを遡って解析し不具合に至るきっかけとなり得る処理を指摘します京都マイクロコンピュータ株式会社 37

38 アドレスサニタイザアドレスサニタイザメモリアクセスバグの自動検出バッファオーバーラン不正ポインタ二重解放など手順はとてもシンプルサニタイザモードでビルド実行するだけですバグを検出する様子を動画で見てみましょう京都マイクロコンピュータ株式会社 38

39 RTOS の状態分析イベントトラッカー ( タスク遷移の解析 ) RTOS のプロセスタスクスレッドなどの遷移表示機能です JTAG エミュレータである PARTNER-Jet2 と連動して動作するのでイベントトラッカーと CPU のリアルタイムトレースを連携させた解析が可能です RTOS の資源表示プログラムをブレークしたときのタスクの状態やスタックの使用量などが一目でわかります京都マイクロコンピュータ株式会社 39

40 イベントトラッカの結果を表示機能が豊富にあるのですがここでは基本的な操作のみ説明します時間軸モジュール名 TID: タスク INT: 割り込み CYC: 周期ハンドラ緑実線 :CPU 実行中黒破線 :CPU 実行可能赤破線 : 待ち状態青四角 : 待ち遷移イベント京都マイクロコンピュータ株式会社 40

41 RTOS の資源表示プログラムをブレークしたときのタスクの状態やスタックの使用量などが一目でわかります京都マイクロコンピュータ株式会社 41

42 SOLID-IDE 標準搭載機能カバレッジ計測機能を標準搭載実行済み非実行コードが一目でわかるパフォーマンスチューニングのポイントが簡単に絞り込める LLVM-Clnag コンパイラの機能を利用しており簡単に使えますソース単位でカバレッジ測定するしないを設定できますサイズプロファイル機能も標準搭載 ROM 化時のサイズ検討等が簡単にできますコンパイル単位で分析セクション単位で分析など生成された ELF ファイルを様々な角度からサイズ分析できます京都マイクロコンピュータ株式会社 42

43 コードカバレッジの機能ソースコード中の各ベーシックブロック単位ごとに実行された回数を記録表示しますソースコード上に実行回数をグラフィカルに表示ソースコード単位のカバレッジサマリーを一覧表示京都マイクロコンピュータ株式会社 43

44 コードカバレッジの使い方 [ 解析 ] 後ビューをカバレッジ -> 関数に切り替える関数単位のサマリ表示関数単位のカバレッジをカウント数の順位で一覧表示関数名でソートすることもできます京都マイクロコンピュータ株式会社 44

45 まとめると京都マイクロコンピュータ株式会社 45

46 本日の三つのポイント RTOS なのに MMU によるプロテクションが簡単!! RTOS なのにファイルからの実行が簡単 RTOS なのにリッチなデバッグ開発環境京都マイクロコンピュータ株式会社 46

47 本日のポイント SOLIDは ITRON以上Linux未満を実現する開発環境従来のプログラムモデルのまま Linuxライクな効率良い開発が可能京都マイクロコンピュータ株式会社 47

48 SOLID の進化京都マイクロコンピュータ株式会社 48

49 SOLID の 64bit 対応 32bit ARM Cortex-A 対応の SOLID シングルコア用マルチコア SMP 用 ARM V8A(Cortex-A53 など ) の 32bit モードも対応すみ 64bit ARM Cortex-A 対応の SOLID ARM V8A の 64bit モードで動作する SOLID を現在開発中 2018/12 ごろに先行提供の予定で作業中京都マイクロコンピュータ株式会社 49

50 Linux と SOLID の混在構成 ( 試作中 ) Linux Non-Secure/EL0,EL1 SOLID-OS Secure/EL1 ATF/EL3 A57 x 4 A53 x 京都マイクロコンピュータ株式会社 50

51 RTOS で CPU を占有する Linux Non-Secure/EL0,EL1 Linux Non-Secure/EL0,EL1 SOLID-OS Xen-VM Non-Secure/EL2 Secure/EL1 ATF/EL3 A57 x 4 A53 x 4 Hypervisor の存在にかかわらず RTSO に専用 CPU を割り当て Linux 系 OS の影響を排除する京都マイクロコンピュータ株式会社 51

52 おわり京都マイクロコンピュータ株式会社 52

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PowerPoint プレゼンテーション R-IN Consortium Forum 2018 ソフトウエアの信頼性向上を支援する RTOS 統合開発プラットフォーム SOLID のご紹介京都マイクロコンピュータについて設立 CEO 国内拠点本社/開発拠点東京オフィス海外販売韓国代理店インド代理店主要製品 1985年山本彰一京都市西京区港区新橋 Nextech Solutions Co., Ltd Celestial