部内向けスキルアップ研修「組込みOS自作入門」

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

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

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?

メインループ 0.1 秒経過? LED を点滅 1 秒経過? 液晶パネルに時刻表示シリアル受信? ダンプ出力を追加入力コマンドを実行 8.1.1 OS はなぜ必要なのか?

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 8.1.1 OS はなぜ必要なのか?

メインループより呼び出しダンプ処理ダンプ処理中? 前回の状態を復旧して再開データ分繰り返すデータ出力一定回数? データがなくなるまでメインループへ状態を保存メインループへ

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 8.1.1 OS はなぜ必要なのか?

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 8.1.1 OS はなぜ必要なのか?

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

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 8.1.2 タスクとスレッド

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 8.1.2 タスクとスレッド

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 8.1.2 タスクとスレッド

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 8.1.2 タスクとスレッド

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?

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

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

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

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 ) TCB nextポインタ TCB nextポインタ TCB nextポインタ NULL readyque head tail 各種パラメータ各種パラメータ各種パラメータ 8.2 OS の実装

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カレントスレッド TCB nextポインタ TCB nextポインタ TCB nextポインタ NULL NULL 各種パラメータ各種パラメータ各種パラメータ readyque head tail 8.2 OS の実装

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

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 OS ld.scr intr.s startup.s を修正 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

プログラムの実行ブートローダー OS make make image make write 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

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);

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; 割込みハンドラの登録 handlers[type] = handler;

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

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 ER0: 引数 ER1 ER6 開始位置戻り先

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

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 ER0: 引数 ER1 ER6 開始位置戻り先

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);

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); current->syscall.type = type; current->syscall.param = param; asm volatile( trapa #0 ); トラップ割込みを発行 (P.318)

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);

thread_end() (P.305) kz_exit() (P.323) kz_syscall(kz_syscall_type_exit, NULL); (P.318) current->syscall.type = type; current->syscall.param = param; asm volatile( trapa #0 ); トラップ割込みを発行

トラップ命令による割込み割込みベクタ

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; 割込みハンドラの登録 handlers[type] = handler;

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();

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();

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 ER0: 引数 ER1 ER6 開始位置戻り先

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 ER0: 引数 ER1 ER6 開始位置戻り先

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

スレッドを実行 thread_init() (P.306) thp->init.func(thp->init.argc,thp->init.argv); 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

もうひとつのトラップ割込み

syscall_intr() (P.315) syscall_proc(current->syscall.type, current->syscall.param); (P.314) 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(); (P.307) 終了メッセージを表示タスクコントロールブロックをクリア

まとめ OS の仕組み ( スレッド ) スレッドで動作するコマンド応答プログラムの作成 OS の原型が完成!

次回の開催予定 9th ステップ優先度スケジューリング日時 :1 月 15 日 ( 水 )13:00~ 場所 : 技術支援室担当 : 谷口さん

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