組み込み環境における ユーザレベル・デバイスドライバの検討 （進捗報告） 松原 克弥 株式会社イーゲル 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. これまでの経緯 スレッドの挙動を調査 RTタスク vs Non-RTタスク 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 本活動の背景と目的 ユーザレベルでデバイスドライバを実現したい 開発が容易 ドライバのバグによるシステムダウンを軽減 （ジーピーエルの回避） ユーザレベル・デバドラ実現のためのいくつかの問題 I/Oメモリ、物理メモリへのアクセス 割り込み要求（IRQ）の転送 割り込みへの応答速度 ‥‥ カーネル2.6の新機能 NPTL(Native POSIX Thread Library) スケジューラの改善（O(1)スケジューラ等） カーネルプリエンプション 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 組み込みソフトウェア開発の現状 新しいデバイスのためのドライバ開発が多い アプリケーションが直接デバイス制御 遅延の最小化 デスクトップPCアプリケーションよりもデバイスとアプリケーションが密接に関係 H/W仕様の隠蔽 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. ユーザレベル・デバイスドライバ ユーザ空間でデバイスドライバを実装 期待される効果 豊富なツール・ライブラリの利用（例：ファイル） 開発とデバッグの容易さ システムハングの軽減 アプリケーションとの距離削減 ‥‥ 関連研究 Peter Chubb, “Get more device drivers out of kernel,” OLS2004. 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. デバイスドライバに必要な機能 I/Oメモリへのアクセス レジスタ入出力によるデバイス制御、データ入出力 割り込み受信と処理 物理メモリの確保とアクセス DMA等を用いてメモリへ直接アクセスするデバイスに対して必要 DMAでは、連続物理メモリの確保が必要なことも CPUのロック，リアルタイム アプリケーションへのインタフェース 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

ユーザレベル・デバドラにおける 割り込み受信と処理 ファイルI/Oによる割り込み受信 割り込み番号別のデバイスファイルを用意 上記デバイスファイルへread()をすると、割り込みが起きるまでブロック 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

ユーザレベル・デバドラにおける メモリへのアクセス メモリマップ(mmap)によるI/Oメモリへの直接アクセス /dev/memもしくは専用デバイスファイルをopen(), mmap() 一度mmapしてしまえば、あとはこれまでどおりアクセス 物理メモリは、確保してからmmap 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

ユーザレベル・デバドラにおける アプリケーションへのインタフェース ユーザレベルデバドラでは、アプリケーションと同じユーザ空間に存在できるので、プロセス間通信、共有メモリ等様々なインタフェースを実現可能 アプリケーションとの統合も容易 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

ユーザレベル・デバドラにおける CPUのロック・リアルタイム RTスレッドを使えばある程度強引には‥ これは継続審議で。 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 実装（シリアルドライバ） 実装環境 RTS7751R2D Renesas SH4 SM501 コンパニオンチップ内蔵 UART 8250互換 1バイト入出力とFIFOバッファ入出力の2モード Linux 2.6.13.4 CONFIG_PREEMPT=y Glibc 2.3.3 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 処理内容 割り込み処理 データ受信 送信バッファ空き I/Oメモリアクセス SM501 レジスタ入出力 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. ソフトウェア・アークテクチャ バッファ データ入出力 ユーザレベル UARTデバドラ ターミナル アプリ I/Oメモリマップ・ドライバ 割り込みフック・ドライバ Linuxカーネル SM501 UART 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 割り込みフック・ドライバ static int irqhook_proc_open(struct inode *inop, struct file *filp) { ... request_irq(ipp->irq, irqhook_proc_irq_handler, SA_INTERRUPT, ipp->devname, ipp); } static ssize_t irqhook_proc_read(struct file *filp, char __user *bufp, size_t len, loff_t *ppos) { .... prepare_to_wait(&ipp->q, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE); pending = atomic_read(&ipp->count); if (pending == 0) schedule(); ..... } 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. int iommap_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) { size_t size = vma->vm_end - vma->vm_start; unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT; vma->vm_flags |= VM_RESERVED; vma->vm_flags |= VM_IO; vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot); /* Map each page to users' virtual memory space */ if (io_remap_page_range(vma, vma->vm_start, offset, size, vma->vm_page_prot)) return -EAGAIN; return 0; } 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. UARTドライバ while (1) { .... if (read(fd, &n_pending, sizeof(int) > 0) { if ((status = SM501_UART0_LINESTAT(&iomem)) & 0x01) { do { buffer[count]= SM501_UART0_RXBUFF(&iomem); status = SM501_UART0_LINESTAT(&iomem); count++; if(count >= BUFFER_SIZE){ loop++; count = 0; if(loop >= LOOP_COUNT) goto end; } while((status & 0x01)&&(max_count-- > 0)); } 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 実験 実験を始めたところです‥ シリアル入出力 シリアルデバイスに対して1MBのREAD/WRITEを行ってスループットを測定してみました。 SM501 バイト入出力モードを使用 カーネルドライバは2.6.13.4に同梱のもの ユーザレベル・デバイスドライバはRTタスクとして実行 ユーザレベル・デバイスドライバはシリアル入出力プロセスと一体化 R2DボードとノートPC(TeraTerm)をシリアル・クロスケーブルで接続 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 実験結果 38.4kbps 300bps Read Write User Level DD 29.95kbps 30.68kbps 210.70bps 213.34bps Kernel Level DD 29.69kbps 28.08kbps 232.82bps 232.70bps データサイズ：1MB バッファサイズ： 1KB ボーレート： 300 or 38400 bps 測定値：同一実験を10回行った結果の平均 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 所感 少なくとも、低負荷（じゃまするものがいない）環境では、オーバヘッドは軽微？ 38.4kbpsのときはむしろULDDのほうが速い。 解析する価値あり→これからします。 システム安定性、コーディングやデバッグの容易さ、豊富なユーザランド機能が魅力 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 今後の課題 高負荷環境での挙動 RTタスク / Non-RTタスク PC環境との比較 他デバイスでの評価 カーネルレベルDDとユーザレベルDDの特性を整理 新規性を模索中‥ 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.

IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp. 議論 2006/1/20 IGEL Co.,Ltd. / Renesas Solution Corp.