オペレーティングシステムJ/K (システムプログラミング)

Presentation on theme: "オペレーティングシステムJ/K (システムプログラミング)"— Presentation transcript:

1 オペレーティングシステムJ/K (システムプログラミング)
2005年11月21日

2 LinuxにおけるAPI: システムコール
もっとも原始的なもの ソフトウェア割り込み0x80番(int 80h) 引数はレジスタに設定する 戻り値はレジスタに設定される 一般的なもの C言語の関数インターフェース APIとして使いやすい、プログラムを読みやすい libcでint 80hインターフェースに変換 libcはUNIXにおける標準ライブラリの通称

3 LinuxにおけるAPI: ライブラリ関数
システムコールをより使いやすくしたもの C言語の関数 システムコールと見かけ上は同じ 標準的なものはlibcに含まれている 標準ライブラリという形で、互換性をもたせたもの プログラムの移植性があがる

4 プログラム例(アセンブラ) バッファを静的に確保 標準入力から読む 標準出力へ書く 終了
segment .bss align=16 class=DATA use32 buf: resb segment .text align=16 class=CODE use32 global _start ; default entry point align 16 _start: mov eax,3 ; read mov ebx,0 ; stdin mov ecx,buf ; address of buffer mov edx,256 ; size of buffer int 0x80 ; system call test eax,eax ; check return status js exit mov edx,eax mov eax,4 ; write mov ebx,1 ; stdout jmp short _start exit: mov eax,1 ; exit mov ebx,0 ; return status end プログラム例(アセンブラ) バッファを静的に確保 標準入力から読む 標準出力へ書く 終了 training]$ vi echo.asm training]$ nasm -f elf echo.asm training]$ ld echo.o -o echo training]$ size echo text data bss dec hex filename f echo training]$ ./echo askdjhaslkdjh training]$

5 CPUは 機械語しかわからない… [sakai@star training]$ objdump -d echo
echo: ファイル形式 elf32-i386 セクション .text の逆アセンブル: <_start>: : b mov $0x3,%eax : bb mov $0x0,%ebx 804808a: b9 c mov $0x80490c0,%ecx 804808f: ba mov $0x100,%edx : cd int $0x80 : c test %eax,%eax : js b3 <exit> 804809a: c mov %eax,%edx 804809c: b mov $0x4,%eax 80480a1: bb mov $0x1,%ebx 80480a6: b9 c mov $0x80490c0,%ecx 80480ab: cd int $0x80 80480ad: c test %eax,%eax 80480af: js b3 <exit> 80480b1: eb cd jmp <_start> 080480b3 <exit>: 80480b3: b mov $0x1,%eax 80480b8: bb mov $0x0,%ebx 80480bd: cd int $0x80 training]$ CPUは 機械語しかわからない…

6 プログラム例(C言語) 記述が単純。 わかりやすい。 よみやすい。 #include <unistd.h>
int main(void) { char buf[256]; int cnt; while((cnt = read(0, buf, sizeof buf)) > 0){ write(1, buf, cnt); } return 0; 記述が単純。 わかりやすい。 よみやすい。

7 システムプログラムの必要性 例: 入出力しながら一定時間ごとに時刻表示 read()/write()するとプロセスは待ち状態になる。
時刻表示をするには？ 非同期 read()/write() をする。→　ポーリング 時刻表示にシグナルを使う。→　割り込み スレッドを複数使用する。→　マルチスレッド処理 １と２にはただし、そのものずばりのライブラリ関数はない。 システムコールを使う。 ３にはライブラリがある。 ２か３の方法を使うことが多い。使い分ける。

8 シグナルによる 実装例 1秒ごとに時刻表示 エコーバック処理 これらを同時処理 void timer_handler(int n) {
char buf[256]; int cnt; snprintf(buf, sizeof buf, " %d %n", time(NULL), &cnt); write(1, buf, cnt); } int main(void) struct itimerval timer; struct sigaction sa; char buf[256]; sa.sa_handler = timer_handler; sigemptyset(&sa.sa_mask); sa.sa_flags = 0; sa.sa_restorer = NULL; sigaction(SIGALRM, &sa, NULL); timer.it_value = timer.it_interval = (struct timeval){ 1, 0}; setitimer(ITIMER_REAL, & timer, NULL); while(1) { if((cnt = read(0, buf, sizeof buf)) > 0){ シグナルによる 実装例 1秒ごとに時刻表示 エコーバック処理 　　これらを同時処理

9 マルチスレッド による実装例 1秒ごとに時刻表示 エコーバック処理 これらを同時処理 #include <unistd.h>
#include <pthread.h> void *timer(void *arg) { char buf[256]; int cnt; while(1){ sleep(1); snprintf(buf, sizeof buf, " %d %n", time(NULL), &cnt); write(1, buf, cnt); } int main(void) char buf[256]; pthread_t thr; pthread_create(&thr, NULL, timer, NULL); while((cnt = read(0, buf, sizeof buf)) > 0){ return 0; マルチスレッド による実装例 1秒ごとに時刻表示 エコーバック処理 　　これらを同時処理

10 イベントドリブンシステム 入力すべき文字がある 出力が可能である 一定時間が経過した マウスを動かした… などなど…
マウスを動かした… 　　などなど… 　これらをイベント（事象）としてとらえ、 　　　イベント発生を受けて動作するシステム イベントドリブンシステム

11 イベントドリブンシステム 発生したイベントの通知方法 処理を割り付ける方法 （ポーリング） シグナル送信・メッセージ送信
スレッドのwake up 処理を割り付ける方法 （条件分岐） シグナルハンドラ・コールバック関数 マルチスレッド イベントと処理を効率的にバインド(bind)することがミソ

12 UI(User Interface)のような非同期で不定間隔で処理が必要な場合
イベントドリブンシステムにおける有効性 UI(User Interface)のような非同期で不定間隔で処理が必要な場合 処理が必要な状況→イベント発生 処理はイベントとバインドする OSの仕組みを利用すれば効率的 イベントと処理の組み合わせが自在 イベント発生とイベント処理を分離でき構造がすっきりする。 シグナルやメッセージパッシングを使うとOO的

13 リアルタイムシステムの構築手法 処理オーバーヘッドの削減 応答時間が一定の範囲内にあることを保証 必要な処理時間の予測を行う
複数の処理要求が発生しても時間内に完了 割り込み処理として記述する（モニタなし） 割り込み処理はスケジューラを呼ぶことにし、ディスパッチャと分離する（モニタとして実装）

14 リアルタイムモニタとして実装するとき 非プリエンプティブマルチタスク メモリは領域の管理だけ ユーザー空間での割り込み処理
処理時間がわかっている 処理が完了すべき時刻（デッドライン）の要求を満たす メモリは領域の管理だけ タスクは自由に相互に参照可能 ユーザー空間での割り込み処理 シグナル機構に変換しない

15 スケジューラはイベントの発生ごとに呼ばれる I/Oの待ちによるCPUの空き時間を利用して、 多重にプログラムを走行させる
プロセッサへの割り込み→イベント発生 タスクはそれにより順次起動される 再帰的に起動されるタスク そうでないタスク タスクが待ち状態に入る→イベント発生 同期通信機構→タスクからのイベント発生 スケジューラはイベントの発生ごとに呼ばれる I/Oの待ちによるCPUの空き時間を利用して、 　多重にプログラムを走行させる

16 例：モーター制御 ステッピングモータを駆動することで、位置を制御 励磁信号はプロセッサが生成 モーター駆動速度には上限がある
ハードリアルタイム処理 モーター駆動速度には上限がある モーターの加減速度には上限がある

17 フィードフォワード制御とフィードバック制御の併用
制御量は位置、位置のずれ（偏差）をもとに制御 偏差を最小にするようにフィードバック制御を使用 偏差が残ると誤差となるので、PID制御がよく使われる P: Proportional I: Integral D: Differential 位置制御の結果が静定する時間を短縮するため フィードフォワード制御も併用 制限事項とともに、制御の計算量が必要となる

18 カウンター割り込みを使用 カウント値の更新により励磁間隔を変更 カウント値の更新間隔は励磁間隔以下 カウント値は位置制御部からの指示