2015.3.13 名古屋工業研究所で行われる ソフトウェア講演会のスライドです

1. TOPPERS/SSP を用いた教育訓練カ
リキュラムカーネルの自作およびカ
スタマイズ
アライブビジョンソフトウェア株式会社
高橋和浩
https://www.facebook.com/firstandlastandallways
TOPPERS プロジェクト 特別会員（個人）
 アイデアアプリケーションコンテスト
 アイデア部門 入賞

2. バックグランド（それまでの経緯）
 ルネサスエレクトロニクスの
RTOS(μITRON カーネル ) のおよそ 8 年
ほど受託開発。 M32C M16C R32C RX
など
 ポリテクセンター兵庫にて、在職者向け
コース（ μITRON) を担当 (H24 より実
施）

3. 動機
 ITRON を使うセミナから作るセミナにし
たい
 受講生からの要望
 オープンソースの OS を使う以上、中身の
理解の必要性
 入り口として、もっとも手軽なもの 最少
セットカーネル
 Linux のカーネルに読破にくじけた人にも
 OS 自作本などのニーズ

4. μITRON （ＲＴＯＳ）の講習会
 ポリテクセンター兵庫（武庫之荘）で実施
・ μITRON 基本
・ μITRON ネットワーク
・新講習 ＲＴＯＳ自作とカスタマイズ（本
年１月実施）
いずれも土曜日 3 日間
 H27 年度ももちろんあります

5. RTOS 自作講習会の概要
 標準 ITRON ガイドブック（作り方の章）
特に専門用語の解説をしっかり
 TOPPERS/SSP( オープンソース μITRON) を
ベース（シュリンク版というものを利用）
 ボードで実際に演習を交えて実施（雑誌付録ボー
ド RX62n)+E1 デバッガ
 ソースコードをステップベースで解説していきま
す。
(SSP は省ステップなので可能）
 SSP 本来の機能からカーネル機能拡張（待ち状態
を追加）作業を演習実施。 dly_tsk を実装してい
きます。

6. 講習のサンプル
 ソースコード解説の例
 カーネル拡張の例

7. カーネルコード解説
 sta_ker() から始まる。
 マルチタスクになる前段
階の処理
 ブート一回目だけの処理
としてカーネルオブジェ
クトの生成がある。
 SSP はカーネルオブジェ
クトといってもタスクの
み
 TCB の初期設定をする。
 最後にディスパッチャを
呼ぶ
void
sta_ker(void)
{
initialize_object();
kerflg = true;
intnest = 0;
dispatcher();
}

8. カーネルコード解説 2
 ディスパッチャ部分
 これは、途中で待ちになら
ない SSP 特有のディスパ
ッチ処理。
 優先度の高いタスクにプリ
エンプトはするが、待ち状
態にはならないから、タス
クの高いタスクが終了して
から低いタスクの起動はこ
ういう単純な呼び出しでよ
い。
 さらに SSP はスタック共
有型なのでスタックを切り
替える必要はない。

9. カーネルコード解説 3
 スケジューラは、今の
レディーキューから、
次にディスパッチする
タスクを選ぶ処理。
 レディーキューの構造
に依存するが、 SSP は
単純なビットマップの
み
uint_t
search_schedtsk(void)
{
return primap_search();
}

10. カーネルコード解説 4
ER
act_tsk(ID tskid)
{
ER ercd;
uint_t tskpri;
LOG_ACT_TSK_ENTER(tskid);
CHECK_TSKCTX_UNL();
CHECK_TSKID_SELF(tskid);
tskpri = get_ipri_self(tskid);
t_lock_cpu();
if (test_dormant(tskpri)) {
if(make_active(tskpri)) {
run_task(tskpri);
}
ercd = E_OK;
}
else {
ercd = E_QOVR;
}
t_unlock_cpu();
error_exit:
LOG_ACT_TSK_LEAVE(ercd);
return(ercd);
}

11. カーネルコード解説 5
 最後は、ユーザーからの OS 呼び出しである。
 タスクの起動で、基本はまずレディーキューに指
定したタスクの TCB をキューイングする
 カーネルの最後（遅延ディスパッチで）今の最優
先タスクを動かす。
 SSP は単純にサブルーチンコールしかしていない
ので、
 タスクは常に頭から動くが、プリエンプトされて
復帰するケースは
 自タスクよりも高いタスクを起動した場合。
 起動されたタスクが終了した時点で、タスク起動
後に戻ればいいのでサブルーチンコールするのと
同じ作りで実現している

12. タスクスイッチの例 ( 追加ペー
ジ）
 タスク 2 が RUN 中に、 act_tsk() でタス
ク 1 を起動
 タスク 1 が優先度が高い場合
 タスク 1 がサブルーチンコールされる動き
タスク２ 中断
実行
タスク１
時間
act_tsk(task1)
呼び出し

13.  移植対応部 アセンブリ言語

14. 割込み時のタスクスイッチの例（追加ペ
ージ）
 Task2 が RUN 中に割り込みが発生
 割込みハンドラで iact_tsk(task1) を呼び
出
 Task1 が優先度高い
0 1 2 3 4 5
割り込み処理
Task2
割り込み発生
Task1
時間
Copyright (C) Reserved 2010 Embedded Systems Co.,
割り込み発生 iact_tsk(task1)
Running
Ready
Dormant

15. カーネル (RTOS) 仕様

16. シュリンク版
 SourceForge に公開
 http://sourceforge.jp/projects/shrink-sp-rx62n/
 本物との違い
 割込みベクターの登録およびスタートアップの削
除  OS なし環境を流用
 なぜ作ったか？
 SSP カーネルの簡潔な処理に比較して割り込みベ
クタ関係の処理の難度が高く、コード量も多い。
カーネルを学ぶために必要な部分だけ残した。そ
れで動くことが必要と考えた

17. TOPPERS/SSP のカスタマイズ フル改造編
 （１）待ち状態を持つカーネルの設計
 （２）実装
 イ．コンテキストの保存と復元
 ロ．サービスコール部の作成
 （３） dly_tsk の追加
 イ．実装に必要な項目の整理
 ロ．指定時間待ちの実装 (dly_tsk)
 （４）評価・改善
 イ．制作したカーネルを用いる際の問題点の把握
 ロ．問題点の改善

18. （１）待ち状態を持つカーネルの設計
 待ちを持つということは
 タスクが run --> wait --> dormant
 wait --> ready
 中断したところから再開しなければならな
い。

19. コンテキストの保存と復元
 1. コンテキストの保存エリアを検討する。
 2. コンテキストからタスクが復帰する仕組
みでのタスク起動部を実装する
 3. タスクスイッチする場合にコンテキスト
の保存と復帰をします。
 タスクがスイッチするときにコンテキスト
を保存 / 復帰するように実装する。

20. longjmp/setjmp の利用
 コンテキストの保存領域を渡して call すれば、そ
こに保存される。
 割込みには対応できないので工夫が必要
 シュリンク版の移植性を考慮して C でできるだけ
実装

21. longjmp/setjmp の限界
 RTOS のコンテキスト保存
は、 longjmp/setjmp だけでは、すべて
の場合に対応できません。
 少なくとも戻り値が、 R1 レジスタが保存
されないことがある。
 割り込みには対応できない
 割り込み部でレジスタ保存 / 復帰を補完す
る必要がある。

22. Longjmp/setjmp の考え方
 Setjmp はコンパイラが把握
OS 呼び出しの場合は、 setjmp を使い、これ
はコンパイラが把握できる。 Setjmp から戻る場
合は、レジスタ一式が復帰して jmp してくるが
保存を必要としない一部のレジスタを壊しても続
行できる。
 割込みはコンパイラが把握できない
割り込みの場合はコンパイラが把握していない
ため、どこでどのレジスタを壊していいというこ
とがなくなる。

23. 今後の展開
 ポリテクセミナーの内容（プラットフォー
ム）の見直し
 SSP シュリンク版の拡張

24. セミナのプラットフォーム

25. シュリンク版のこれから
 ハード依存部が少ないことから移植がしや
すいはず
 raspberry pi に移植しました
(baremetal 環境）
http://www.slideshare.net/alvstakahash
i/raspberry-pi-toppers-ssp

26. シュリンク版の展望

27. ありがとうございました
 ポリテクセンター兵庫 在職者研修
http://www3.jeed.or.jp/hyogo/poly/contents/holding/index.html
正式名称
独立行政法人高齢・障害・求職者雇用支援機構
兵庫職業訓練支援センター
兵庫職業能力開発促進センター
 アライブビジョンソフトウエア株式会社
http://homepage3.nifty.com/ALVS/
 Facebook
https://www.facebook.com/firstandlastandallways
ありがとうございました