ソフトウェア調査報告

１．はじめに

　今年度から開発されるMIRSには、ISAバス仕様の新しいI/Oボードが搭載される。それに従い新しいMIRSのOSには、RT−LINUXが使用される。そのため今までMIRX68Kリアルタイムモニタにより制御していた各センサおよびPWMをそれに代わるRT-タスクモジュールおよびデバイスドライバで制御する必要がある。また今年度からLCDが使用されるため、これを制御するデバイスドライバも新たに必要となる。

２．RT−LINUX

　RT-LINUXとはリアルタイム処理が可能なOSである。LINUXを使用して計測や制御向けのハードウェア、リアルタイム処理を実現するための拡張機能として開発されたもの。

　　２．１　リアルタイム処理

　実時間処理。他のデバイスからの入力信号や、プログラムからの要求に対して、即座に（リアルタイムに）これを処理する方式。制御システムなどでは、一定時間内に処理を確実に終了しなければならない場合があるがこのような実時間性を保証し、許容される時間内に処理の完了を保証する処理方式がリアルタイム処理である。

　　２．２　RT-LINUXのスケジューリング

　リアルタイムカーネルは、リアルタイムプロセスとLinuxカーネルを対象にしたスケジューリングを行う。このときリアルタイムプロセスの優先度のほうがLinuxカーネルよりも高く、リアルタイムプロセスの優先度は任意に決めることができる。 Linuxでは、スケジューリング間隔が10ms程度であるが、PC/AT機の内蔵タイマICにより1μs程度の間隔になっている。このためLinuxでは、ハードウェア割り込みを受け付けてISR（インタラプトサービスルーチン）を呼び出すまでに600μsまたは20msぐらいかかるが、RT-Linuxではこれを15μs程度の短縮している。 つまり、リアルタイムカーネルがCPU割り込み制御の主導権を握り、スケジューラも兼ねることによって、時間要素をLinuxカーネルに依存しないで、自身で制御できるようにしている。 このようにMIRSの制御に普通のLinuxではなくRT-Linuxを使用しているのは、ハードウェア割り込みがあったときのスケジューリングの処理方法の違いによるところが大きな要素である。

　　２．３　リアルタイムタスクのプログラミング

• RT-Linuxのリアルタイムタスクにおける動作の基本は、IRQ0のタイマー割込を用いた周期的起動である。起動の開始時刻と周期は任意に指定できる。タスクからはシステムコールは使用できないが、I/Oポートへの入出力を行うことはできるので、一定時間ごとにI/Oをポーリングして必要な処理を行うと行ったタイプの処理が、最も基本的なものとなる。
• リアルタイムタスクは、Linuxプロセスとの間でFIFO(First-In, First-Outスタック。リングバッファとも呼ばれる)を用いてデータをやりとりすることができる。FIFOはLinux側ではデバイスドライバとしてあらかじめ登録され、プロセス内ではファイルとしてopen/closeし、read/writeにより入出力を行う。またプロセスではselectにより状態遷移を待つことによりプロセスとの同期を取ることができる。FIFOにはリアルタイムカーネルで動作するハンドラーをアタッチすることもできる。ハンドラーはread/writeが完了した時点でコールされるので、これもプロセスとタスクの同期に使用することができる。プロセスからwriteされるFIFOにハンドラーをアタッチすることにより、プロセスからタスクに容易にコマンドを送って処理させることができる。
• リアルタイムタスクはモジュールとして実現され、insmodコマンドにより登録、rmmodコマンドにより削除される。登録後タスクにに割周期等を指定して実際に起動するためには、Linuxプロセスから指令を送らねばならない。このためには、上記のようにプロセスからFIFOにコマンドデータを出力し、それにアタッチされたハンドラーで起動処理を行えばよい。
• FIFOはリアルタイムタスクとLinuxプロセスとの間のデータ転送のみに使用でき、タスクどうしでは使用できない。割込関係が単純な場合にはユーザーの責任で使用することはできるが、危険である。Cの外部変数を通じてタスク間でデータのやりとりをすることも、割込関係が単純であれば可能であるが、一般的には危険である。タスク間データ転送にセマフォと呼ばれるメカニズムがサーバパーティによって開発されているようであるが、現在は未調査である。
• タイマー以外のハードウェア割込も利用できるが、リアルタイムカーネル内部では、システムコールが使えないので、既存のデバイスドライバは使えない。このためバスボードなどに関わる割込処理プログラムはリアルタイムカーネル専用として新たに作成しなければならない。
• コンソールやディスクの入出力などLinuxカーネルで使用する割込は、リアルタイムカーネルが要求する割込の処理が割込許可をした時点か処理が終了した時点で、Linuxカーネルに渡される。このため通常のように使用することができるが、いったんRT-Linux用に書き換えねばならないので、バイナリコードのみで供給されているデバイスドライバは使用できなくなる。

　3．API関数

　APIとは、OSとOS上で稼働するインターフェース規定のこと。 RT-LinuxのAPIは、工学実験で使用したV1.xのときはわずか15個であり、機能は大きく5つに分かれていた。下記にその機能、API及びそれに対応するV2.x系のAPIを表す。

表中に出てくる用語の解説

• スレッド
  • 複数のCPUを持つコンピュータにおいて、共有メモリを使用して並列計算を行うＯＳ機能。これにより、１つのプログラム(プロセス)の中で、複数のスレッドがアドレス空間を共有して、情報の交換を高速かつ効率的に行える。
• Mutex変数
  • 複数のスレッドの同期を管理する方法として用いる。
• POSIX (the Portable Operating System Interface for Computer Environment)
  • POSIXは、IEEE1003.1標準によって規定されたUNIXシステムのインターフェースである。PT-Linux V2.xでは、POSIXスタイルのAPIを利用することになる。RT-Linux V2.xでは、すべての関数がPOSIXスタイルで構成されているのではなく、RT-Linux独自のAPI関数も用意されており､POSIX+非POSIXのスタイルでリアルタイムプログラミングを行うことになる。