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【学習メモ#10th】12ステップで作る組込みOS自作入門
- 1. 12ステップで作る組込みOS自作入門 10thステップ @sandai
- 4. 1.OSの役割
- 5. コンピュータの3大要素 ● コンピュータの3大要素は以下の3つ – CPU – メモリ – I/O
- 6. ノイマン型コンピュータ ● プログラムをメモリ上に配置し、CPUがメモリ 上のプログラムを逐次実行することで処理を進 めていくコンピュータをノイマン型コンピュー タと呼ぶ ● このようにCPUとメモリは必ず必須の要素であ り、処理の結果を出力したり入力を得るために はI/Oが必要 ● 前のページで挙げた3つの要素を管理していく のがOSと言える
- 7. CPU時間 ● CPUを管理するというのは、つまり複数のタス クに対してCPUを割り当てる時間を配分すると いうこと ● CPUをタスクに割り当てて処理している実行時 間をCPU時間と呼ぶ ● スレッドの目的はこのCPU時間を複数のタスク に自動で配分するため ● スレッドを実装することでCPUが処理している のは自分だけであるかのように、独立してアプ リを書くことができる
- 8. 2.メモリ管理
- 9. メモリの衝突 ● 動作しているプログラムによってメモリを使い 分けないと、複数のスレッドで同じアドレス位 置のメモリを使ってしまう可能性が出てくる – メモリの値が衝突して正しく処理できない ● そこでメモリのアドレスを管理しなくてはなら ない ● メモリの管理には静的なメモリ管理(static)と 動的なメモリ管理(dynamic)がある
- 10. 静的なメモリ管理(static) メモリ領域を固定で割り当て、実行ファイルの 作成時に配置を決めてしまうこと ● たとえばリンカ・スクリプトを利用すること で、そのようにメモリ領域を固定で割り当てる ことができる ● この方法は必要なときに獲得するとか不要に なったら解放するとか、解放された領域を使い まわすといったことができない
- 11. 動的なメモリ管理(dynamic) ● プログラムの動作中にメモリの獲得と解放を行 うようなメモリ管理の仕方 ● メモリの獲得動作をアロケート、開放処理をフ リーと呼ぶ ● 動的なメモリ管理としては他にスタックがある が、階層的な構造で自由に獲得/解放は行えな い
- 12. メモリ保護 ● C言語の標準ライブラリにはmalloc()やfree() という関数があって、動的にメモリを獲得/解 放することができる ● メモリを勝手に使うのではなく、このような サービス関数を利用すれば衝突の問題はない – 関数内部でメモリ管理が行われるため ● 汎用OSでは複数のプログラムが互いに利用して いるメモリを破壊しないよう、それぞれメモリ 保護する機能が必須
- 13. メモリ管理 ● メモリ管理には大きく次の2つに分けられる – 可変サイズのメモリ管理 – 固定サイズのメモリ管理 ● 可変サイズのメモリ管理はmalloc()で実装され ているメモリ管理方法 – 自由なサイズのメモリを獲得することが可能 ● C言語でメモリを動的に利用するならmalloc() やfree()を利用するのが一般的である
- 14. malloc()でのメモリ管理 ● 独自にmalloc()を実装するにはどうすべきか、 malloc()と似た方法で可変サイズの領域を切り 売りする方法を考えてみる ● まず固定サイズの領域を確保 – char memory_area[128*1024] ● 固定サイズの領域を確保して、これを静的変数 として可変サイズで利用する – 大きな枠を固定して、そのうちを可変で利用するっ て感じ ● malloc()で可変サイズのメモリ領域を獲得する ときは、memory_area[]から切り出す ● 切り出し用のメモリはメモリ・プールと呼ぶ
- 15. 可変サイズでのメモリ管理1 ● メモリ管理の方法として、小さいアドレスから 順に切り出していく方法で考えてみる ● このような管理方法だと各領域 をfree()で解放しても再利用で きない 10 – そもそも領域のサイズをデー タとして持っていないので 15 free()は使えない 10 ● メモリ領域をたんに切り出して 分け与えるような方法ではうま 20 くいかない
- 16. 可変サイズでのメモリ管理2 ● そこで、領域のサイズや獲得済み・ ヘッダ 解放済みなどの情報をヘッダとして 10 領域の先頭に付加させてみる ヘッダ ● 領域の獲得時はヘッダにサイズなど 15 の情報を書き込み、ヘッダの直後 ヘッダ にある実際の利用領域の先頭アドレ 10 スを返す ヘッダ ● 解放時には、free()の引数として与 えられた領域から逆算すれば、ヘッ 20 ダの位置を知ることができる ● が、これだとまだ小さいアドレスか ら順に切り出すしか方法がない
- 17. 可変サイズでのメモリ管理3 ● そこでnextポインタをヘッダに持たせて獲得し た領域と解放した領域をリンクリスト管理する ● こうすることで、解放後 ヘッダ の領域の検索が可能のな 10 るため、再利用すること ヘッダ ができる 15 ● malloc()するときには、 まず解放済みのリンクリ ヘッダ 10 ストを検索して、無けれ NULL ヘッダ ばメモリ・プールから切 り出すといったことがで 20 NULL きるようになる
- 18. 可変サイズでのメモリ管理4 ● 今回の例はnextポインタによる片方向リンク だったが、実践的にはnextポインタとは逆方向 の前方ポインタも持たせる – リンクリストの途中からの抜き出しなどのため – 前方ポインタはprevと使うことが多い ● nextとprevの両方を持つリンクリストを双方向 ンクと呼ぶ ● 双方向リンクで管理された可変サイズのメモリ 領域を一般にヒープ領域と呼ぶ
- 19. 可変サイズでのメモリ管理5 ● 実際には、この他に解放済み領域を再割当てす る際にも必要サイズを切り出したり、隣接する 解放済み領域の統合や、メモリ・プールも解放 済みのリンクリストにつなげたりする ● リンクリスト管理の欠点としては、獲得と解放 を繰り返すうちにメモリが細分化されすぎてす まうこと – フラグメンテーションと呼ぶ ● とりあえず、今のとこはリンクリスト管理する ことで、可変サイズのメモリの割り当てと解放 ができる、と理解しておけばよい
- 20. 可変サイズでの管理の欠点 ● リンクリスト管理する場合、メモリ獲得時に検 索処理が必要となる ● 検索で見つかるまでの時間がどれぐらいかかる か、保証ができない – リアルタイムOSだとこれは致命的 ● たとえリアルタイム性を求めないにしても、組 込み処理では検索のような時間のかかる処理は 適切でない ● 動的にメモリを管理する場合、可変サイズは使 用効率は良いが向いていない
- 21. 固定サイズでの管理 ● そこで固定サイズでのメモリ管理を行う ● 最初からいくつかサイズに分けたメモリ領域を 確保し、メモリ領域の獲得時には必要とされる サイズが入りきる固定領域を与えるようにする – 10バイトの領域が必要なら16バイド領域、40バイト の領域が必要なら128バイトを与える形式 ● メモリ・プールの未獲得領域はサイズごとにリ ンクリストにして管理する ● メモリ獲得時にはリンクリストの先頭の領域を 割り当て、解放された領域は再びリンクリスト に接続する – メモリ使用効率は悪いが、検索するよりリアルタイ ム性は確保できる
- 22. 3.メモリ管理の実装
- 23. プログラムの修正と追加 ● 追加ファイル – memory.h,memory.c...メモリ管理ライブラリ – test10_1.c...メモリ管理サンプル ● 修正ファイル – ld.scr...メモリ・プール追加 – syscall.h,syscall.c...システム・コール追加 – kozos.h,kozos.c...システム・コール追加 – main.c...起動するスレッドを修正 – Makefile
- 24. プログラムの修正内容 ● メモリ管理を実装 – 自由に使っていいメモリの領域(メモリ・プール)を 用意して、必要になったらそこから切り出して使え るようにしている – 再利用しやすいように、メモリ管理はリンクリスト 管理で行う – 事前に16バイト、32バイト、64バイトずつに分けて おいた領域をそれぞれいくつか用意し、ヘッダを付 けて片方向リンクでつなげる
- 25. kzmem_init_pool() static int kzmem_init_pool(kzmem_pool *p) { int i; kzmem_block *mp; kzmem_block **mpp; extern char freearea; static char *area = &freearea; mp = (kzmem_block *)area; mpp = &p->free; for(i = 0; i < p->num; i++) { *mpp = mp; memset(mp, 0, sizeof(*mp)); mp->size = p->size; mpp = &(mp->next); mp = (kzmem_block *)((char *)mp + p->size); area += p->size; } return 0; }
- 26. メモリ・プールの初期化の流れ1 ● mp = (kzmem_block *)areaでkzmem_block構造 体をarea番地に作成しmpに代入 ● mpp = &p->freeは、freeポインタはメモリ・ プールの先頭にあたる。メモリを獲得するとき はここからバイト別に合わせて取得するように なる。mppにはその先頭アドレスを代入 ● 次にfor文があるが、ここはメモリブロックを 作成しつつnextポインタをつなげている処理 – mmpダブルポインタを利用しているため複雑に感じ るが、ポインタを理解してさえいればどうなってい るか分かる
- 27. メモリ・プールの初期化の流れ2 ● 最初の*mpp = mpは&p->free = mpと同じこと – for文の2週目からはmp->next = mpと同じ ● memset()で0クリアして、mp->sizeにブロック の大きさを代入 ● mpp = &(mp->next)で次のmpのnextポインタに 進む ● mp = (kzmem_block *)((char *)mp + p- >size)で新しいkzmem_block構造体を定義 ● area += p->sizeは今回のプログラムでは関係 がないけれど、他のメモリ・プール初期化関数 がある場合にはこうして未使用領域の先頭を保 持しておく必要がある
- 28. メモリの獲得と解放 ● 獲得 – 必要なサイズに収まるメモリブロックを探し て、先頭のブロックを引き抜くだけ – return mp + 1のように、メモリヘッダの後 続のデータ領域を渡すようにする ● 解放 – 解放というか、使っているメモリブロックを リンクリストの先頭に戻すだけみたい – ゼロクリアとかしてないけど、要らないのか な
- 29. メモリブロックの大きさ ● 今回のプログラムでは16バイト、32バイト、64 バイトのメモリブロックをそれぞれ別々にリン クして複数個作っている ● 16バイトのうち、8バイトはメモリヘッダなの で、16バイトのブロックは実質8バイトしか使 えないし、64バイトでも実質56バイトしかつか えない ● 書籍では大きく取り上げていないけれど(さ らっと書いてる)、そういうわけなので、実質 的なデータ領域がいくつかということは把握し ておこう
- 30. 4.プログラムの実行
- 31. プログラム実行 /Users/sandai/12step/src/10/os% sudo cu -l /dev/tty.usbserial-FTG6PQ4H . . 00ffd178 aaa 00ffd188 bbb 00ffd188 aaaaaaa 00ffd178 bbbbbbb 00ffd1f8 aaaaaaaaaaa 00ffd218 bbbbbbbbbbb 00ffd218 aaaaaaaaaaaaaaa 00ffd1f8 bbbbbbbbbbbbbbb 00ffd1f8 aaaaaaaaaaaaaaaaaaa . . . 00ffd338 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 00ffd2f8 bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb 00ffd2f8 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 00ffd338 bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb 00ffd338 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 00ffd2f8 bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb test10_1 exit. test10_1 EXIT.
- 32. 5.まとめ
- 33. まとめ ● 簡単なメモリ管理を実装した ● 他にもいくつか手段があるが、考え方は似たよ うなものらしいので、きっちり理解しておきた い部分 ● ダブルポインタに苦戦した。なんとなくポイン タ理解してるぐらいじゃだめだ。理解したらほ んと単純なものなんだけど