RTP

RTP
Real-Time Programmatuur
laag-niveau programmeren
uit hoofdstuk 15 van
Alan Burns, Andy Wellings, "Real-time systems and
programming languages", 1997, Addison Wesley
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 1
RTP


overzicht
mechanismen voor hardware input/output
taal-ondersteuning
 algemeen
 Ada
C

schrijven van device drivers (vb in Ada)
(device driver: deel van besturingssysteem of van
toepassing dat een bepaald randapparaat
aanstuurt)
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 2
mechanismen voor hardware
input/output
RTP

2 klassen computerarchitecturen tov randapparaten
 bus voor geheugen, andere bus voor randapparaten
 één bus voor alles
data
MEM
data
CPU
dev
dev
dev
adressen
dev
adressen
data
CPU
MEM
dev
dev
dev
dev
adressen
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 3
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

ook twee soorten methoden voor toegang tot
randapparaten
 twee sets van instructies, één voor elke bus
 toegang
tot devices via speciale hardware instructies
 vaak spreekt men over poorten
 vb: Intel 8086
 memory mapped I/O
 de randapparaten bestrijken een deel van de
adresruimten
 schrijven - lezen van een randapparaat gaat zoals
schrijven - lezen van het geheugen (zelfde instructies)
 vb: M68000 familie, meeste moderne architecturen
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 4
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
communicatie met randapparaten
 via interface van besturingssysteem (system calls)
 meestal
via bibliotheekroutines
 vaak behandelt de interface alle I/O als karakterstroom
 device driver is deel van besturingssysteem dat de
interactie verzorgt met een bepaald randapparaat
 direct vanuit de toepassing
 in hogere programmeertalen die mogelijkheden
aanbieden voor I/O programmatie
 in hogere programmeertaal waar men dicht bij de
machine kan schrijven, of waar men assembler kan in
schrijven (bv C)
 besturingssysteem
moet toelaten (meestal beschermd)
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 5
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

interactie met randapparaat
 device driver -> randapparaat
 opdrachten
 gegevens
(bij schrijven)
 randapparaat -> device driver
 gegevens (bij lezen)
 informatie over wanneer opdracht beëindigd is (eindeinformatie)
 informatie over hoe de opdracht beëindigd is (statusinformatie)
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 6
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
interactie met randapparaten: schematisch
processen
besturingssysteem
device driver
status
instructies
data
interrupts
device
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 7
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

interactie met randapparaten: gegevens
 via gegevens-register van randapparaat of controler
 rechtstreeks in het geheugen via DMA (Direct Memory Access)






CPU geeft beginadres en grootte van buffer door aan
randapparaat
randapparaat kan rechtstreeks lezen en schrijven in geheugen
randapparaat moet rechtstreeks aan het geheugen kunnen
gebeurt door cycle stealing
maakt het probleem van voorspellen van duur van programma
veel moeilijker
status-informatie (randapparaat -> device driver)
 via status-register van randapparaat of controler
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 8
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
schematisch met DMA
processen
besturingssysteem
device driver
status
MEM
interrupts
controller
DMA
Yolande Berbers
instructies
dev
dev
dev
Programmatuur voor real-time controle
slide 9
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
interactie met randapparaten: opdrachten
 via opdracht-register van randapparaat of controler
 via kanaalprogramma (channel program)
 het
randapparaat is intelligent en heeft een processor
die kanaalprogramma’s kan uitvoeren
 de CPU schrijft zo een programma in het geheugen
 randapparaat krijgt beginadres van randapparaat en
leest het programma rechtstreeks uit het geheugen
 randapparaat moet rechtstreeks aan het geheugen
kunnen
 dit gebruikt ook altijd DMA
 komt veel voor bij main frames, zelden in real-time
systemen Programmatuur voor real-time controle
Yolande Berbers
slide 10
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
schematisch met kanaalprogramma
processen
besturingssysteem
device driver
prog.
status
MEM
interrupts
kanaal
DMA
Yolande Berbers
start-info
controller
controller
Programmatuur voor real-time controle
slide 11
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

einde-informatie (randapparaat -> device driver)
 polling of status-gestuurd
 herhaaldelijk
inspectie van status-register
 meestal in een vorm van busy-waiting
 interrupt-gestuurd
 randapparaat stuurt interrupt als klaar met uitvoeren
van opdracht
 tijdens wachten op interrupt kan computer andere taak
uitvoeren
 mechanisme: zie volgende slide
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 12
RTP

mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
interrupt-mechanisme: bij optreden van interrupt:
contextswitch
 running taak wordt onderbroken en toestand wordt
bewaard om later herstart te kunnen worden (dit gebeurt
door de hardware)



minimaal: programmateller en statuswoord
maximaal: ook alle registers
tussenin: ook een aantal registers
 routine geassocieerd met randapparaat dat interrupt
genereerde wordt opgeroepen (dit gebeurt door de
hardware)
 interrupt routine voert uit (dit is software)

Yolande Berbers

indien niet voldoende registers bewaard: bewaart nog registers
deze routine voertProgrammatuur
uit
voor real-time controle
slide 13
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

identificatie randapparaat dat interrupt veroorzaakte
 interrupt vector
vector met adressen van interrupt routines
 elke element van de vector is geassocieerd met een randapparaat
 status-info
 via hardware wordt een algemene interrupt-routine opgeroepen
 deze ziet in status-info welk randapp. de interrupt veroorzaakte
 de gepaste routine wordt opgeroepen
 polling
 analoog aan status-info maar algemene routine moet alle
randapparaten afgaan om te zien wie een interrupt veroorzaakte


identificatie (reden) van interrupt

Yolande Berbers
testen op status van randapparaat
Programmatuur voor real-time controle
slide 14
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

interrupt-controle
 interrupts kunnen aan en af gezet worden
soms via bit in interrupt-toestandstabel of device-status-woord
 soms via mask waarbij elke bit een randapparaat voorstelt
en 0 of 1 kan bevatten
 verschillende niveaus van interrupts en prioriteiten
 elke klasse van randapparaten krijgt een niveau toegewezen
 processor heeft ook een niveau (veranderlijk)
 op elke moment mogen alleen de randapparaten met een hoger
niveau als de processor een interrupt veroorzaken, de andere
interrupts worden tegengehouden
 zo kan men prioriteiten geven aan randapparaten

Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 15
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

twee modellen voor device drivers
 één-niveau device driver



meest eenvoudige device driver, komt vaak voor in RT-systemen
behandelt aanvraag per aanvraag
 aanvaardt nooit een opdracht voordat de vorige behandeld is
een proces keert pas terug nadat zijn aanvraag behandeld werd
processen
besturingssysteem
device driver
status
Yolande Berbers
instructies
device
data
Programmatuur voor real-time controle
interrupts
slide 16
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
RTP

twee modellen voor device drivers (vervolg)
 twee-niveau device driver (zie ook volgende slide)


Yolande Berbers
bovenste niveau: aanvaardt de aanvragen
 dit niveau wordt aangeroepen door processen met aanvragen
 randapparaat vrij: aanvraag wordt direct doorgegeven
 randapparaat bezet: aanvraag wordt in wachtlijst geplaatst
onderste niveau: behandelt afwerking van aanvragen
 schiet in actie na het behandelen van een aanvraag
 wordt aangeroepen door interrupt: werkt interrupt-gestuurd
 moet eventueel proces verwittigen dat aanvraag behandeld is
 wachtlijst niet ledig: haalt aanvraag uit lijst en behandelt die
 wachtlijst ledig: doet niets
Programmatuur voor real-time controle
slide 17
RTP
mechanismen voor hardware input/output
(vervolg)
 twee-niveau device driver
processen
besturingssysteem
slaap
voegtoe
bovenste niveau driver
wachtlijst
scheduler
onderste niveau driver
wordt wakker
status
Yolande Berbers
herorden
instructies
device
data
neem uit
interrupts
Programmatuur voor real-time controle
slide 18
RTP



eisen voor taalondersteuning
traditioneel gebruik van assembler
taal zoals C biedt ook veel laag-niveau
mogelijkheden
talen zoals Modula-1, Ada bieden hoger-niveau
ondersteuning
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 19
eisen voor taalondersteuning
(vervolg)
RTP

ondersteuning
 modulariteit en encapsulatie
 om
de machine afhankelijke software te scheiden van
machine-onafhankelijke software
 toegang tot registers vanuit hogere programmeertaal
 specificeren van specifieke fysische adressen voor
variabelen (normaal kiest de compiler een plaats in
adresruimte van proces)
 bit-manipulaties leesbaar kunnen doorvoeren
 abstract model voor het werken met een randapparaat
 randapparaat wordt gemodelleerd als aparte processor
 voorstelling van interrupts: zie volgende slide
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 20
eisen voor taalondersteuning
(vervolg)
RTP

voorstelling van interrupts in hogere
programmeertalen
 procedureoproep
werd eigenlijk uitgelegd bij interrupt-mechanisme
 gebruikt in C en C++ gebaseerde systemen
 sporadisch proces
 interrupt is een aanvraag om een sporadisch proces op te starten
 asynchroon event
 interrupt is een asynchroon event gestuurd naar een handler
 synchronisatie zoals van gedeelde gegevens
 interrupt komt overeen met een signal bij monitor, met V bij
semafoor, met een oproep van protected object
 gebruikt in Modula-1, Ada
 boodschap: interrupt is als een lege boodschap

Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 21
RTP schrijven van een driver in Ada

Ada voorziet attributen als ondersteuning voor toegang
tot registers
 size: specificeert het aantal bits voor een variabele
 alignment: specificeert dat variabele moet geplaatst
worden op bepaalde grenzen (bv woord)
 bit-ordering: specificeert big-endian of little-endian
 address: specificeert op welk adres de variabele moet

voorstelling van interrupt
 protected object om registers (dit zijn gedeelde var.) te
beschermen
 een parameter-loze procedure van het protected object
wordt geassocieerd met de interrupt: deze procedure is
de interrupt-routine Programmatuur voor real-time controle
Yolande Berbers
slide 22
RTP

schrijven van een driver in Ada
(vervolg)
toepassing: driver die van een A/D convertor leest
 deze driver wordt gerealiseerd in een package Adc_Device_Driver
 gebruiker kan enkel de procedure Read oproepen
 intern gebruikt de driver een protected object Interrupt_Interface
 aan de interrupt van het randapparaat wordt de procedure Handler
van het protected object geassocieerd
 het protected object heeft verder twee entries
 entry Read:
– wordt opgeroepen vanuit de procedure Read
– een guard houdt volgende oproepen tegen
– het randapparaat krijgt de opdracht
– de aanvraag wordt geplaatst achter de entry
Done
 entry Done:
– procedure Handler opent de guard van deze entry
– entry test op goede afloop
– entry opent de guard van Read
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 23
RTP

schrijven van een driver in Ada
(vervolg)
randapparaat heeft twee registers
 data register van 16 bit dat de gegevens bevat
 controle register (combinatie voor status en instructies)
waarvan de bits de volgende betekenis hebben
Bit
Naam
Betekenis
0
A/D Start
Set to 1 to start a conversion.
6
Interrupt Enable/Disable
Set to 1 to enable interrupts.
7
Done
Set to 1 when conversion is complete.
8-13
Channel The converter has 64 analog inputs;
the one required is indicated by bits 8-13
15
Error
Set to 1 by converter if device malfunctions
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 24
package Adc_Device_Driver is
Max_Measure : constant := (2**16)-1;
type Channel is range 0..63;
subtype Measurement is Integer range 0..Max_Measure;
procedure Read(Ch: Channel; M : out Measurement);
Conversion_Error : exception;
private
for Channel'Size use 6;
-- indicates that six bits only must be used
end Adc_Device_Driver;
with Ada.Interrupts.Names; use Ada.Interrupts.Names;
with System; use System;
with System.Storage_Elements; use System.Storage_Elements;
package body Adc_Device_Driver is
Bits_In_word : constant := 16;
word : constant := 2;
type Flag in (Down, Set);
type Control_Register is
record
Ad_Start:
Flag;
Done:
Flag;
Error:
Flag;
end record;
-- bits in word
-- bytes in word
Ienable:
Ch:
Flag;
Channel;
for Control_Register use
-- specifies the layout of the control register
record
Ad_Start
at 0*Word range 0..0;
-- at word 0 bit 0
Ienable
at 0*Word range 6..6;
Done
at 0*Word range 7..7;
Ch
at 0*Word range 8..13;
Error
at 0*Word range 15..15;
end
record;
for Control_Register'Size use Bits_In_Word; -- the register is 16 bits long
for Control_Register'Alignment use Word;
-- on a word boundary
for Control_Register'Bit_order use Low_Order_First;
type Data_Register is range 0 .. Max_Measure;
for Data_Register'Size use Bits_In_Word;
-- the register is 16 bits long
Contr_Reg_Addr: constant Address := To_Address (8#150002#)
Data_Reg_Addr: constant Address := To_Address (8#150000#)
Adc_Priority: constant Interrupt_Priority := 63;
Control_Reg: aliased Control_Register;
-- aliased indicates that pointers are used to access it
for Control_Reg'Address use Contr_Reg_Addr;
-- specifies the address of the control register
Data_Reg : aliased Data_Register;
for Data_Reg'Address use Data_Reg_Addr;
-- specifies the address of the data register
protected type Interrupt_Interface(Int_Id : Interrupt_Id;
Cr : access Control_Register;
Dr : access Data_Register) is
entry Read(Chan : Channel; M : out Measurement);
private
entry Done(Chan : Channel; M : out Measurement);
procedure Handler;
pragma Attach_Handler (Handler, Int_Id)
pragma Interrupt_Priority(Adc_Priority)
Interrupt_Occurred : Boolean := False;
Next_Request : Boolean := True;
end Interrupt_Interface;
Adc_Interface : Interrupt_Interface(Names.Adc,
Control_Reg'Access,
Data_Reg'Access);
-- this assumes that 'Adc' is registered as an Interrupt_Id
-- in Ada.Interrupts.Names
-- 'Access gives the address of the object
protected body Interrupt_Interface is
entry Read(Chan : Channel; M out Measurement)
when Next_Request is
Shadow_Register: Control_Register;
begin
Shadow_Register := (Ad_Start => Set, Ienable => Set,
Done => Down, Ch => Chan, Error => Down);
-- opdat alle velden in één keer in het register geschreven:
-- velden worden eerst in een copie geschreven
Cr.all := Shadow_Register;
-- het geven van de opdracht
Interrupt_Occurred := False;
Next_Request := False;
requeue Done;
end Read;
procedure Handler is
begin
Interrupt_Occurred := True;
end Handler;
entry Done(Chan Channel; M : out Measurement)
when Interrupt_Occurred is
begin
Next_Request := True;
if Cr.Done = Set and Cr.Error = Down then
M := Measurement(Dr.all);
else
raise Conversion_Error;
end if;
end Done;
end Interrupt_Interface;
procedure Read(Ch : Channel; M out Measurement) is
begin
for I in 1..3 loop
begin
Adc_Interface.Read(Ch,M);
return;
exception
when Conversion_Error => null;
end;
end loop;
raise Conversion_Error;
end Read;
RTP

een voorbeeld-driver in C
analoge operaties op registers als in het vb met Ada
#define START 01
/* numbers beginning with 0 are in hexadecimal */
#define ENABLE 040
#define ERROR 08000
unsigned short int *register, shadow, channel;
register = 0AA12;
/* register address */
channel = …;
shadow = 0;
shadow = (channel << 8) | START | ENABLE;
*register = shadow;

dit is de enige compiler-onafhankelijke manier
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 32