RTP

RTP
Real-Time Programmatuur
hoofdstuk 15:
laag-niveau programmeren
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 1
RTP

overzicht
mechanismen voor hardware input/output
 iets uitgebreider dan in het boek

taal-ondersteuning
 algemeen
 Ada
C

schrijven van device drivers (vb in Ada)
(device driver: deel van besturingssysteem dat een
bepaald randapparaat aanstuurt)
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 2
RTP

mechanismen voor hardware input/output
2 klassen computer architecturen tov randapparaten
 een 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
RTP

mechanismen voor hardware input/output
ook 2 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 en lezen van randapparaat gaat zoals
schrijven en lezen van geheugen (zelfde instructies)
 vb: M68000 familie, de meeste moderne architecturen
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 4
RTP

mechanismen voor hardware input/output
communicatie met randapparaten
 direct vanuit de toepassing

in hogere programmeertalen die mogelijkheden aanbieden
voor I/O programmatie

in hogere programmeertaal waar men dicht bij machine kan
schrijven, of waar men assembler kan in schrijven (bv C)

besturingssysteem moet dit toelaten (vaak beschermd)
 via interface van besturingssysteem (system calls)

meestal via bibliotheekroutines

vaak behandelt de interface alle I/O als karakterstroom

een device driver is een deel van het besturingssysteem dat
interactie verzorgt met een bepaald randapparaat
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 5
RTP

mechanismen voor hardware input/output
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
interactie met randapparaten: schematisch
processen
besturingssysteem
device driver
status
instructies
data
interrupts
device
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 7
RTP

mechanismen voor hardware input/output
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 (zie Hdst 13) 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
schematisch met DMA
processen
besturingssysteem
device driver
status
MEM
interrupts
controller
DMA
dev
Yolande Berbers
instructies
dev
dev
Programmatuur voor real-time controle
slide 9
RTP

mechanismen voor hardware input/output
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

Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 10
RTP

mechanismen voor hardware input/output
schematisch met kanaalprogramma
processen
besturingssysteem
device driver
prog.
status
MEM
interrupts
kanaal
DMA
controller
Yolande Berbers
start-info
controller
Programmatuur voor real-time controle
slide 11
RTP

mechanismen voor hardware input/output
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
interrupt-mechanisme: bij optreden van interrupt: contextswitch
 running taak wordt onderbroken en toestand wordt bewaard
om later herstart te worden (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 (gebeurt door de hardware)
 interrupt routine voert uit (dit is software)




indien niet voldoende registers bewaard: bewaart nog registers
deze routine voert uit
herstelt wat eventueel in begin van routine werd bewaard
voert een ‘return from interrupt’ uit
 de bewaarde context wordt hersteld en de onderbroken taak
kan verder uitvoeren (gebeurt door de hardware)
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 13
RTP

mechanismen voor hardware input/output
identificatie van 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
RTP

mechanismen voor hardware input/output
interrupt-controle
 interrupts kunnen aan en af gezet worden
soms via bit in interrupt-toestandstabel of device-statuswoord
 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 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
RTP

mechanismen voor hardware input/output
twee modellen voor device drivers
 één-niveau device driver
meest eenvoudige device driver, vaak in RT-systemen
 behandelt aanvraag per aanvraag
 aanvaardt nooit opdracht voordat vorige behandeld is
 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
RTP

mechanismen voor hardware input/output
twee modellen voor device drivers
 twee-niveau device driver (zie ook volgende slide)
bovenste niveau: aanvaardt de aanvragen
 dit niveau wordt aangeroepen door proc. 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, behandelt die
 wachtlijst ledig: doet niets

Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 17
RTP
mechanismen voor hardware input/output
 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
RTP

eisen voor taalondersteuning
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
RTP

eisen voor taalondersteuning
voorstelling van interrupts in hogere programmeertalen
 procedureoproep
werd eigenlijk uitgelegd bij interrupt-mechanisme
 gebruikt in C en C++ gebaseerde systemen
 sporadisch proces
 interrupt is aanvraag om een sporadisch proces op te starten
 asynchroon event
 interrupt is een asynchroon event gestuurd naar een handler
 synchronisatie zoals van gedeeld 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 interruptroutine
Yolande Berbers
Programmatuur voor real-time controle
slide 22
RTP schrijven van een driver in Ada

toepassing: driver die 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

randapparaat heeft twee registers
 data register van 16 bit dat de gegevens bevat
 controle register waarvan de bits de volgende betekenis hebben
Bit
0
6
7
8-13
15
Yolande Berbers
Naam
Betekenis
A/D Start
Set to 1 to start a conversion.
Interrupt Enable/Disable
Set to 1 to enable interrupts.
Done
Set to 1 when conversion is complete.
Channel
The converter has 64 analog inputs;
the one required is indicated by bits 8-13
Error
Set to 1 by converter if device
malfunctions.
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)
-- see Section 13.10 for discussion on priorities
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