Fakulta elektrotechnická. mikropolohovací platformy z PC v reálném

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace N´ avrh programov´ eho rozhran´ı pro ˇ r´ızen´ı mikropolohovac´ı platformy z PC v re´ aln´ em ˇ case

Praha, 2007

Autor: Frantiˇ sek Hrdina

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne

podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji vedouc´ımu bakaláˇrské práce Ing. Ondˇreji Holubovi za pomoc i pˇr´ınosnou kritiku. Dˇekuji rodiˇc˚ um za podporu v dobˇe studia.

ii

Abstrakt C´ılem této bakaláˇrské práce je vytvoˇrit programové rozhran´ı pro ˇr´ızen´ı mikropolohovac´ı platformy z PC v reálném ˇcase. Nejprve se práce zab´ yvá vyuˇzit´ım API operaˇcn´ıho systému Windows XP pro u ´lohy v reálném ˇcase. V dalˇs´ı ˇcásti navrhuje moˇznosti rozˇs´ıˇren´ı jádra operaˇcn´ıho systému a poskytuje seznam hardwarov´ ych prostˇredk˚ u k tomuto vhodn´ ych. Uvád´ı dostupná komerˇcn´ı rozˇs´ıˇren´ı. Poté je popsána implementace zvoleného ˇreˇsen´ı.

iii

Abstract The aim of this bachelor thesis is to create software interface for real time control of a micropositioning stage. At first utilization of Windows XP operating system’s API for real time tasks is dealt. In the next part means of extension of operating system’s kernel are proposed and list of suitable hardware resources for the extension is provided. Available commercial extensions are shown. Finally, the implementation of chosen solution is described.

iv

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

vii

Seznam tabulek

ix

´ 1 Uvod

1

2 Windows XP

3

2.1 2.2

2.3

Architektura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.1

Plánovaˇc a správa priorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

User mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.2.1

4

2.2.2

Charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casovaˇ ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.3

Mˇeˇren´ı ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.4

V´ yvojové prostˇredky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Kernel mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3.1

8

2.3.2

Charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casovaˇ ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3.3

Mˇeˇren´ı ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3.4

V´ yvojové prostˇredky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3 Rozˇ s´ıˇ ren´ı Windows XP

11

3.1

Zdroje latenc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.2

Pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.1

APIC a PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.2

IRQ a INTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.2.3

Vyˇrizován´ı poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

ACPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3

v

3.3.1 3.4

3.5

3.6

SMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Hardwarové ˇcasovaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.4.1

LAPIC Timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.4.2

Performance Monitoring MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

Hardwarové prostˇredky pro mˇeˇren´ı ˇcasu

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.5.1

TSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.5.2

PM timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Komerˇcn´ı rozˇs´ıˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.6.1

28

Ardence RTX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ˇ ızen´ı mikropolohovac´ı platformy z PC v re´ 4 R´ aln´ em ˇ case 4.1 4.2 4.3

4.4

31

Mˇeˇren´ı napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ızen´ı piezomotorku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´ ˇ Casov´ e poˇzadavky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.3.1

Multimedia Timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.3.2

Aktivn´ı ˇcekán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

5 Z´ avˇ er

31 32

39

A Zkratky

I

B Pˇ r´ıkazy Windbg

III

C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

V

vi

Seznam obr´ azk˚ u 3.1

SCI — vyvolané pˇreteˇcen´ım PM Timeru. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2

RTX — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3

RTX — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms, CLI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

4.1

MM Timer — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.2

Busy waiting v Matlabu — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms. . . . . . . . . . . .

35

4.3

Busy waiting — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

vii

viii

Seznam tabulek 3.1

PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.2

APIC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.3

ACPI MADT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.4

Mapován´ı zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı na vstupy PIC a IO APIC . . . . . . . . . . .

18

3.6

ACPI FADT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

ix

x

Kapitola 1 ´ Uvod

Pouˇzit´ı standardn´ıch PC pro u ´lohy typu sbˇer dat nebo ˇr´ızen´ı je problematické. Tyto u ´lohy jsou ˇcasovˇe nároˇcné, bˇeˇzné operaˇcn´ı systémy (General Purpose OS) vˇsak byly navrˇzen´ y pro maximáln´ı pr˚ umˇern´ y v´ ykon a ne pro dodrˇzen´ı ˇcasov´ ych poˇzadavk˚ u [1].1 ˇ sen´ım je pouˇz´ıt plánován´ı oznaˇcované jako Cyclic Executive Pattern, hojnˇe vyuˇz´ıvané Reˇ v avionick´ ych systémech pro svoji determiniˇcnost a jednoduchost2 [2]. Spoˇc´ıvá ve spuˇstˇen´ı u ´lohy (task), která nem˚ uˇze b´ yt pˇreruˇsena, dokud sama neskonˇc´ı. Tato u ´loha m˚ uˇze b´ yt spouˇstˇena událost´ı (napˇr. periodicky ˇcasovaˇcem), pak se jedná o Triggered Cyclic Executive Pattern3 . Pokud nalezneme spolehliv´ y ˇcasovaˇc a zaruˇc´ıme atomicitu bˇehu u ´lohy, z´ıskáme deterministické plánován´ı pˇri zachován´ı vˇsech v´ yhod bˇeˇzného operaˇcn´ıho systému. Tato práce zkoumá moˇznosti implementace periodick´ ych i aperiodick´ ych ˇcasovaˇc˚ u (Timers), mˇeˇren´ı ˇcasu (Clocks) a moˇznosti nepˇreruˇseného bˇehu u ´lohy v prostˇred´ı Windows XP a obecnˇe na platformˇe PC. V prvn´ı ˇcásti se zab´ yvá vyuˇzit´ım API operaˇcn´ıho systému a adresuje nedostatky, které znemoˇzn ˇuj´ı dosáhnout vysok´ ych frekvenci a dostateˇcné pˇresnost´ı. V ˇca´sti druhé pak pro tyto problémy navrhuje ˇreˇsen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı hardware dostupn´ y v modern´ıch PC. V´ ysledkem práce je program pro ˇr´ızen´ı mikropolohovaci platformy. Vzhledem k dodan´ ym softwarov´ ym prostˇredk˚ um pro ovládán´ı USB zaˇr´ızen´ı byla jediná moˇzná volba 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

operaˇcn´ı systém Windows. Proto tato práce nestuduje vlastnosti RTLinuxu.

1

Pouˇzit´ı speciáln´ıch real-time operaˇcn´ıch systému (RTOS) m˚ uˇze b´ yt nevhodné nebo pˇr´ımo nemoˇzné

z r˚ uzn´ ych d˚ uvod˚ u: nekompatibilita s existuj´ıc´ımi programy/ovladaˇci, nové prostˇred´ı/API pro programátora, pro jednoduchou u ´lohu je RTOS zbyteˇcnˇe sloˇzit´ y, r˚ uzné poˇc´ıtaˇce pro v´ yvoj a spouˇstˇen´ı programu, atd. 2 Implementation of this pattern is so easy it is hard to get it wrong, at least in any gross way.“ ” Pokud by se vˇsak v kódu u ´lohy vyskytlo zacyklen´ı, dojde k uváznut´ı celého systému (protoˇze je u ´loha nepˇreruˇsitelná). 3 Postup pˇrináˇs´ı velké problémy, pokud je u ´loha pˇr´ıliˇs dlouhá (trvá déle, neˇz je perioda spouˇstˇec´ı události) a mus´ı b´ yt rozdˇelena na v´ıce ˇcást´ı — to ale v pˇr´ıpadˇe sbˇeru dat nebo ˇr´ızen´ı nenastane, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe je vhodnˇejˇs´ı pouˇz´ıt jin´ y zp˚ usob plánován´ı, implementovan´ y ve specializovaném RTOS.

Kapitola 2 Windows XP Windows XP je operaˇcn´ı systém z ˇrady Windows NT, která byla na trh prvnˇe uvedena jiˇz v roce 1993 a dnes (2007) je de facto standard, nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı OS pro PC. Je napsán v C, malá ˇca´st v C++ a hardwarovˇe závislé ˇca´sti v assembleru [1]. Zdrojov´ y kód je uzavˇren´ y1 nebo sd´ılen´ y (Shared source), napˇr. v rámci Microsoft Windows Academic Program lze z´ıskat zdrojové kódy kernelu — Windows Research Kernel [20]. Tato kapitola se nejprve zab´ yvá architekturou Windows XP. Alespoˇ n základn´ı pˇredstava o fungovan´ı Windows je d˚ uleˇzitá pro porozumˇen´ı dalˇs´ım ˇca´stem práce. Po u ´vodu do architektury následuje popis ˇcasovaˇc˚ u, které Windows nab´ız´ı. Jsou zm´ınˇeny v´ yvojové prostˇredky a doporuˇcená literatura. Text je doplnˇen ukázkami v jazyce C.

2.1

Architektura

Systém byl p˚ uvodnˇe navrˇzen jako microkernel, z d˚ uvod˚ u vyˇsˇs´ıho v´ ykonu je ale tzv. hybridkernel (ponechává si strukturu microkernelu, sluˇzby operaˇcn´ıho systému ale bˇeˇz´ı z v´ ykonnostn´ıch d˚ uvod˚ u v kernel módu — privilegovan´ y reˇzim) [1] . Na procesorech x86 vyuˇz´ıvá moˇznosti spouˇstˇen´ı kódu s r˚ uzn´ ymi privilegii — tzv. Ring 0-3. Kernel mode je Ring 0 — má nejvyˇsˇs´ı privilegia3 , bˇeˇzn´ y uˇzivatelsk´ y kód pak bˇeˇz´ı v user módu — Ring 3 — nejniˇzˇs´ı privilegia, Ring 1 a 2 nen´ı pouˇz´ıt. Windows NT byla od poˇca´tku navrˇzena tak, aby fungovala na r˚ uzn´ ych procesorov´ ych 1

Zkoumán´ı nedokumentované implementace lze provádˇet metodami tzv. reverzn´ıho inˇzen´ yrstv´ı (Re-

verse Engineering). Zejména se jedná o dynamickou anal´ yzu kernel debuggerem WinDbg 2 [26] a statickou anal´ yzu pomoc´ı nástroje IDA [25] (disassembler). 3 Existuje mód procesoru, kter´ y má jeˇstˇe vyˇsˇs´ı prioritu neˇz Ring 0 - tedy jak´ ysi Ring -1, naz´ yvá se System Management mode (SMM).

3

4

KAPITOLA 2. WINDOWS XP

architekturách. O adaptaci na konkrétn´ı hardware se stará HAL (Hardware Abstraction Layer). V kernel módu bˇeˇz´ı kromˇe HALu (micro)kernel (plánovaˇc, multiprocesorová synchronizace, obsluha nˇekter´ ych pˇreruˇsen´ı — s KINTERRUPT — ostatn´ı obsluhuje HAL, ...), exekutiva (sluˇzby OS: správa pamˇeti, správa proces˚ u, ...), ovladaˇce zaˇr´ızen´ı (sem patˇr´ı i filesystem) a grafick´ y systém. Exekutiva poskytuje user módu takzvané nativn´ı API, to nevyuˇz´ıvaj´ı uˇzivatelské programy pˇr´ımo, ale prostˇrednictv´ım tzv. subsystém˚ u. Subsystém je napˇr. Win32 (ˇca´st tohoto subsystému bˇeˇz´ı ale v kernel módu), POSIX jako voliteln´ y doplnˇek Services for UNIX, OS/2, 16bit DOS. Win32 mus´ı bˇeˇzet vˇzdy, poskytuje totiˇz nav´ıc sluˇzby ostatn´ım subsytem˚ um.

2.1.1

Pl´ anovaˇ c a spr´ ava priorit

Ze vˇsech komponent Windows XP jsou pro u ´ˇcely této kapitoly nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı plánovaˇc a zp˚ usob správy priorit. Plánovaˇc Windows NT je prioritou ˇr´ızen´ y, preemptivn´ı a plánuje thready, nikoliv procesy. Kaˇzd´ y thread má pˇridˇelené kvantum ˇcasu, po které m˚ uˇze bˇeˇzet, poté je pˇreplánován (pokud nen´ı pˇred uplynut´ım kvanta pˇreplánován kv˚ uli jinému threadu s vyˇsˇs´ı prioritou) na jin´ y thread se stejnou (round-robin) nebo vyˇsˇs´ı prioritou. Kdyˇz takov´ y thread neexistuje, p˚ uvodn´ı thread bˇeˇz´ı i po uplynut´ı kvanta. Priority se dˇel´ı na user mode (celkem 32, aktuáln´ı priorita threadu = základn´ı priorita procesu + relativn´ı priorita) a kernel mode (tzv. IRQL 0-31, user mode thready bˇeˇz´ı v nejniˇzˇs´ım IRQL 0, APC4 — IRQL 1 a DPC5 — IRQL 2 implementováno jako softwarové pˇreruˇsen´ı).

2.2 2.2.1

User mode Charakteristika

User mode neboli uˇzivatelsk´ y reˇzim je pˇrirozen´ ym prostˇred´ım pro bˇeˇzné aplikace, které jsou zde spuˇstˇeny ve formˇe procesu a jeho threadu. Bˇeˇzn´ y uˇzivatelsky kód má vˇsak jistá omezen´ı — nelze napˇr´ıklad pˇristupovat do pamˇeti jádra (na 32-bitov´ ych Windows bez /3GB pˇrep´ınaˇce je to pamˇet’ vyˇsˇs´ı neˇz 8000 0000H), pˇristupovat k pamˇet’ové mapovan´ ym 4

Asynchronn´ı volán´ı procedur — vzdálené pˇripom´ıná unixové signály. Rozliˇsujeme user mode

(IRQL 0), kernel mode (IRQL 1) a speciáln´ı APC 5 Odloˇzené volán´ı procedury — pouˇzit´ı napˇr. pˇri obsluze pˇreruˇsen´ı: m´ısto aby ISR provádˇela vˇsechen kód, vykoná pouze nejnutnˇejˇs´ı ˇcást a do fronty pˇridá objekt DPC, kód z DPC bude vykonán jakmile poklesne IRQL na u ´roveˇ n 2 a na dané DPC pˇrijde ˇrada.

2.2. USER MODE

5

zaˇr´ızen´ım (vˇetˇsinou jsou mapována do oblasti jádra), vyuˇz´ıvat IO porty a provádˇet privilegované instrukce. Nem˚ uˇze tedy pˇr´ımo pracovat s hardware. Zvláˇstˇe nemoˇznost pracovat s IO porty nesli programátoˇri zvykl´ı na DOS nelibˇe a proto vznikaly r˚ uzné knihovny, které pomoc´ı driveru6 umoˇznily pˇr´ıstup k IO [30]. V systému XP SP2 existuje rozhran´ı pro debugger ZwSystemDebugControl, které v´ yˇse uvedené operace umoˇzn ˇuje (kromˇe nˇekter´ ych privilegovan´ ych instrukc´ı), bohuˇzel v dalˇs´ıch verz´ıch (Server 2003 SP1) byla jeho funkˇcnost z bezpeˇctnostn´ıch d˚ uvod˚ u omezena. Standardn´ı a správn´ y zp˚ usob je privilegovan´ y kód um´ıstit do driveru a s n´ım komunikovat pomoc´ı DeviceIoControl nebo Read/WriteFile. Open source driver umoˇzn ˇuj´ıc´ı pˇr´ıstup k hardware lze nalézt na [31]. Dalˇs´ım nedostatkem uˇzivatelsk´ ych aplikaci je n´ızká priorita v rámci IRQL. I kdyˇz threadu pˇriˇrad´ıme nejvyˇsˇs´ı moˇznou uˇzivatelskou prioritu 31: SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), REALTIME_PRIORITY_CLASS); SetThreadPriority(GetCurrentThread(), THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL);

— nebude ho moci pˇreruˇsit ˇza´dn´ y jin´ y uˇzivatelsk´ y ani systémov´ y thread, stále ale bude m´ıt pouze IRQL 0. Tzn. m˚ uˇze b´ yt pˇreruˇsen APC, DPC (viz 2.1.1) i jak´ ymkoliv hardwarov´ ym pˇreruˇsen´ım. V ˇza´dném pˇr´ıpadˇe tedy v user módu nem˚ uˇzeme splnit poˇzadavek na nepˇreruˇsiteln´ y bˇeh u ´lohy. Pˇres v´ yˇse popsané nev´ yhody by mˇel b´ yt user mode vˇzdy volbou ˇc´ıslo jedna. V uˇzivatelském reˇzimu má nejlepˇs´ı ˇcasovaˇc rozliˇsen´ı 1 ms, coˇz je pro mnoho u ´loh dostaˇcuj´ıc´ı. V´ yvoj je velmi snadn´ y — chyba aplikace nezp˚ usob´ı pád celého systému, k dispozici je rozsáhlá dokumentace a propracované v´ yvojové prostˇredky. Lze vyuˇz´ıvat vˇsech sluˇzeb operaˇcn´ıho systému.

2.2.2

ˇ Casovaˇ ce

Windows XP nab´ız´ı v user módu API pro ˇcasovaˇce umoˇzn ˇuj´ıc´ı volat zadanou rutinu v pˇredem urˇcen´ y ˇcas nebo m˚ uˇzeme ˇcasovaˇc emulovat tak, ˇze thread na zadanou dobu usp´ıme. Pouˇzit´ı funkc´ı nebude popsáno, protoˇze jsou dokumentovány v SDK (viz 2.2.4). SetTimer Nastavuje ˇcasovaˇc, kter´ y bud’ volá urˇcenou rutinu, nebo oknu pos´ılá zprávu WM TIMER. 6

Pouˇzijeme-li nedokumentovanou funkci NtSetInformationProcess, m˚ uˇzeme povolit pˇr´ıstup na IO

porty i bez driveru. Testováno na Windows XP SP2.

6


SetWaitableTimer Nastavuje ˇcasovaˇc vytvoˇren´ y pomoc´ı CreateWaitableTimer. Na takto vytvoˇren´ y ˇcasovaˇc lze nahl´ıˇzet jako na synchronizaˇcn´ı objekt a ˇcekat na nˇej pomoci WaitForSingleObject. Implementováno pomoci APC. Sleep Usp´ı thread na zadan´ y poˇcet ms. SleepEx Stejné jako Sleep, thread je ale bˇehem ˇcekán´ı ve stavu alertable“, tzn. m˚ uˇze ” pˇrijmout user mode7 APC vyslané napˇr. pomoci QueueUserAPC. Rozliˇsen´ı v´ yˇse uveden´ ych funkc´ı je odvozeno od tik˚ u systémového ˇcasovaˇce a je okolo 10 ms (GetSystemTimeAdjustment). Tyto funkce nejsou spolehlivé pro ˇcekán´ı v ˇra´dech ms. Nejlepˇs´ı user mode ˇcasovaˇce nalezneme v knihovnˇe WINMM.DLL: Multimedia Timers [18]. Vyuˇz´ıvaj´ı totiˇz nedokumentovanou funkci NtSetTimerResolution, která zmˇen´ı granularitu systémového ˇcasovaˇce aˇz na 1 ms. Pˇr´ıklad kódu, kter´ y nastav´ı periodick´ y ˇcasovaˇc: TIMECAPS t c ; MMRESULT timerID ; // d o t a z na r o z l i ˇs e n´ı ( v ms) timeGetDevCaps(& tc , s i z e o f (TIMECAPS ) ) ; // n a s t a v i t n e j l e p ˇs´ı moˇzné r o z l i ˇs e n´ı t i m e B e g i n P e r i o d ( t c . wPeriodMin ) ; // s p u s t i t ˇc asovaˇc , bude v o l a t f c i TimerCallback , T=1ms timerID = timeSetEvent ( 1 , wTimerRes , TimerCallback , 0 , TIME PERIODIC ) ; ... // u k o n ˇc i t ˇc a s o v aˇc t i m e K i l l E v e n t ( timerID ) ; Multimedia Timer nen´ı naprosto pˇresn´ y, jitter m˚ uˇze b´ yt aˇz v ˇrádech milisekund, podrobnou studii latenc´ı tohoto ˇcasovaˇce m˚ uˇze ˇctenáˇr naj´ıt v [4] a pokus o jeho vylepˇsen´ı v [35]. Pro bˇeˇzné soft-realtime u ´lohy je vˇsak dostaˇcuj´ıc´ı.

2.2.3

Mˇ eˇ ren´ı ˇ casu

K dispozici je následuj´ıc´ı API: 7

Kernel mode APC m˚ uˇze thread pˇrijmout vˇzdy.

2.2. USER MODE

7

timeGetTime Rozliˇsen´ı aˇz 1 ms. Multimedia Timer. GetSystemTime Vrac´ı datum SYSTEMTIME-dd/mm/y... vˇcetnˇe u ´daje o ms. Rozliˇsen´ı okolo 10 ms. GetTickCount Rozliˇsen´ı vrac´ı GetSystemTimeAdjustment, zhruba 10 ms. NtQuerySystemTime Rozliˇsen´ı zhruba 10ms. QueryPerformanceCounter/QueryPerformanceFrequency Stovky nanosekund. Nejpˇresnˇejˇs´ı je duo QueryPerformanceCounter/QueryPerformanceFrequency. Nejprve se pomoci QueryPerformanceFrequency zeptáme na frekvenci ˇc´ıtaˇce (která se po startu Windows jiˇz nemˇen´ı) a poté pomoci QueryPerformanceCounter zjist´ıme poˇcet tik˚ u. Tyto dvˇe funkce mohou b´ yt implementovány pomoci instrukce RDTSC, na v´ıceprocesorovém poˇc´ıtaˇci pak je nutno mˇeˇrit tiky jen na jednom procesoru (SetThreadAffinityMask) a frekvence ˇc´ıtaˇce je rovná frekvenci CPU. Nebo jsou implementovány pomoci PM Timer a frekvence je pak rovná 3579545Hz. Pˇr´ıklad pouˇzit´ı: LARGE INTEGER time1 , time2 , t p s ; QueryPerformanceFrequency(& t p s ) ; p r i n t f ( ” f r e q u e n c y : %I64Ld t i c k s / s e c \n” , t p s ) ; QueryPerformanceCounter(& time1 ) ; ... QueryPerformanceCounter(& time2 ) ; p r i n t f ( ”%.9 f s e c o n d s %d t i c k s \n” , ( ( f l o a t ) ( time2 . QuadPart−time1 . QuadPart ) / ( f l o a t ) t p s . QuadPart ) , time2 . QuadPart − time1 . QuadPart ) ;

2.2.4

V´ yvojov´ e prostˇ redky

Základn´ım vybaven´ım pro v´ yvoj v user módu je Platform SDK, dostupné z webu Microsoftu zdarma. Obsahuje knihovny *.lib, hlaviˇckové soubory a pˇredevˇs´ım kvalitn´ı dokumentaci. Hlavn´ım kompilátorem pro Windows je cl.exe, lze ho z´ıskat zdarma napˇr. s distribuci .NET Framework SDK nebo s Visual Express C++.

8


2.3

Kernel mode

2.3.1

Charakteristika

Korektn´ı zp˚ usob, jak spouˇstˇet kód v Ringu 0, je vytvoˇrit tzv. driver neboli ovladaˇc. Nemus´ı pˇritom ovládat ˇza´dné fyzické zaˇr´ızen´ı. Driver je naˇcten bud’ dynamicky, podobnˇe jako DLL v user módu, nebo automaticky pˇri bootu systému. Driver má stejná privilegia jako operaˇcn´ı systém. Pokud dojde k v´ yjimce v uˇzivatelské aplikaci, nic se nestane, maximálnˇe je aplikace ukonˇcena. Pokud dojde k neoˇsetˇrené v´ yjimce v kernel módu, vˇetˇsinou je zavolána funkce KeBugCheck, která uloˇz´ı zprávu o chybˇe vˇcetnˇe souˇcasného stavu systému (do adresáˇre %WINDOWS%\Minidump), vyp´ıˇse na obrazovku vzkaz pro uˇzivatele (nechvalnˇe známá modrá obrazovka — BSOD) a ukonˇc´ı systém. V kernel módu se pouˇz´ıvá zcela odliˇsné API, nelze napˇr´ıklad pouˇz´ıt ani vˇsechny standardn´ı funkce jazyka C. Nˇekteré funkce API lze volat jen pˇri IRQL niˇzˇs´ım neˇz urˇcitá mez. Adresov´ y prostor je pro vˇsechny drivery stejn´ y (v user módu má kaˇzd´ y proces sv˚ uj vlastn´ı, izolovan´ y, tvoˇren´ y stránkovanou pamˇeti). Pˇri práci s pamˇet´ı rozliˇsujeme PagedPool a NonPagedPool. NonPagedPool je pˇr´ıtomn´ y v pamˇeti vˇzdy, data z nˇej nikdy nemohou b´ yt odloˇzena na disk. Pokud kód bˇeˇz´ı s prioritou IRQL >= 2, nemˇel by nikdy pˇristupovat ke stránkované pamˇeti. M˚ uˇze doj´ıt k v´ yjimce, kterou kv˚ uli pˇr´ıliˇs vysokému IRQL nebude moˇzno obslouˇzit. Na to je tˇreba dbát zvláˇstˇe pˇri psan´ı kódu DPC nebo volaného z ISR hardwarov´ ych ˇcasovaˇc˚ u8 a pouˇz´ıvat pouze pamˇet’ z NonPagedPool.

2.3.2

ˇ Casovaˇ ce

y KeInitializeTimer. Lze pouˇz´ıt jako synchroKeSetTimer Nastav´ı ˇcasovaˇc vytvoˇren´ nizaˇcn´ı objekt i pro spuˇstˇen´ı DPC v dan´ y ˇcas. KeDelayExecutionThread Ekvivalent user mode funkce Sleep. Lze volat pouze pokud je IRQL = 0 (PASSIVE LEVEL). KeStallExecutionProcessor Podobnˇe jako Sleep, implementováno ale jako aktivn´ı ˇcekán´ı, proto pouˇzit´ı doporuˇcené jen pro doby menˇs´ı neˇz 50 µs. 8

Aby mˇel ˇcasovaˇc vˇzdy pˇrednost pˇred ostatn´ımi pˇreruˇsen´ımi, bˇeˇz´ı s nejvyˇsˇs´ım moˇzn´ ym IRQL

2.3. KERNEL MODE

2.3.3

9

Mˇ eˇ ren´ı ˇ casu

KeQuerySystemTime Inkrementuje kaˇzd´ ych 10 ms. Vrac´ı poˇcet 100 ns intervalu od 1. ledna 1601 UTC (obdoba unixového timestamp — poˇcet sekund od 1. ledna 1970). ˇ KeQueryTickCount Vrac´ı poˇcet tik˚ u systémového ˇcasovaˇce od bootu systému. Casov´ y pˇr´ır˚ ustek na jeden tik lze zjistit pomoci KeQueryTimeIncrement. KeQueryInterruptTime Podle dokumentace KeQueryTickCount jde o variantu s lepˇs´ım ˇcasov´ ym rozliˇsen´ım. KeQueryPerformanceCounter Tato funkce je volaná QueryPerformanceCounter, vrac´ı zároveˇ n frekvenci — rozliˇsen´ı. Opˇet nejpˇresnˇejˇs´ı dostupná funkce. Funkce pro ˇcasovaˇce i mˇeˇren´ı ˇcasu jsou opˇet odvozeny od periody tik˚ u systémového ˇcasovaˇce. Periodu tik˚ u nelze bohuˇzel pomoc´ı API zmˇenit.

2.3.4

V´ yvojov´ e prostˇ redky

To, co je pro user mode Platform SDK, je pro kernel mode DDK — Driver Development Kit, v dobˇe Windows Vista nahrazován WDK. Ke staˇzen´ı zdarma [28]. Obsahuje vˇse potˇrebné pro v´ yvoj: hlaviˇckové soubory, knihovny, dokumentaci, kompilátory a dalˇs´ı. Bohuˇzel, mnoho funkc´ı kernelu je nedokumentovan´ ych. Nepostradateln´ ym nástrojem je v u ´vodu kapitoly zm´ınˇen´ y Windbg [26]. Lze s n´ım ladit lokáln´ı i vzdálen´ y kernel (napˇr. OS spuˇstˇen´ y ve VmWare) a analyzovat minidumpy. Je vhodn´ y také pro ladˇen´ı bˇeˇzn´ ych aplikac´ı. Monografie zab´ yvaj´ıc´ı se v´ yvojem kernel mode driver˚ u je napˇr. [3].

10


Kapitola 3 Rozˇ s´ıˇ ren´ı Windows XP Pojmem rozˇs´ıˇren´ı (Extensions) rozum´ıme programové prostˇredky, které nˇejak´ ym zp˚ usobem rozˇsiˇruj´ı jádro Windows a prop˚ ujˇcuj´ı mu nové vlastnosti. Na u ´vod je nutné ˇr´ıci, ˇze dostupná rozˇs´ıˇren´ı pro Windows XP jsou velmi drahá a proto pro bˇeˇzné aplikace takˇrka nedostupná. V této kapitole bude popsán hardware, pomoci nˇehoˇz lze kl´ıˇcovou ˇcást rozˇs´ıˇren´ı — ˇ ˇcasovaˇc — implementovat. Casovaˇ ce jsou zde povaˇzovány za programovatelné zdroje pˇreruˇsen´ı. Nejprve bude popsána implementace mechanismu pˇreruˇsen´ı, poté bude v sekci ACPI poukázáno na problémy znemoˇzn ˇuj´ıc´ı nepˇreruˇsiteln´ y bˇeh u ´lohy a poté zm´ınˇeny hardwarové ˇcasovaˇce a hardwarové prostˇredky pro mˇeˇren´ı ˇcasu. Text je doplnˇen ukázkami kódu pro Windbg [26]. Pˇrehled pouˇzit´ ych pˇr´ıkaz˚ u nalezne ˇctenáˇr v pˇr´ıloze B.

3.1

Zdroje latenc´ı

Rozliˇsen´ı (resolution, granularity) ˇcasovaˇce závis´ı na hardware, j´ımˇz je ˇcasovaˇc realizován. Skuteˇcná pˇresnost (accuracy) závis´ı mimo jiné na zp˚ usobu vyˇr´ızen´ı poˇzadavku pˇreruˇsen´ı od ˇcasovaˇce k procesoru. Ke zpoˇzdˇen´ı m˚ uˇze doj´ıt, pokud je právˇe obsluhováno pˇreruˇsen´ı s vyˇsˇs´ı prioritou, pˇreruˇsen´ı jsou zakázána (maskována) nebo je procesor v SM módu (zp˚ usobeno ˇr´ızen´ım spotˇreby — ACPI) a pouˇzit´ım ISR, která ukládá kontext (standardn´ı zp˚ usob s KINTERRUPT). Dalˇs´ımi ovlivˇ nuj´ıc´ımi faktory jsou napˇr. koherence cache, prob´ıhaj´ıc´ı DMA pˇrenos, atp. 11

ˇ Í WINDOWS XP KAPITOLA 3. ROZSˇÍREN

12

3.2

Pˇ reruˇ sen´ı

Architektura vyˇrizován´ı poˇzadavku pˇreruˇsen´ı je na poˇc´ıtaˇc´ıch PC poznamenána historick´ ym v´ yvojem. Vedle sebe tu v rámci kompatibility existuj´ı dva ˇradiˇce pˇreruˇsn´ı. Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze od zaˇr´ızen´ı, které poˇzaduje pˇreruˇsen´ı, do procesoru, kter´ y poˇzadavek pˇreruˇsen´ı obslouˇz´ı, vede nˇekolik cest. Kter´ y ˇradiˇc je rychlejˇs´ı, m˚ uˇze záleˇzet na konkrétn´ım hardware.

3.2.1

APIC a PIC

Procesory rodiny P6 a vyˇsˇs´ı obsahuj´ı APIC [11], kter´ y se skládá ze dvou ˇcásti: Local APIC (integrován v CPU) a IO APIC (na základn´ı desce: samostatnˇe [10], integrován v SouthBridge [9, 9.5] nebo jinde, jeden a v´ıce). Local APIC má dvˇe základn´ı funkce. Prvn´ı u ´loha je zpracován´ı vnitˇrn´ıch (LINTI0-1, Timer, Performance Mononitor, Thermal Sensor) a vnˇejˇs´ıch, po sbˇernici doruˇcen´ ych, (IO APIC, MSI, ...) poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı. Druhá u ´loha je pˇrij´ımán´ı/vys´ılán´ı IPI (ve v´ıceprocesorov´ ych konfigurac´ıch). Z d˚ uvod˚ u zpˇetnˇe kompatibility1 (PC-AT) se na základn´ı desce ˇcasto nacház´ı také PIC (master a slave) a APIC m˚ uˇze b´ yt vyˇrazen z provozu, nebo mohou fungovat oba souˇcasné (standard ACPI zakazuje). LAPIC má vstupn´ı piny LINTI0 a LINTI1. V´ ystup PIC je pˇripojen na LINTI0. Pokud nen´ı APIC aktivn´ı, systém je nakonfigurován v módu kompatibility: LINTI0 je nakonfigurován jako ExtINT. LINTI1 má stejnou funkci jako pˇri zapnutém APIC — tedy pˇr´ıjem NMI. Poˇzadavk˚ u na pˇreruˇsen´ı zpracovávan´ ych LAPICem (Delivery Mode) je nˇekolik typ˚ u. Typ poˇzadavku m˚ uˇzeme nastavit v IO APIC (extern´ı zdroj), LAPIC d´ıky mechanismu generován´ı meziprocesorov´ ych pˇreruˇsen´ı dokáˇze vyslat libovoln´ y typ poˇzadavku pˇreruˇsen´ı také sám sobˇe2 , typ m˚ uˇzeme nastavit i u vnitˇrn´ıch zdroj˚ u. Fixed: Standardn´ı typ pˇreruˇsen´ı. Zdrojem jsou zaˇr´ızen´ı pˇripojená na IO APIC, která pˇreruˇsen´ı vyuˇz´ıvaj´ı k signalizaci nˇejaké události (napˇr. stisk klávesy, dokonˇcen´ı DMA pˇrenosu). Je volána obsluˇzná rutina v IDT urˇcená vektorem poˇzadavku. Vektor je ˇc´ıslo od 10H do 0FEH. Konec pˇreruˇsen´ı je signalizován zapsán´ım nuly do registru EOI v LAPIC. Lowest Priority: Meziprocesorové pˇreruˇsen´ı. 1 2

Pˇekn´ y pˇrehled v´ yvoje m˚ uˇze ˇctenáˇr nalézt v [16] a [17]. T´ımto zp˚ usobem implementuji Windows softwarová pˇreruˇsen´ı pro APC a DPC ve funkci

hal!HalRequestSoftwareInterrupt.

ˇ ˇ Í 3.2. PRERU SEN

13

Pˇreruˇsen´ı stejné jako Fixed, s t´ım rozd´ılem, ˇze je doruˇceno procesoru kter´ y právˇe pracuje s nejniˇzˇs´ı prioritou. Implementaˇcnˇe specifické. SMI: System Management Interrupt. Zdrojem je vodiˇc chipsetu napojen´ y na pin procesoru SMI#, viz napˇr. [13, 4.2 Alphabetical Signals Reference]. Toto pˇreruˇsen´ı nelze maskovat instrukc´ı CLI. Jedná se o speciáln´ı typ pˇreruˇsen´ı, volána rutina na adrese SMM BASE+8000H. Viz 3.3.1. NMI: Non Maskable Interrupt. Zdrojem3 b´ yvá vodiˇc chipsetu napojen´ y na pin LINTI1, pˇr´ıˇcinou pak napˇr´ıklad chyba hardware (chyba parity DRAM — pokud modul pamˇeti takovou kontrolu umoˇzn ˇuje, apod.). Vˇzdy je volána rutina na vektoru 2. NMI nelze maskovat pomoc´ı instrukce CLI (CLI nemaskuje pˇreruˇsen´ı s vektorem menˇs´ım neˇz 32, tedy rezervované vektory[11, 5.8.1 Masking Maskable Hardware Interrupts]). INIT: Inicializace. Speciáln´ı typ pˇreruˇsen´ı, provede inicializaci procesoru. Pro tento signál má procesor i pin INIT#. ExtINT: Pˇreruˇsen´ı v reˇzimu kompatibility. Zdrojem tohoto pˇreruˇsen´ı je PIC, procesor na nˇej odpov´ı speciáln´ım cyklem INTA, kter´ y je chipsetem (NB ho pˇreloˇz´ı na PCI Interrupt Acknowledge Cycle a poˇsle po PCI do SB) pˇreloˇzen na signál do PIC, oznamuj´ıc´ı obdrˇzen´ı poˇzadavku pˇreruˇsen´ı. PIC (integrovan´ y v SB) si tento signál pˇreloˇz´ı na dva pulzy INTA# a poˇsle je do jádra kompatibiln´ıho s 8259. Poté je procesoru doruˇcen vektor pˇreruˇsen´ı a spuˇstˇena pˇr´ısluˇsná obsluˇzná rutina v IDT. Konec pˇreruˇsen´ı je signalizován pˇr´ıkazem EOI do PIC. Pokud je PIC v AEOI módu, pak nen´ı tˇreba konec pˇreruˇsen´ı signalizovat, protoˇze je ukonˇceno automaticky po obdrˇzen´ı druhého pulzu INTA#. Cel´ y proces je popsán v datasheetu SB [9, 5.8.1 Interrupt Handling]. Z v´ yˇse uvedeného vypl´ yvá, ˇze nejvhodnˇejˇs´ım typem pˇreruˇsen´ı je NMI, které nem˚ uˇze b´ yt zakázano. Pokud pouˇz´ıváme samostatnˇe star´ y ˇradiˇc PIC, pak NMI nelze pouˇz´ıt, vˇsechna pˇreruˇsen´ı jsou typu Fixed. V pˇr´ıpadˇe konfigurace s IO APIC m˚ uˇze NMI generovat libovolné zaˇr´ızen´ı nebo PIC pˇripojen´ y na LAPIC. 3

Lze zakázat (maskovat) zapsán´ım bit˚ u 7 na port 70H: ob 70 80.


14

Windows XP SP2 v reˇzimu ACPI (standardn´ı konfigurace, viz [21]) vyuˇz´ıvaj´ı APIC, zat´ımco vˇsechna pˇreruˇsen´ı z PIC jsou maskovaná. PIC tedy m˚ uˇzeme bezpeˇcnˇe pouˇz´ıt pro z´ıskán´ı NMI (po konfiguraci LAPICu).

Tabulka 3.1: PIC lkd> !pic ------- IRQ Number ------- 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F Physically in service:

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Physically masked:

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Physically requested:

Y

.

.

.

.

Y

.

.

.

.

Y

Y

.

.

.

.


15

Tabulka 3.2: V tabulce jsou patrné vektory i typy pˇreruˇsn´ı, jak byly jednotliv´ ym zdroj˚ um pˇriˇrazeny od Windows. Napˇr. INTI02 — PIT — nen´ı pouˇzit. Lok´ aln´ ı zdroje pˇ reruˇ sen´ ı lkd> !apic Apic @ fffe0000

ID:0 (40010)

TimeCnt: ffffffffclk

LogDesc:01000000

SpurVec:1f

FaultVec:e3

DestFmt:ffffffff

TPR 41

error:2

Ipi Cmd: 00040041

Vec:41

FixedDel

Dest=Self

edg

high

Timer..: 000300fd

Vec:FD

FixedDel

Dest=Self

edg

high

masked

Linti0.: 0001001f

Vec:1F

FixedDel

Dest=Self

edg

high

masked

Linti1.: 000004ff

Vec:FF

NMI

Dest=Self

edg

high

TMR: 73, 83, B1 Extern´ ı zdroje pˇ reruˇ sen´ ı lkd> !ioapic IoApic @ FEC00000

ID:2 (11)

Arb:0

Inti00.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

Inti01.: 00000993

Vec:93

LowestDl

Lg:01000000

edg

high

Inti02.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti03.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti04.: 00000992

Vec:92

LowestDl

Lg:01000000

edg

high

Inti05.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti06.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti07.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti08.: 000008d1

Vec:D1

FixedDel

Lg:01000000

edg

high

Inti09.: 0000a9b1

Vec:B1

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti0A.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti0B.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

masked

Inti0C.: 000009a3

Vec:A3

LowestDl

Lg:01000000

edg

high

Inti0D.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

Inti0E.: 00000962

Vec:62

LowestDl

Lg:01000000

edg

high

Inti0F.: 00000982

Vec:82

LowestDl

Lg:01000000

edg

high

Inti10.: 0000a973

Vec:73

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti11.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

Inti12.: 0000a983

Vec:83

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti13.: 0000a9b4

Vec:B4

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti14.: 0000a963

Vec:63

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti15.: 0000a9a4

Vec:A4

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

Inti16.: 000100ff

Vec:FF

FixedDel

PhysDest:00

edg

high

Inti17.: 0000a994

Vec:94

LowestDl

Lg:01000000

lvl

low

masked

masked

masked

masked


16

3.2.2

IRQ a INTI

ˇ ıslo vstupn´ıho Zaˇr´ızen´ı (napˇr. PIT) je fyzicky pˇripojeno na vstupn´ı pin IO APIC a PIC. C´ pinu u PIC se uvád´ı jako IRQ0:15 a je urˇceno [6], u IO APIC se uvád´ı jako INTI00:23 (poˇcet vstup˚ u IO APIC závis´ı na konkrétn´ı implementaci). Pˇriˇrazen´ı IRQ/INTI zaˇr´ızen´ım se m´ırnˇe liˇs´ı — na INTI00 je pˇripojen signál INTR (poˇzadavek pˇreruˇsen´ı) vedouc´ı z master PIC, zat´ımco na IRQ0 je pˇripojen PIT. V IO APIC je PIT pˇripojen na INTI02, na IRQ2 je pˇripojen INTR ze slave PIC. V´ ystup IO APIC je pˇres APIC sbˇernici (P4 a novˇejˇs´ı pˇres systémovou sbˇernici) pˇripojen k LAPIC, odtud jsou poˇzadavky vedeny pˇr´ımo do jádra procesoru. V´ ystup PIC je pˇripojen kromˇe INTI00 také na LAPIC, konkrétnˇe LINTI0.

Zp˚ usob zapojen´ı IO APIC pro konkrétn´ı implementaci lze zjistit z ACPI tabulky MADT [5, s. 111], kde zapojen´ı liˇs´ıc´ı se od standardu je uvedeno jako Interrupt Source Override, kde Source oznaˇcuje ˇc´ıslo IRQ a Global Systam Interrupt oznaˇcuje ˇc´ıslo INTI. Z následuj´ıc´ıho pˇr´ıkladu vypl´ yvá, ˇze IRQ0 (PIT) je mapováno na INTI2. Vid´ıme také, ˇze NMI vede do LINTI1. V´ ystup PIC tedy m˚ uˇze vést kromˇe INTNI0 také do LINTI0.


17

Tabulka 3.3: ACPI MADT lkd> !mapic MAPIC - HEADER - fffffffff8b0e0c0 Signature:

APIC

... MAPIC - BODY - fffffffff8b0e0e4 Local APIC Address:

0xfee00000

Flags:

0x000001

PC-AT dual 8259 compatible setup Processor Local Apic ACPI Processor ID:

0x01

APIC ID:

0x00

Flags:

0x00000001

Processor is Enabled IO Apic IO APIC ID:

0x02

IO APIC ADDRESS:

0xfec00000

System Vector Base:

0x00000000

Interrupt Source Override Bus:

0x00

Source:

0x00

Global Interrupt:

0x00000002 ...

Non Maskable Interrupt Source - local to processor Flags:

0x0005

Processor:

0x01

LINTIN:

0x01 ...

3.2.3

Vyˇ rizov´ an´ı poˇ zadavk˚ u pˇ reruˇ sen´ı

. PIT _ PIC _ LAPIC (LINTI0) . PIT _ PIC _ IO APIC (INTI00) _ LAPIC . PIT _ IO APIC (INTI2) _ LAPIC Poté co koncové zaˇr´ızen´ı (napˇr. PIT) vyˇsle ˇzádost o pˇreruˇsen´ı, doraz´ı tento signál do IO APIC a zároveˇ n/nebo do PIC. Pro naˇse u ´ˇcely je zaj´ımavé sledovat vyˇrizovan´ı pˇreruˇsen´ı z hlediska priority.


18

Tabulka 3.4: Mapován´ı zdroj˚ u pˇreruˇsen´ı na vstupy PIC a IO APIC IRQ

INTI

PIC master:

IO APIC:

0

PIT

PCI master INTRb

1

Keyboard

2

PIC slave INTR

3

COM 2

4

COM 1

5

LPT 2a

6

Floppy

7

LPT 1

PITb

PIC slave: 8

RTC

9

SCIb /-

10

SCIb /COM 4a

11

SCIb /COM 3a

12

Mouse PS/2

13

Coprocessor

14

Primary IDE

15

Secondary IDE

16:19

PCI

20:21

SCIb /Motherboard

22

SCIb /General purpose

23

SCIb

b

Jedna z moˇznosti, viz [9], konkrétn´ı imple-

mentaci popisuje ACPI, napˇr. pro PCI urˇceno ve struktuˇre FADT [5]. a Specifikace [6] definuje jako nepovinné.


19

IO APIC: Zde je provedeno pˇresmˇerován´ı — IO APIC obsahuje tabulku (Redirection Table) dvaceti ˇctyˇr 64-bitov´ ych záznam˚ u — pro kaˇzd´ y INTI jeden. Kaˇzd´ y záznam obsahuje tyto informace: typ signálu (hrana nebo u ´roveˇ n + aktivn´ı v low/high), vektor (32-255) a priorita/typ pˇreruˇsen´ı, c´ılov´ y procesor, zp˚ usob v´ ybˇeru procesoru (statick´ y/dynamick´ y). IO APIC provád´ı v´ ybˇer pˇreruˇsen´ı kruhovˇe, tzn. ne podle priority - toto ˇr´ızen´ı je ponecháno na LAPIC, do kterého putuje poˇzadavek pˇreruˇsen´ı bud’ po APIC sbˇernici (pˇr´ımo) nebo po systémové sbˇernic´ı (pˇres North Bridge).

LAPIC: Standardn´ı pˇreruˇsen´ı, oznaˇcovaná jako Fixed, nesou informaci o vektoru pˇreruˇsn´ı. Tˇr´ıda priority = vektor/16, rozdˇel´ı vektory na tˇr´ıdy 0-15, vyˇsˇs´ı ˇc´ıslo tˇr´ıdy znaˇc´ı vyˇsˇs´ı prioritu. Tˇr´ıdy 0 a 1 jsou rezervovanˇe. Nejniˇzˇs´ı 4 bity znaˇc´ı prioritu ve tˇr´ıdˇe. Opˇet vyˇsˇs´ı ˇc´ıslo znamená vyˇsˇs´ı prioritu. Jednoduˇse: ˇc´ım vyˇsˇs´ı ˇc´ıslo vektoru, t´ım vyˇsˇs´ı priorita. Pˇreruˇsen´ı lze softwarovˇe maskovat ( priority treshold“) pomoci TaskPri” orityRegister TPR (FEE0 0080h) a souˇcasnou prioritu zpracovávaného pˇreruˇsen´ı lze ˇc´ıst z ProcessorPriorityRegister (FEE0 00A0h).4 Pˇreruˇsen´ı typu NMI/SMI/INIT/ExtInt jsou vyˇrizována pˇrednostnˇe (TPR je ignorován), EOI se nesm´ı signalizovat. SMI má pˇrednost pˇred NMI. U vˇsech typu pˇreruˇsen´ı je informace o vektoru, u SMI vˇsak nemá smysl a u NMI je vektor vˇzdy 2.

PIC: Interpretuje priority takto (od nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı k nejménˇe d˚ uleˇzité): IRQ0, 1, 8-15, 3-7. Poˇrad´ı je zp˚ usobeno t´ım, ˇze na IRQ2 je pˇripojen slave PIC, proto jeho IRQ815 má vˇetˇs´ı prioritu neˇz IRQ3-7 na master PIC. Poˇzadavek na pˇreruˇsen´ı putuje z PIC do IOAPIC (a zároveˇ n po APIC/systémové sbˇernici do procesoru (LAPIC) na vstup LINT0).

Z v´ yˇse uvedeného vypl´ yvá: IO APIC se prioritou nezab´ yvá, PIC má priority pevnˇe dané. Pro LAPIC znamená vyˇsˇs´ı vektor poˇzadavku vyˇsˇs´ı prioritu, NMI má vˇsak pˇrednost. 4

Pokud je obsluhováno pˇreruˇsen´ı, tzn. je nastaven pˇr´ısluˇsn´ y bit ve 256-bitovém reistru ISR (In Ser-

vice Register) a mezit´ım pˇrijde pˇreruˇsen´ı s niˇzˇs´ı prioritou, je uloˇzeno do 256-bitového IRR (Interrupt Request Register). Ve frontˇe tak m˚ uˇze ˇcekat 512 pˇreruˇsen´ı, od kaˇzdého vektoru dvˇe. U procesoru P6 a Pentium mohou b´ yt ve frontˇe pouze pˇreruˇsen´ı r˚ uzné tˇr´ıdy priority [11, 8.8.4 Interrupt Acceptance for Fixed Interrupts]. Naopak, pokud pˇrijde pˇreruˇsen´ı s vyˇsˇs´ı prioritou, pˇreruˇs´ı vykonávan´ı obsluˇzné rutiny pˇreruˇsen´ı s niˇzˇs´ı prioritou.


20

3.3

ACPI

Advanced Configuration and Power Interface je standard vyvinut´ y mimo jin´ ymi Microsoftem a Intelem. Poskytuje informace o konfiguraci hardware a umoˇzn ˇuje jednotn´ y pˇr´ıstup k vlastnostem zaˇr´ızen´ı, jejichˇz rozhran´ı nen´ı definováno standardem (napˇr. ˇcasován´ı IDE ˇradiˇce). D´ıky ACPI máme k dispozici nov´ y ˇcasovaˇc — PM Timer. Pˇri snaze o implementaci pˇresn´ ych ˇcasovaˇc˚ u vˇsak m˚ uˇze ACPI pˇredstavovat pˇrekáˇzku. Problémem je ˇr´ızen´ı spotˇreby a t´ım zmˇena frekvenc´ı nebo processor throttling“ (vkládán´ı ” idle cyklu). Procesor m˚ uˇze vykazovat r˚ uzné chován´ı v r˚ uzn´ ych stavech definovan´ ych ACPI.

3.3.1

SMM

Na druhou stranu, ACPI ˇreˇs´ı jeden ze zásadn´ıch problém˚ u. V pˇredchoz´ım standardu (APM) byly vˇsechny události ˇr´ızen´ı spotˇreby spjaté se System Management Modem. Jedná se o speciáln´ı reˇzim procesoru, kdy pracuje v 16-bitovém flat real módu5 . Do SMM m˚ uˇze procesor pˇrej´ıt pouze vyvolán´ım SMI (System Management Interruptu) a vrátit se m˚ uˇze jen instrukc´ı RSM. V SMM bˇeˇz´ı kód dodávan´ y v´ yrobcem BIOSu, vˇsechny ˇzádosti o pˇreruˇsen´ı jsou ignorovány, dokonce i NMI. ACPI definuje nové pˇreruˇsen´ı typu Fixed, SCI, o obsluhu se tak stará operaˇcn´ı systém (konkrétnˇe ve Windows driver acpi.sys) v bˇeˇzném módu procesoru, viz obrázek 3.1. Operaˇcn´ı systémy, které ACPI nepodporuj´ı (napˇr. DOS) nelze tedy pro real-time u ´lohy pouˇz´ıt. Zpoˇzdˇen´ı zp˚ usobené SMI m˚ uˇze b´ yt v ˇrádech ms.

5

Nˇekdy naz´ yváno unreal mode.

´ CASOVA ˇ ˇ 3.4. HARDWAROVE CE

21

Histogram pocet vzorku [−]

6

4

2

0 2.3434

2.3434

2.3434

2.3434

2.3434 2.3434 2.3434 cas [s] Casove diference mezi vzorky

2.3434

2.3434

cas [s]

2.3434

2.3434

2.3434

2.3434

0

50

100

150 cislo vzorku [−]

200

250

300

Obrázek 3.1: SCI vyvolané pˇreteˇcen´ım PM Timeru jak bylo zachyceno ve Windows XP. V pˇr´ıpadˇe OS bez podpory ACPI je m´ısto SCI vyvoláno SMI a je spouˇstˇen kód BIOSu v SMM.

Bohuˇzel ne vˇsechny zdroje pˇreruˇsen´ı SMI jsou pˇremapována na SCI. SMM lze mimo jiné pouˇz´ıt pro virtualizaci chybˇej´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı. Pˇr´ıkladem je USB klávesnice. Operaˇcn´ı systém komunikuje s bˇeˇznou kompatibiln´ı klávesnic´ı pˇres IO porty, USB klávesnici tedy nevid´ı. Jakmile se OS pokus´ı ˇc´ıst z IO portu pro klávesnici, sluˇzba chipsetu zvaná IO Port Trap [9, 7.1.47 IOTRn –— I/O Trap Register (0–3)] vyvolá pˇreruˇsen´ı. Kód v SMM potom zmˇen´ı data IO instrukce tak, jako by byla pˇr´ıtomna bˇeˇzná klávesnice, zat´ımco skuteˇcná komunikace s klávesnic´ı prob´ıhá po USB. Dalˇs´ım pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt boot disk pˇripojen´ y pˇres USB. Pˇrehled zdroj˚ u zp˚ usobuj´ıc´ıch SMI lze naj´ıt v datasheetu pro SB, napˇr. [9, 5.13.4 SMI#/SCI Generation]. Na vˇetˇsinˇe chipsetu lze SMI zakázat, naneˇstˇest´ı ne vˇzdy je dostupn´ y datasheet.

3.4

Hardwarov´ eˇ casovaˇ ce

Poˇc´ıtaˇc standardu IA-PC-AT nab´ız´ı nˇekolik hardwarov´ ych ˇcasovaˇc˚ u, které po uplynut´ı zadané doby vyvolaj´ı pˇreruˇsen´ı (interrupt). Podle specifikace [6] mus´ı b´ yt vˇzdy dostupné


22

tyto ˇcasovaˇce: RTC a PIT. Novˇejˇs´ı procesory nav´ıc nab´ız´ı Local APIC timer a lze vyuˇz´ıt i ˇc´ıtaˇce procesoru, které byly navrˇzeny pro profilován´ı v´ ykonu a generuj´ı pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı (PerfMon). Souˇcasná PC (2007) maj´ı zabudován HPET, ˇcasovaˇc kter´ y má odstranit nedostatky vˇsech jeho pˇredch˚ udc˚ u [19]. Pˇri v´ ybˇeru ˇcasovaˇce m˚ uˇzeme m´ıt r˚ uzná kritéria. Napˇr. pokud chceme aperiodick´ y ˇcasovaˇc, poˇzadujeme rychlé rozhran´ı pro jeho programován´ı. To nab´ız´ı LAPIC Timer, PerfMon nebo HPET, které maj´ı pamˇet’ovˇe mapované registry. RTC a PIT se programuj´ı pˇres IO porty, coˇz je pomalejˇs´ı. Dalˇs´ım kritériem je rozliˇsen´ı ˇcasovaˇce. Zde opˇet dobˇre vycház´ı LAPIC Timer, kter´ y má frekvenci odvozenou od sbˇernice FSB. Jeˇstˇe lepˇs´ı rozliˇsen´ı pak nab´ız´ı funkce procesoru pro profilován´ı v´ ykonu, odvozené od frekvence CPU. D˚ uleˇzitá je také stabilita ˇcasovaˇce, tzn. frekvence inkrementace je stále stejná. Tento poˇzadavek splˇ nuje HPET, PIT a RTC. I LAPIC Timer lze povaˇzovat za stabiln´ı. Zcela nepolehliv´ y je pak PerfMon. Moˇznost generován´ı NMI. Tuto vlastnost maj´ı vˇsechny zm´ınˇené ˇcasovaˇce, kromˇe LAPIC Timer. Podstatn´ y poˇzadavek je, aby ˇcasovaˇc nebyl vyuˇz´ıván operaˇcn´ım systémem Windows XP. To plat´ı pro LAPIC Timer, HPET a funkce procesoru pro profilován´ı v´ ykonu. RTC a PIT mohou b´ yt vyuˇz´ıvány v závislosti na konfiguraci Windows XP. Z v´ yˇse uveden´ ych ˇcasovaˇc˚ u je v´ yrobci komerˇcn´ıch real time rozˇs´ıˇren´ı pouˇz´ıván LAPIC Timer. Pˇrestoˇze nedokáˇze generovat NMI, tzn. nedokáˇze vyvolat pˇreruˇsen´ı, kdyˇz jsou maskována instrukc´ı CLI. V´ yhody pˇrevaˇzuj´ı: rozliˇsen´ı, stabilita, rychlé programovan´ı a nav´ıc je dostupn´ y na vˇetˇsinˇe poˇc´ıtaˇc˚ u (na rozd´ıl od HPET). M´ısto NMI se pouˇz´ıvá pˇreruˇsen´ı typu Fixed s nejvyˇsˇs´ı prioritou. Nyn´ı bude LAPIC Timer popsán podrobnˇeji, protoˇze je z dostupn´ ych ˇcasovaˇc˚ u nejv´ yhodnˇejˇs´ı. PerfMon bude zm´ınˇen, protoˇze jeho pouˇzit´ı jako ˇcasovaˇce nen´ı obvyklé a m˚ uˇze b´ yt v urˇcit´ ych pˇr´ıpadech pˇr´ınosné.


3.4.1

23

LAPIC Timer

rozliˇ sen´ı

des´ıtky aˇz jednotky ns, frekvence FSB

vstup

hodnota ˇc´ıtaˇce, násobiˇc ˇc´ıtaˇce (dˇeliˇc frekvence)

m´ od

periodick´ y, one-shot

rozhran´ı

registry procesoru

NMI

ne

stabiln´ı

ne

konflikt s XP

moˇzn´ y (Kernrate)

LAPIC Timer je pˇr´ımo souˇca´st´ı procesoru, jeho programován´ı je tedy velmi rychlé, provád´ı se zapisován´ım a ˇcten´ım pamˇet’ovˇe mapovan´ ych registr˚ u. Zp˚ usob programován´ı je podrobnˇe popsán v manuálech firmy Intel a AMD, napˇr. v [11, 8.5.1 Local Vector Table], [11, 8.5.4 APIC Timer]. Spoˇc´ıvá v nˇekolika kroc´ıch: 1. Detekce, zda je LAPIC zapnut/podporován, pˇr´ıpadnˇe aktivace LAPIC. 2. Instalace ISR do IDT. 3. Nastaven´ı módu, vektoru pˇreruˇsen´ı a maskovan´ı pˇreruˇsen´ı pomoci LVT Timer Register (FEE0 0320H). 4. Nastaven´ı dˇelice frekvence pomoci Divide Configuration Register (FEE0 03E0H). 5. Nastaven´ı poˇca´teˇcn´ı hodnoty ˇc´ıtaˇce do Initial Count Register (FEE0 0380H) — t´ım je ˇcasovaˇc spuˇstˇen. Z v´ yˇse uvedeného postupu je problematická pouze pˇr´ıpadná aktivace LAPIC. Detekci lze provést dvˇema zp˚ usoby: provedeme instrukci CPUID s EAX=1, v´ ysledek vrácen v registru EDX, bit 9 (pokud má hodnotu 1, je LAPIC aktivován). Druh´ y zp˚ usob je kontrola bitu 11 v MSR IA32 APIC BASE (1BH). lkd> rdmsr 1b msr[1b] = 00000000‘fee00900

Pokud je tento bit 0, je LAPIC vypnut. Na novˇejˇs´ıch procesorech s doruˇcován´ım pˇreruˇsen´ı po FSB lze nastaven´ım bit˚ u 11 opˇet LAPIC povolit. Pokud jsou vˇsak pˇreruˇsen´ı doruˇcovaná po 3-drátové APIC sbˇernic´ı, nelze LAPIC povolit, dokud nen´ı poˇc´ıtaˇc restartován. MSR IA32 APIC BASE definuje bit 9 (BSP — zda je procesor bootstrap — spouˇst´ı ostatn´ı procesory ve v´ıceprocesorové konfiguraci) a bázi registru (standardnˇe FEE0 0000H), m˚ uˇze b´ yt zmˇenˇena, Windows ji vˇsak nemˇen´ı.


24

Pokud se pokus´ıme LAPIC povolit, je tˇreba nakonfigurovat pˇreruˇsen´ı tak, aby HAL mohl dál bezchybnˇe pracovat. Nebo zmˇenit HAL na takov´ y, kter´ y APIC vyuˇz´ıvá. To lze provést jako aktualizaci ovladaˇce: Win+R, devmgmt.msc, Poˇc´ıtaˇc/%název poˇc´ıtaˇce% /Vlastnosti/Aktualizovat ovladaˇc... a v následuj´ıc´ıch kroc´ıch zvol´ıme Jedno/V´ıceprocesorov´ y poˇc´ıtaˇc s rozhran´ım ACPI. %název poˇc´ıtaˇce% odpov´ıdá souˇcasnému HALu. P˚ uvodn´ı název souboru (napˇr. halaacpi.dll) zjistiteln´ y z hal.dll (na tento název je pˇri instalaci usob je zmˇenit typ HALu v souboru pˇrejmenován) popisuje typ HALu [22]. Dalˇs´ı zp˚ boot.ini pˇrep´ınaˇcem /HAL=název souboru [23].

Windows XP SP2 standardnˇe LAPIC Timer nevyuˇz´ıvaj´ı, pouze pro profilován´ı kernelu programem Kernrate [27]. Profilován´ı funguje takto: Kernrate nastav´ı ˇcasovaˇc do periodického módu, rutina obsluhy pˇreruˇsen´ı (hal!HalpProfileInterrupt) má vektor 0FDH (tedy nejvyˇsˇs´ı prioritu). V okamˇziku pˇreruˇsen´ı uloˇz´ı obsluˇzná rutina hodnotu EIP (instruction pointer) a Kernrate pˇri skonˇcen´ı profilován´ı podle hodnot EIP urˇc´ı kter´ y modul jádra zrovna bˇeˇzel. T´ım odhadne spotˇrebu ˇcasu procesoru jednotliv´ ymi moduly.

LAPIC Timer je vyuˇz´ıván mnoha programy tˇret´ıch stran, zejména diagnostické nástroje (napˇr. [29]) a real-time rozˇs´ıˇren´ı.

Frekvence FSB (zdroj pro LAPIC) m˚ uˇze b´ yt zmˇenˇena napˇr. pro u ´ˇcely ˇr´ızen´ı spotˇreby ˇci pˇretaktován´ı. Hodiny pro FSB b´ yvaj´ı pˇr´ıstupné prostˇrednictv´ım SMBus. Standardnˇe by vˇsak frekvence nemˇela b´ yt mˇenˇena.

Pouˇzit´ım LAPIC Timeru jako ˇcasovaˇce pro sbˇer dat se zab´ yvá [36]. Práce uvád´ı, ˇze Windows na jednoprocesorov´ ych systémech APIC vyp´ınaj´ı a poté jiˇz nem˚ uˇze b´ yt znovu aktivován, aˇz do restartu. Prvn´ı tvrzen´ı je nepravdivé, APIC je zapnut pokud OS usoud´ı ˇze je poˇc´ıtaˇc kompatibiln´ı s ACPI, záleˇz´ı tedy napˇr´ıklad na verzi BIOSu a ne na poˇctu procesor˚ u. Druhé tvrzen´ı je pravdivé jen pro APIC s doruˇcován´ım poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı po APIC sbˇernic´ı. Dalˇs´ı sporné tvrzen´ı v uvedené práci je doporuˇcen´ı volit vektor pˇreruˇsen´ı metodou pokus-omyl.


3.4.2

25

Performance Monitoring MSR

rozliˇ sen´ı

aˇz stovky ps, frekvence CPU

vstup

hodnota ˇc´ıtaˇce

m´ od

one-shot

rozhran´ı

registry procesoru

NMI

ano

stabiln´ı

ne

konflikt s XP

ne

Souˇcasné procesory umoˇzn ˇuj´ı sledován´ı r˚ uzn´ ych události z d˚ uvod˚ u anal´ yzy v´ ykonu systému. Událost je napˇr. vykonán´ı instrukce (retired instruction), vyprázdnˇen´ı instrukˇcn´ı pipeline, poˇcet cyklu s maskovan´ ymi pˇreruˇsen´ımi, poˇcet naplnˇen´ı cache, atd. Které události lze monitorovat, záleˇz´ı na v´ yrobci i na modelu procesoru. Programátorsk´ y model sledován´ı události je tvoˇren dvˇema MSR. Prvn´ı registr (PerfCtr) je ˇc´ıtaˇc události, napˇr. u AMD má ˇs´ıˇrku 48bit. Druh´ ym registrem (PerfEvtSel) se vol´ı typ události a dalˇs´ı vlastnosti. Lze napˇr´ıklad nastavit aby bylo generováno pˇreruˇsen´ı pˇri pˇreteˇcen´ı ˇc´ıtaˇce. Aktuáln´ı stav ˇc´ıtaˇce lze kromˇe PerfCtr ˇc´ıst také pomoci instrukce RDPMC (Read Performance-Monitoring Counters)6 Poˇcet par˚ u PerfCtr a PerfEvtSel je dán implementac´ı, napˇr. u AMD jsou ˇctyˇri, u Intelu dva. Procesory Intel — napˇr. Xeon, P4 — nab´ız´ı také nov´ y programátorsk´ y model (registry ESCR Event selection control, CCCR counter configuration control a ˇc´ıtaˇce) s moˇznost´ı sledovat 18 události. K realizaci ˇcasovaˇce je u procesor˚ u AMD vhodné pouˇz´ıt typ události 76H — CPU Clocks not Halted [15, 10.2.1 Performance Monitor Events]. Procesory Intel tuto událost znaj´ı jako 03CH — UnHalted Core Cycles (jiné postupy viz [12, 18.13.9.2 Non-Sleep Clockticks]). Procesor je ve stavu not-halted“ pokud nen´ı zastaven instrukc´ı HLT7 . In” strukce HLT je pouˇz´ıvaná k u ´spoˇre energie v dobˇe kdyˇz procesor nen´ı vyuˇz´ıván. Jednoduchou prevenc´ı je spustit thread s n´ızkou prioritou, jak je dokonce doporuˇceno v [15, 10.2 Performance Event-Select Registers]. Naneˇstˇest´ı, procesor neikrementuje ˇc´ıtaˇc také kdyˇz ˇceká na dokonˇcen´ı IO operace. Z tohoto d˚ uvod˚ u je pouˇzit´ı Performance Monitoring MSR k implementaci ˇcasovaˇce znaˇcnˇe nespolehlivé. 1. Detekce typu procesoru. 6

Pro Ring1-2 nutno povolit nastaven´ım bit˚ u 8 (PCE) v CR4. Dalˇs´ı pˇr´ıˇcinou pˇrepnut´ı do stavu halted“ je ˇr´ızen´ı spotˇreby (Power Management): STPCLK, jin´ y ” ACPI stav neˇz C0, atd. [12, 18.11.2 Pre-define Architectural Performance Events], [5]. 7


26 2. Instalace ISR do tabulky pˇreruˇsen´ı.

3. Nastaven´ı módu, vektoru pˇreruˇsen´ı a maskovan´ı pˇreruˇsen´ı pomoci LVT Performance Counter Register v LAPIC (FEE0 0340H8 ). 4. Nastven´ı PerfCtr0 (C001 0004H — AMD, 0C1H — Intel) na hodnotu −x, kde x je poˇzadovan´ y poˇcet tiku neˇz dojde k pˇreteˇcen´ı a t´ım k vyvolán´ı pˇreruˇsen´ı. 5. Nastaven´ı PerfEvtSel0 (C001 0000H — AMD, 186H — Intel): událost CPU Clocks not Halted, Operating-Systém Mode, Enable APIC Interrupt, Enable Counter. 6. Poté, co je vyvoláno pˇreruˇsen´ı, je nutné znovu nastavit hodnotu PerfCtr0. Tento ˇcasovaˇc vyuˇzijeme zejména na jednoprocesorovém poˇc´ıtaˇci, kdyˇz poˇzadujeme NMI a nejvyˇsˇs´ı moˇznou frekvenci pˇreruˇsen´ı (perioda v ˇra´dech mikrosekund).

3.5

Hardwarov´ e prostˇ redky pro mˇ eˇ ren´ı ˇ casu

K mˇeˇren´ı ˇcasu lze pouˇz´ıt TSC, PM Timer, HPET nebo ˇc´ıtaˇc LAPIC Timeru. K praktickému pouˇzit´ı je vhodn´ y bud’ PM Timer nebo TSC (HPET je jen v novˇejˇs´ıch poˇc´ıtaˇc´ıch a LAPIC m˚ uˇze b´ yt pouˇzit jako zdroj pˇreruˇsen´ı). PM Timer i TSC jsou bˇeˇznˇe dostupné. PM Timer tiká se stálou frekvenc´ı, ale pˇristup k nˇemu je pomal´ y a pˇreteˇce po nˇekolika sekundách. Naproti tomu ˇcten´ı TSC je rychlé, ale m˚ uˇze doj´ıt ke zmˇenˇe frekvence inkrementace.

3.5.1

TSC

rozliˇ sen´ı aˇz stovky ps, frekvence CPU ˇ s´ıˇ rka

64 bit

rozhran´ı registry procesoru stabiln´ı

ne

Time Stamp Counter je pˇri zapnut´ı procesoru nastaven na nulu a poté pˇri kaˇzdém tiku hodin procesoru svoji hodnotu inkrementuje. Hodnotu TSC ˇcteme pomoc´ı instrukce RDTSC (vrac´ı hodnotu v EDX:EAX) nebo z MSR TSC9 (10H). Instrukce RDTSC je standardnˇe dostupná i pro Ring 3 (user Mode), lze ji vˇsak pro Ring 3 zakázat registrem CR4, konkrétnˇe nastaven´ım bitu 2 (TSD — Time Stamp Disable) 8 9

U procesoru Intel nen´ı dán tento registr architekturou, v nˇekteré implementaci se m˚ uˇze liˇsit. Naz´ yván také IA32 TIME STAMP COUNTER

´ PROSTREDKY ˇ ˇ REN ˇ Í CASU ˇ 3.5. HARDWAROVE PRO ME

27

TSC je v´ yhodn´ y pro mˇeˇren´ı délky trván´ı instrukc´ı, tzv. CPI (Cycles Per Instruction). Napˇr´ıklad vytvoˇr´ıme smyˇcku a zmˇeˇr´ıme poˇcet strojov´ ych cykl˚ u na jeden pr˚ uchod smyˇcky (lze vytvoˇrit smyˇcku s dvˇema cykly na jeden pr˚ uchod). Tak m˚ uˇzeme vytvoˇrit Busy Waiting Timer10 — aktivn´ı ˇcekán´ı, které je vhodné pro ˇcasy kratˇs´ı neˇz 1µs. Pro ˇcasy delˇs´ı vyuˇzijeme ˇcasovaˇce generuj´ıc´ı pˇreruˇsen´ı. Pˇred mˇeˇren´ı délky trván´ı instrukc´ı je vhodné provést serializaci instrukc´ı — vyprázdnit instrukˇcn´ı pipeline [8]. To lze provést napˇr´ıklad zavolán´ım CPUID [11, 7.4 SERIALIZING INSTRUCTIONS]. Jinak by se mohlo stát, ˇze instrukce která je v kódu aˇz za RDTSC, bude d´ıky paraleln´ımu zpracován´ı vykonána dˇr´ıve. Pˇri pouˇzit´ı TSC nezáleˇz´ı na stavu procesoru — narozd´ıl od Performance Monitoring MSR procesor inkrementuje ˇc´ıtaˇc i pokud byl zastaven instrukc´ı HLT nebo signálem #STPCLK [12, 18.9 TIME-STAMP COUNTER]. Frekvence inkrementace TSC je stejná jako frekvence CPU, proto je d˚ uleˇzité dbát, aby tato byla konstantn´ı a nebyla mˇenˇena, napˇr. z d˚ uvodu ˇr´ızen´ı spotˇreby11 (Intel Speed Step, atp.). Na v´ıceprocesorov´ ych systémech je nutné zajistit bˇeh kódu pouze na jednom procesoru — napˇr´ıklad nastaven´ım afinity threadu (KeSetSystemAffinityThread, KeSetAffinityThread, SetThreadAffinityMask).

3.5.2

PM timer

rozliˇ sen´ı stovky ns, 3579545Hz ˇ s´ıˇ rka

24 nebo 32 bit

rozhran´ı IO stabiln´ı

ano

Power Management Timer je definován v [5]. Je to ˇc´ıtaˇc s frekvenc´ı 3579545Hz. Port, na kterém m˚ uˇzeme ˇc´ıst aktuáln´ı hodnotu ˇc´ıtaˇce, nen´ı pevnˇe dán. Jedná se o ACPI zaˇr´ızen´ı, adresu portu pˇreˇcteme z FADT (konkrétnˇe offset 76 — PM TMR BLK), stejnˇe jako ˇs´ıˇrku ˇc´ıtaˇce (vˇetˇsinou b´ yvá 24 bit˚ u) - je urˇcena v Flags (offset 112) bitem TMR VAL EXT (bit 8, 0 — 24 bit˚ u, 1 — 32 bit˚ u). Následuj´ıc´ı pˇr´ıklad ukazuje adresu portu 0808H, 24bit. 10

Podobnˇe

je

implementována

funkce

nt!KeStallExecutionProcessor.

Ta

volá

hal!HalpPmTimerStallExecProc která se ve smyˇcce pomoci hal!QueryTimer dotazuje PM Timeru jestli uˇz ˇcas ˇcekán´ı vyprˇsel. 11 Znemoˇznˇen´ı pˇrechodu mezi P-stavy [5, 8.1 Processor Power States] ve Windows: Ovládac´ı panely / Moˇznosti napájen´ı / zvolit Vˇzdy zapnuto.


28

Tabulka 3.6: ACPI FADT lkd> !fadt FADT --- 806fe4c0HEADER - ffffffff806fe4c0 Signatuˇ re:

FACP

... PM Timer Block:

0x00000808

PM Timer Length:

0x004

...

3.6

Komerˇ cn´ı rozˇ s´ıˇ ren´ı

Na trhu lze naj´ıt rozˇs´ıˇren´ı, která se snaˇz´ı prop˚ ujˇcit Windows real-timové vlastnosti. ˇ Casto vˇsak za velmi vysokou cenu. Nˇekterá real-timová rozˇs´ıˇren´ı jsou souˇcást´ı Matlabu, napˇr´ıklad Real-Time Windows Target (zaloˇzen´ y na LAPIC Timeru), demonstraˇcn´ı pˇr´ıklady se spouˇst´ı pˇr´ıkazem rtwtdemo. Naproti tomu Real Time Toolbox [33] je nutné dokoupit za cenu v ˇrádech des´ıtek tis´ıc korun. Pravdˇepodobnˇe nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı real-time rozˇs´ıˇren´ı pro Windows je RTX od firmy Ardence [32], v cenˇe nˇekolika tis´ıc dolar˚ u.

3.6.1

Ardence RTX

Toto rozˇs´ıˇren´ı vytváˇr´ı z Windows plnohodnotn´ y RTOS s Win32 API. Hlavn´ı zdroj pˇreruˇsen´ı tiká s nejmenˇs´ı periodou 100 µs (standardnˇe 500 µs) a urˇcuje tak rozliˇsen´ı API ˇcasovaˇc˚ u. Firma Ardence tvrd´ı, ˇze RTX je hard real-time. Tedy takov´ y systém, kde ke zpoˇzdˇen´ı (nesplnˇen´ı ˇcasov´ ych poˇzadavk˚ u) nesm´ı nikdy doj´ıt, protoˇze by to mˇelo katastrofáln´ı následky. To je v kontrastu s implementac´ı tohoto rozˇs´ıˇren´ı — nejen ˇze nijak neoˇsetˇruje SMI, ale nav´ıc jako zdroj tik˚ u pouˇz´ıvá LAPIC Timer. Celé rozˇs´ıˇren´ı je proto citlivé na maskovan´ı poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı pomoci instrukce CLI12 . Tato instrukce by se nemˇela pouˇz´ıvat (náhradou je spinlock implementovan´ y v ACPI HALu pomoci TPR), jej´ı v´ yskyt napˇr´ıklad ve ˇspatnˇe napsaném driveru nelze vylouˇcit. Jako ˇreˇsen´ı tˇechto latenc´ı 12

Podobnˇe zraniteln´ y je i Real-Time Windows Target a pravdˇepodobnˇe i Real Time Toolbox, ten vˇsak

nebyl testován. Naproti tomu, dˇr´ıve nab´ızená rozˇs´ıˇren´ı od nˇemecké firmy Kuka byla dodávána s kartou, která generovala pravidelná nemaskovatelná pˇreruˇsen´ı a tento problém eliminovala.

ˇ Í ROZSˇÍREN ˇ Í 3.6. KOMERCN

29

firma doporuˇcuje testován´ı pomoci nab´ızeného nástroje Platform Evaluator a pˇr´ıpadnou zmˇenu hardware a t´ım i ovladaˇc˚ u. Názornˇe je vidˇet negativn´ı vliv maskovan´ı poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı po dobu 0.5 s na následuj´ıc´ıch obrázc´ıch:


200 150 100 50 0 0.985

0.99

0.995

1 1.005 cas [ms] Casove diference mezi vzorky

1.01

1.015

cas [ms]

1.04

1.02

1

0.98

0

1000

2000 3000 cislo vzorku [−]

4000

Obrázek 3.2: RTX — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms.

5000


30


6000

4000

2000

0

0

100

200

300 400 cas [ms] Casove diference mezi vzorky

500

600

cas [ms]

600

400

200

0

0

1000


4000

5000

Obrázek 3.3: RTX — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms, CLI.

Kapitola 4 ˇ ızen´ı mikropolohovac´ı platformy z R´ PC v re´ aln´ em ˇ case Mikropolohovac´ı platforma pod mikroskop pˇredstavuje z pohledu programátora vstupnˇev´ ystupn´ı zaˇr´ızen´ı. Vstupem/v´ ystupem do poˇc´ıtaˇce je napˇet´ı na kapacitn´ım senzoru polohy. V´ ystupem je ovládán´ı rychlosti akˇcn´ıch ˇclen˚ u — tˇr´ı piezoelektrick´ ych motork˚ u, které pohybuj´ı deskou, na n´ıˇz je um´ıstˇen zm´ınˇen´ y kapacitn´ı senzor. Z pohledu teorie ˇr´ızen´ı pak platforma po zjednoduˇsen´ı pˇredstavuje fyzikáln´ı systém, kter´ y má dva vstupy (nastaven´ı rychlosti motork˚ u v osách x a y) a dva v´ ystupy (poloha na osách x a y). V tomto systému je jeˇstˇe podsystém, kter´ y pˇredstavuje kapacitn´ı senzor. Mˇeˇren´ı napˇet´ı (a tedy polohy) totiˇz neprob´ıhá pˇr´ımo, ale pomoc´ı zpˇetné vazby. C´ılem je realizovat zpˇetnou vazbu pro hlavn´ı systém, která umoˇzn´ı pˇresné ˇr´ızen´ı polohy. Od vedouc´ıho bakaláˇrské práce jsem dostal zadané tyto ˇcasové poˇzadavky: perioda vzorkován´ı pro mˇeˇren´ı napˇet´ı 10 ms (lépe vˇsak 1 ms) a perioda ˇr´ızen´ı celého systému 100 ms. M´ ym u ´kolem bylo navrhnout a implementovat rozhran´ı, do kterého bude snadné zahrnout algoritmus zpˇetnovazebn´ıho ˇr´ızen´ı.

4.1

Mˇ eˇ ren´ı napˇ et´ı

Mˇeˇren´ı napˇet´ı na kapacitn´ım senzoru je implementováno pomoc´ı zpˇetné vazby. Senzor je fyzicky pˇripojen k PCI mˇeˇric´ı kartˇe MF624 od firmy Humusoft. Tato karta obsahuje 14-bitové pˇrevodn´ıky, osm digitálnˇe-analogov´ ych a osm analogové-digitáln´ıch. Dále nab´ız´ı digitáln´ı vstupy (8x) a v´ ystupy (8x), vstupy inkrementáln´ıch ˇcidel (4x) a ˇc´ıtaˇce/ˇcasovaˇce ˇ pˇrevodu se pohybuje v ˇrádu µs (4x). K mˇeˇren´ı vyuˇzijeme DA a AD pˇrevodn´ıky. Cas 31

ˇ ÍZENÍ MIKROPOLOHOVACÍ PLATFORMY Z PC V REALN ´ EM ´ CASE ˇ 32KAPITOLA 4. R (nejdéle trvá ustálen´ı analogov´ ych v´ ystup˚ u, 30 µs). Karta tedy nebude pˇredstavovat pro splnˇen´ı ˇcasov´ ych poˇzadavk˚ u ˇza´dn´ y problém. Kartu lze ovládat tˇremi zp˚ usoby: z prostˇred´ı Matlab (Real Time Toolbox, Real-Time Windows Target, xPC Target), prostˇrednictv´ım operaˇcn´ıho systému pomoc´ı dodan´ ych ovladaˇc˚ u nebo ˇcten´ım a zapisován´ım pˇr´ımo na registry karty. Karta je tedy multiplatformn´ı, nezávislá na OS. Zvolil jsem druhou moˇznost. Humusoft dodává dynamickou knihovnu (DLL) s hlaviˇckov´ ymi soubory v jazyce C, takˇze implementovat komunikaci s kartou je i d´ıky kvalitn´ı dokumentaci a pˇr´ıklad˚ um velmi snadné. V podstatˇe staˇc´ı zavolat funkci HudaqOpenDevice pro z´ıskán´ı tzv. handlu pouˇzitého v HudaqAIReadMultiple, HudaqAIWriteMultiple a provádˇet jimi ˇcten´ı resp. zápis v´ıce kanálu najednou. Volán´ı tˇechto funkci trvá ˇrádovˇe jednotky µs. Pˇri práci jsem se setkal s problémem — nefungovaly prvn´ı ˇctyˇri vstupn´ı analogové kanály. Naˇstˇest´ı jich má karta celkem osm.

4.2

ˇ ızen´ı piezomotorku R´

Piezomotorky jsou ovládány pomoc´ı zaˇr´ızen´ı, které se pˇripojuje pˇres USB. To generuje n pulz˚ u o zvolené periodˇe. Zaˇr´ızen´ı se ovládá opˇet pomoci dodané DLL knihovny, hlaviˇckové soubory jsou pro Pascal/Delphi. Dokumentace je v tomto pˇr´ıpadˇe struˇcnˇejˇs´ı a je v nˇemˇcinˇe. Jedin´ ym podporovan´ ym OS jsou Windows. Na ovládán´ı staˇc´ı dvˇe funkce (pokud nebereme v potaz kontrolu chyb): ioSetTimer a ioSetState. Pomoci ioSetTimer vybereme smˇer (dopˇredu, dozadu, neaktivn´ı) pro osy x a y, periodu a poˇcet pulz˚ u (0 pro neomezen´ y poˇcet). Funkce ioSetState zap´ıná vysoké napˇet´ı, LED diodu, pˇr´ıpadnˇe zmˇen´ı ˇcasovou základnu pro periodu signálu. Doba volán´ı tˇechto funkc´ı je opˇet v ˇra´dech µs.

4.3

ˇ Casov´ e poˇ zadavky

Napˇet´ı na kapacitn´ım senzoru je nutné vzorkovat s periodou menˇs´ı neˇz 10 ms. Jak bylo v´ yˇse uvedeno, samotné volán´ı funkc´ı ovládaj´ıc´ıch pˇripojená zaˇr´ızen´ı je rychlé a nepˇredstavuje problém. Zb´ yvá tedy naj´ıt ˇcasovaˇc, kter´ y má periodu pod 10 ms. To ˇza´dná funkce standardn´ıho API Windows nedokáˇze. Na druhou stranu, poˇzadavky nejsou tak pˇr´ısnˇe, aby bylo nutné pouˇz´ıt hardwarové ˇcasovaˇce popsané v pˇredchoz´ı kapitole. Pouˇzil jsem tedy knihovnu Multimedia Timers a dvˇe varianty aktivn´ıho ˇcekán´ı.

ˇ ´ POZADAVKY ˇ 4.3. CASOV E

4.3.1

33

Multimedia Timers

Knihovna MM Timers poskytuje ˇcasovaˇc s periodou aˇz 1 ms. Funkce, která je volaná ˇcasovaˇcem kaˇzdou milisekundu pak vypadá takto:

void CALLBACK TimerCallback ( UINT wTimerID , UINT msg , DWORD dwUser , DWORD dw1 , DWORD dw2 )

{

// Mˇeˇren´ı n a p ˇe t´ı − kaˇz dou m i l i s e k u n d u . HudaqControl ( ) ; i f ( C a l l s N r%XYTABLE INTERVAL MS==0) // Ovlá dá n´ı motorku − k aˇz dý c h 100 ms . XYTableControl ( ) ; C a l l s N r ++; }

ˇ Casovaˇ c Multimedia Timer nen´ı pˇr´ıliˇs spolehliv´ y a pˇri nastavené periodˇe 1 ms trvala nejdelˇs´ı prodleva ménˇe neˇz 2.5 ms. T´ım se poˇzadované zadán´ı, perioda vzorkován´ı nejv´ yˇse ˇ aˇr si 10 ms, podaˇrilo bez problém˚ u splnit. To je vidˇet na následuj´ıc´ım grafu 4.3.1. Cten´ m˚ uˇze také povˇsimnout, ˇze ˇcasovaˇc dostupn´ y v rozˇs´ıˇren´ı RTX je mnohem pˇresnˇejˇs´ı neˇz Multimedia Timer poskytovan´ y Windows. Naneˇstˇest´ı, tyto v´ ykyvy jsou problematické pˇri implementaci ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu.

ˇ ÍZENÍ MIKROPOLOHOVACÍ PLATFORMY Z PC V REALN ´ EM ´ CASE ˇ 34KAPITOLA 4. R

Histogram

pocet vzorku [−]

4000 3000 2000 1000 0

1

1.5

2

2.5

cas [ms] Casove diference mezi vzorky

cas [ms]

2.5

2

1.5

1

0

2000

4000

6000


12000

14000

16000

18000

Obrázek 4.1: MM Timer — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms.

4.3.2

Aktivn´ı ˇ cek´ an´ı

Aktivn´ı ˇcekán´ı, v anglické litertuˇre známé jako busy waiting, je metoda pouˇzitelná na v´ıceprocesorov´ ych systémech nebo na systémech s v´ıcejádrov´ ymi procesory. Jeden procesor se pak stará o záleˇzitosti operaˇcn´ıho systému a druh´ y procesor ˇceká ve vˇeˇcné smyˇcce a kontroluje ˇcas. Ve správn´ y okamˇzik pak zavolá danou rutinu. Kód v Matlabu m˚ uˇze vypadat napˇr´ıklad takto: while i
ˇ ´ POZADAVKY ˇ 4.3. CASOV E

35

hlaviˇckov´ y soubor (XYTableUsb.h): int

s t d c a l l ioPending ( ) ;

int

s t d c a l l ioLastError ( ) ;

... Poté je nutné naˇc´ıst DLL a jiˇz lze volat jej´ı funkce, viz následuj´ıc´ı ukázka: l o a d l i b r a r y ( ’ XYTableUsb ’ , ’ XYTableUsb . h ’ ) l i b f u n c t i o n s ( ’ XYTableUsb ’ )

% z o b r a z´ı f u n k c e

l i b f u n c t i o n s v i e w ( ’ XYTableUsb ’ )

% z o b r a z´ı f u n k c e vˇc e t nˇe parametr˚ u

c a l l l i b ( ’ XYTableUsb ’ , ’ i o P e n d i n g ’ )

% z a v o l á f u n k c i

u n l o a d l i b r a r y XYTableUsb Protoˇze vˇsak kód Matlabu standardnˇe nebˇeˇz´ı s nejvyˇsˇs´ı prioritou, m˚ uˇze b´ yt pˇreruˇsen jin´ ymi thready. To je patrné z grafu 4.2. Na jednoprocesorovém systému je tento pˇr´ıstup nav´ıc naprosto nepouˇziteln´ y, protoˇze Matlab bude sd´ılet procesorov´ y ˇcas s ostatn´ımi thready. Histogram pocet vzorku [−]

10000 8000 6000 4000 2000 0

1

2

3

4

5

6 7 8 cas [ms] Casove diference mezi vzorky

9


8000

10

11

cas [ms]

15

10

5

0

0

2000

10000

Obrázek 4.2: Busy waiting v Matlabu — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms.

Metodu busy waiting popsanou v´ yˇse lze vylepˇsit následuj´ıc´ım zp˚ usobem. Na základˇe poznatk˚ u z kapitoly 2 nastav´ıme nejvyˇsˇs´ı moˇznou prioritu threadu. Nastav´ıme také aby

ˇ ÍZENÍ MIKROPOLOHOVACÍ PLATFORMY Z PC V REALN ´ EM ´ CASE ˇ 36KAPITOLA 4. R thread bˇeˇzel pouze na prvn´ım procesoru: S e t P r i o r i t y C l a s s ( G e t C u r r e n t P r o c e s s ( ) , REALTIME PRIORITY CLASS ) ; S e t T h r e a d P r i o r i t y ( GetCurrentThread ( ) , THREAD PRIORITY TIME CRITICAL ) ; S e t T h r e a d A f f i n i t y M a s k ( GetCurrentThread ( ) , 1 ) ; Nyn´ı jiˇz busy waiting thread nem˚ uˇze b´ yt pˇreruˇsen jin´ ym threadem, pouze poˇzadavkem pˇreruˇsen´ı. V´ ysledek je vidˇet v grafu 4.3. Tento postup lze pouˇz´ıt i na jednoprocesorovém systému, poˇc´ıtaˇc vˇsak pˇrestane reagovat, dokud busy waiting thread sám neskonˇc´ı. To nemus´ı b´ yt na závadu, pokud máme pro u ´lohu vyhrazen zvláˇstn´ı poˇc´ıtaˇc. Histogram pocet vzorku [−]

10000 8000 6000 4000 2000 0 0.99

1

1.01

1.02

1.03 1.04 1.05 cas [ms] Casove diference mezi vzorky

1.06

1.07

1.08

1.3

cas [ms]

1.2 1.1 1 0.9

0

2000

4000


10000

12000

Obrázek 4.3: Busy waiting — ˇcasovaˇc s periodou 1 ms.

4.4

Zhodnocen´ı

ˇ volán´ı funkc´ı ovládán´ı PCI karty ani USB zaˇr´ızen´ı nepˇredstavuje v poˇzadovaném ˇra´du Cas milisekund ˇzádn´ y problém. Volba ˇcasovaˇce: pokud máme k dispozici multiprocesorov´ y poˇc´ıtaˇc nebo v´ıcejadern´ y procesor (náˇs pˇr´ıpad), jev´ı se jako nejvhodnˇejˇs´ı pouˇz´ıt busy waiting. Perioda se nezpozdila o v´ıce neˇz 70 µs. V pˇr´ıpadˇe jednoprocesorového poˇc´ıtaˇce pouˇzijeme tuto metodu také, pokud nepotˇrebujeme aby na poˇc´ıtaˇci bˇeˇzel jin´ y proces. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe lze pouˇz´ıt MM Timer, zde vˇsak mus´ıme oˇcekávat rozptyl v ˇra´dech

4.4. ZHODNOCENÍ milisekund.

37

ˇ ÍZENÍ MIKROPOLOHOVACÍ PLATFORMY Z PC V REALN ´ EM ´ CASE ˇ 38KAPITOLA 4. R

Kapitola 5 Z´ avˇ er C´ılem práce bylo implementovat ˇr´ızen´ı mikropolohovac´ı platformy z PC v reálném ˇcase, které bude moˇzné snadno rozˇs´ıˇrit o zpˇetnou vazbu. Tento u ´kol byl u ´spˇeˇsnˇe splnˇen. Program byl napsán pro operaˇcn´ı systém Windows, protoˇze dodané programové vybaven´ı volbu jiného operaˇcn´ıho systému neumoˇzn ˇovalo. Podaˇrilo se dosáhnout periody vzorkován´ı 1 ms pomoc´ı aktivn´ıho ˇcekán´ı. Práce také zkoumá moˇznost realizace plánován´ı oznaˇcovaného jako Cyclic Executive Pattern na platformˇe PC, se zamˇeˇren´ım na operaˇcn´ı systém Windows XP. Základem tohoto pˇr´ıstupu jsou pˇresné ˇcasovaˇce a nepˇreruˇsiteln´ y bˇeh u ´lohy. Nyn´ı budou v´ ysledky shrnuty a uvedena obecná doporuˇcen´ı. Na v´ıceprocesorov´ ych systémech lze pouˇz´ıt aktivn´ı ˇcekán´ı. Jeho pˇresnost závis´ı na prostˇredc´ıch pouˇzit´ ych k mˇeˇren´ı ˇcasu a na eliminaci neˇza´douc´ıch pˇreruˇsen´ı. Velkou v´ yhodou je moˇznost implementovat tento pˇr´ıstup v user modu a vyuˇz´ıt tak komfort sluˇzeb operaˇcn´ıho systému. Pokud poˇzadujeme periodu ˇcasovaˇc˚ u v ˇrádech sekund aˇz stovek milisekund, je vhodné pouˇz´ıt standardn´ı API Windows. Nepˇreruˇsitelnost bˇehu u ´lohy nelze zaruˇcit, lze se j´ı vˇsak pˇribl´ıˇzit nastaven´ım real time priority — thread pak nem˚ uˇze b´ yt pˇreplánován. Pro periodu v ˇra´dech des´ıtek aˇz jednotek milisekund se jev´ı nejvhodnˇejˇs´ı pouˇz´ıt ˇcasovaˇce Multimedia Timer, kter´ y je standardn´ı souˇca´st´ı Windows. Lze dosáhnout aˇz ˇ 1 ms a nejhorˇs´ı pˇr´ıpad zpravidla nepˇrekroˇc´ı 3 ms. Casovaˇ c je stabiln´ı i pˇri zat´ıˇzeném systému. Kupodivu, ani v kernelu nenalezneme lepˇs´ı ˇcasovaˇc, ekvivalentn´ı API dokonce nen´ı z kernel módu pˇr´ıstupné (nen´ı exportované). Periodu v ˇra´dech jednotek aˇz desetin milisekund nab´ız´ı real time rozˇs´ıˇren´ı RTX ˇ firmy Ardence. Casovaˇ c je stabilnˇejˇs´ı (jitter byl okolo 20 µs) neˇz Multimedia Timer. 39

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

40 Nev´ yhodou je vysoká cena ˇcin´ıc´ı nˇekolik tis´ıc dolar˚ u.

Pˇreruˇsen´ı s periodou v ˇra´dech bl´ıˇz´ıc´ıch se k desetin´ am mikrosekundy lze z´ıskat s nˇekter´ ym z hardwarov´ ych ˇcasovaˇc˚ u. Periody kratˇs´ı neˇz nˇekolik µs nemaj´ı smysl, vzhledem k dobˇe vyˇrizován´ı poˇzadavk˚ u pˇreruˇsen´ı. Tyto ˇcasovaˇce je vhodné vyuˇz´ıt aperiodicky, kdy se plnˇe projev´ı jejich pˇresnost. V takto krátk´ ych ˇcasov´ ych okamˇzic´ıch mus´ıme brát v u ´vahu ˇradu faktor˚ u a na pouˇzit´ı sluˇzeb operaˇcn´ıho systému m˚ uˇzeme zapomenout. Nepˇreruˇsitelnosti u ´lohy se lze pˇribl´ıˇzit maskován´ım pˇreruˇsen´ı a oˇsetˇren´ım SMI. Z hardwarov´ ych ˇcasovaˇc˚ u lze pro vˇetˇsinu soft real time aplikac´ı doporuˇcit LAPIC Timer (je i základem pro RTX a dalˇs´ıch rozˇs´ıˇren´ı). Mˇeˇren´ı ˇcasu v ˇra´dech nanosekund lze provádˇet pomoci instrukce RDTSC. Mus´ıme vˇsak zváˇzit, zda to pro naˇs´ı aplikaci má v˚ ubec nˇejak´ y smysl. Napˇr´ıklad latence pˇri pˇr´ıstupu na sbˇernici PCI mohou b´ yt ˇrádovˇe mikrosekundy, nemluvˇe o vlivu negativn´ıch faktor˚ u, jako napˇr. prob´ıhaj´ıc´ı DMA pˇrenos. Tato pˇresnost by mohla b´ yt uˇziteˇcná pro zaˇrizen´ı pˇripojená do slotu pamˇeti SDRAM nebo pro mˇeˇren´ı doby trván´ı jednotliv´ ych instrukc´ı.

Literatura R R [1] RUSSINOVICH, Mark E., SOLOMON, David A. Microsoft° Windows° Internals,

Fourth Edition: Microsoft Windows ServerTM 2003, Windows XP, and Windows 2000. [s.l.] : Microsoft Press, 2004. 976 s. ISBN 0735619174. [2] DOUGLASS, Bruce Powel. Real-Time Design Patterns: Robust Scalable Architecture for Real-Time Systems. [s.l.] : Addison Wesley, 2002. 528 s. ISBN 0-20169956-7. [3] ONEY, Walter. Programming the Microsoft Windows Driver Model. 2nd compl. edition. Redmond, Washington : Microsoft Press, 2003. 880 s. ISBN 0-7356-1803-8. [4] JONES,

Michael,

REGEHR,

John.

The

Problems

You’re

Having

May

Not Be the Problems You Think You’re Having: Results from a Latency Study of Windows NT [online]. 1999 [cit. 2007-08-02]. Dostupn´ y z WWW: . [5] Advanced Configuration and Power Interface Specification [online]. Hewlett-Packard Corporation, Intel Corporation, Microsoft Corporation, Phoenix Technologies Ltd., Toshiba Corporation. Revision 3.0b. October 10, 2006 [cit. 2007-08-10]. PDF. 611 s. Dostupn´ y z WWW: . [6] PC 99 System Design Guide : A Technical Reference for Designing PCs and

Peripherals

tems

[online].

February

3,

for Intel

1998

the

R R Microsoft° Windows° Family

Corporation,

[cit.

2007-08-10].

Microsoft PDF.

of

Corporation.

521

s.

Operating

Sys-

Version

0.3.

Dostupn´ y

z

WWW:

. [7] IA-PC HPET (High Precision Event Timers) Specification [online]. Intel Corporation. Rev. 1.0a. October 2004 [cit. 2007-08-10]. PDF. 33 s. Dostupn´ y z WWW: . 41

42

LITERATURA

[8] Using the RDTSC Instruction for Performance Monitoring

[online].

In-

tel Corporation. 1998 [cit. 2007-08-10]. PDF. 12 s. Dostupn´ y z WWW: . R [9] Intel° I/O Controller Hub 8 (ICH8) Family : Datasheet [online]. Intel Cor-

poration. May 2007 [cit. 2007-08-10]. PDF. 890 s. Dostupn´ y z WWW: . [10] 82093AA

I/O

CONTROLLER 1996

[cit.

ADVANCED (IOAPIC)

2007-08-10].

PROGRAMMABLE

[online]. PDF.

Intel

20

INTERRUPT

Corporation.

s.

Dostupn´ y

May

z

WWW:

. R Intel° Architecture

[11] IA-32 System June

Programming 2006

[cit.

Software Guide,

Developer’s

Part

2007-08-10].

1

PDF.

Manual

[online]. 640

s.

:

Volume

Intel

3A:

Corporation.

Dostupn´ y

z

WWW:

. R Intel° Architecture

[12] IA-32 System June

Programming 2006

[cit.

Software Guide,

Developer’s

Part

2007-08-10].

2

PDF.

Manual

[online]. 530

s.

:

Volume

Intel

3B:

Corporation.

Dostupn´ y

z

WWW:

. R [13] Intel° CoreTM 2 R °

Intel Core

TM

Extreme

Quad-Core

2 Quad Processor Q6000

Processor ∆

QX6000∆

Sequence

and

Sequence : Datasheet [online]. Intel

Corporation. August 2007 [cit. 2007-08-10]. PDF. 98 s. Dostupn´ y z WWW: . [14] AMD64 Technology : AMD64 Architecture Programmer’s Manual Volume 2: System

Programming

[online].

Advanced

Micro

Devices,

Inc.

Revision:

3.12. September 2006 [cit. 2007-08-10]. PDF. 488 s. Dostupn´ y z WWW: <www.amd.com/us-en/assets/content_type/white_papers_and_tech_docs/ 24593.pdf>. [15] BIOS

and

Opteron

TM

Kernel

Processors

Developer’s [online].

Guide Advanced

for

AMD

Micro

Athlon Devices,

TM

64 Inc.

and

AMD

Revision:

3.30. February 2006 [cit. 2007-08-10]. PDF. 402 s. Dostupn´ y z WWW:

LITERATURA

43

<www.amd.com/us-en/assets/content_type/white_papers_and_tech_docs/ 26094.PDF>. ˇANEK, ´ [16] RYS Frantiˇsek. PCI Express - mýty a fakta [online]. [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . ˇANEK, ´ [17] RYS Frantiˇsek. Routing peruˇsen´ı a kolize prostedku na platform x86 aneb sedm generac´ı PC AT [online]. [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [18] Microsoft [online].

Corporation. November

Inside

1,

2006

Windows [cit.

NT

High

2007-08-10].

Resolution

Dostupn´ y

z

Timers WWW:

<www.microsoft.com/technet/sysinternals/information/highresolution timers.mspx>. [19] Microsoft Corporation. port

Guidelines For Providing Multimedia Timer Sup-

[online]. September 20, 2002 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW:

. [20] Microsoft October

Corporation. 12,

2006

Windows [cit.

Research

2007-08-10].

Kernel

Dostupn´ y

[online]. z

WWW:

. [21] Microsoft Corporation. Jak systém Windows urˇcuje kompatibilitu s rozhran´ım ACPI [online]. Revize 3.0. 7. ledna 2004 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [22] Microsoft Corporation. Jak pˇresunout instalaci systému Windows na jiný hardware [online]. Revize 14.2. 21. listopadu 2006 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [23] Microsoft Corporation. Moˇznosti pˇrep´ınaˇc˚ u v souboru Boot.ini v systémech Windows XP a Windows Server 2003 [online]. Revize 5.0. 31. kvˇetna 2006 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [24] Bios Central. CMOS Memory Map [online]. [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: .

44

LITERATURA

[25] DataRescue. [Liege,

IDA

Pro

Belgium],

Disassembler

2007

[cit.

[poˇc´ıtaˇcov´ y

2007-08-10].

program].

Ver.

Dostupn´ y

z

5.0.

WWW:

. [26] Microsoft

Corporation.

Debugging

Tools

for

Windows


pro-

gram]. Ver. 6.6.7.5. July 18, 2006 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [27] Microsoft Corporation. KrView - the Kernrate Viewer [poˇc´ıtaˇcov´ y program]. Ver. 5.2.3790.1101. January 14, 2004 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [28] Microsoft Corporation. DDK — Windows Driver Development Kit [poˇc´ıtaˇcov´ y program]. Ver. Windows Server 2003 SP1 DDK. [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [29] Lavalys Consulting Group, Inc. EVEREST Ultimate Edition program].

Ver.

4.0.

2007-04-05

[cit.

2007-08-10].


Dostupn´ y

z

WWW:

. [30] PEACOCK, Ver.

2.2.

Craig. 6th

PortTalk

April

2007

[poˇc´ıtaˇcov´ y [cit.

program,

2007-08-10].

open

Dostupn´ y

source].

z

WWW:

. [31] OpenLibSys.org. WinRing0 [poˇc´ıtaˇcov´ y program, open source]. Ver. Alpha11. 2007/08/04 [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [32] Ardence,

Inc.

R RTX° —

Real-time

Extension

for

Control

R Windows° .

of

[poˇc´ıtaˇcov´ y program]. Ver. 7.0.0.0. [cit. 2007-08-10]. Dostupn´ y z WWW: . [33] HUMUSOFT s.r.o. Real Time Toolbox [poˇc´ıtaˇcov´ y program]. Ver. 4.0. [cit. 2007-0810]. Dostupn´ y z WWW: . [34] The

MathWorks,

program].

Ver.

Inc. 2.7.

Real-Time [cit.

Windows

2007-08-10].

.

Target

Dostupn´ y

[poˇc´ıtaˇcov´ y z

WWW:

LITERATURA

45

[35] GROBLER, Janno, KOURIE, Derrick. Design of a High Resolution Soft Real-Time Timer under a Win32 Operating. In SAICSIT. [s.l.] : [s.n.], 2005. s. 226-235. [36] CINKELJ, Justin, MIHELJ, Matjaz, MUNIH Marko. Soft Real-Time Acquisition in Windows XP. In WISES. Hamburg, Germany : Hamburg University of Technology, May 20, 2005. s. 110-116. ISBN 3-902463-03-1. [37] HARNESK,

Andreas,

TENSER,

Windows XP Embedded.

[s.l.],

versity,

Department

Computer

Sweden.

Vedouc´ı diplomové

of

David.

April

práce

30,

Real-Time 2006.

Science Frank

74

and

L¨ uders.

s.

Performance Mälardalen

Electronics, Dostupn´ y

.

of Uni-

Västeras, z

WWW:

46

LITERATURA

Dodatek A Zkratky AD

Analog to Digital

APC

Asynchronous Procedure Call (Windows NT)

API

application programming interface

APIC

Advanced Programmable Interrupt Controller, tvoren LAPIC a IOAPIC

BIOS

Basic I/O System

DA

Digital to Analog

DDK

Driver Development Kit

DPC

Deferred Procedure Call (Windows NT)

EOI

End of Interrupt (LAPIC, PIC)

GPOS

General Purpose Operating System

HPET

High Performance Timer

IDT

Interrupt Descriptor Table

INTI

také INTIN, Interrupt input (IOAPIC)

INTR

Interrupt Request

IOAPIC

I/O Advanced Programmable Interrupt Controller (napˇr. 82093AA)

IPI

Inter-Processor-Interrupt

IRQ

Interrupt Request or the interrupt input lines

IRQL

Interrupt Request Level (Windows NT)

ISR

Interrupt Service Routine

LAPIC

Local Advanced Programmable Interrupt Controller

LVT

Local Vector Table (LAPIC)

MADT

Multiple APIC Description Table

MSI

Message Signaled Interrupt (PCI) I

II

DODATEK A. ZKRATKY

MSR

Machine Specific Register

MTRR

Memory Type Range Register

NB

North Bridge, Host-to-PCI

NMI

Non Maskable Interrupt

OS

Operating System

PCI

Peripheral Component Interconnect

PIC

Programmable Interrupt Controller (napr. 8259A)

PIT

Programmable Interval Timer

PM

Power Management

RE

Reverse Engineering

RTC

Real Time Clock

RTOS

Real-time operating system

SB

South Bridge

SDK

Software Development Kit

SDRAM

Synchronous Dynamic Random Access Memory

SM

System Management

SMI

System Management Interrupt

SMM

System Management Mode

UTC

Coordinated Universal Time

WMI

Windows Management Instrumentation

Dodatek B Pˇ r´ıkazy Windbg !apic ACPI informace o Local Advanced Programmable Interrupt Controller.

!fadt ACPI informace o konfiguraci systému.

!i{b,w,d} cislo portu Pˇreˇcte byte/slovo/dvojité slovo ze zvoleného portu.

!ioapic Informace o IO Advanced Programmable Interrupt Controller.

!mapic Zobraz´ı ACPI tabulku s informacemi o ˇradiˇc´ıch pˇreruˇsen´ı.

!pic Informace o Programmable Interrupt Controller.

!rdmsr cislo registru Pˇreˇcte zadan´ y Machine Specific Register.

III

IV

ˇ ÍKAZY WINDBG DODATEK B. PR

Dodatek C Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD bp.pdf Tato bakaláˇrská práce.

ych Zdrojov´ e k´ ody Zdrojové kódy ˇr´ızen´ı mikropolohovac´ı platformy, vˇcetnˇe potˇrebn´ knihoven.

V

Fakulta elektrotechnická. mikropolohovací platformy z PC v reálném

Recommend Documents