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Zephyr OS で遊ぼう その 21 - SMP 対応 CPU コア数 1、実行時エラーの対処

目次: Zephyr を調べる - まとめリンク

SMP 対応のうち、ビルドエラーの対処が終わったので、実行時エラーに対処します。

実行時エラー: k_spin_lock

CONFIG_SMP を有効にすると、k_spin_lock() 内で atomic_cas() を呼ぶようになります。すると k_spin_lock() -> atomic_cas() -> z_impl_atomic_cas() -> k_spin_lock() という循環呼び出しが発生し、スタックオーバーフローを起こしてクラッシュします。これは Zephyr のバグではなくコンフィグの設定間違いが原因です。

k_spin_lock() の循環呼び出し

// zephyr/include/spinlock.h

static ALWAYS_INLINE k_spinlock_key_t k_spin_lock(struct k_spinlock *l)
{
	ARG_UNUSED(l);
	k_spinlock_key_t k;

	/* Note that we need to use the underlying arch-specific lock
	 * implementation.  The "irq_lock()" API in SMP context is
	 * actually a wrapper for a global spinlock!
	 */
	k.key = arch_irq_lock();

#ifdef CONFIG_SPIN_VALIDATE
	__ASSERT(z_spin_lock_valid(l), "Recursive spinlock %p", l);
#endif

#ifdef CONFIG_SMP
	while (!atomic_cas(&l->locked, 0, 1)) {    //★CONFIG_SMP が有効だと atomic_cas() を呼ぶ★
	}
#endif

...


// zephyr/include/sys/atomic.h

#ifdef CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_BUILTIN
static inline bool atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
			  atomic_val_t new_value)
{
	return __atomic_compare_exchange_n(target, &old_value, new_value,
					   0, __ATOMIC_SEQ_CST,
					   __ATOMIC_SEQ_CST);
}
#elif defined(CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C)    //★既存の RISC-V ボードはこちらが有効になっている★
__syscall bool atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
			 atomic_val_t new_value);

#else
extern bool atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
		      atomic_val_t new_value);
#endif

...


// build/zephyr/include/generated/syscalls/atomic.h

static inline bool atomic_cas(atomic_t * target, atomic_val_t old_value, atomic_val_t new_value)
{
#ifdef CONFIG_USERSPACE
	if (z_syscall_trap()) {
		return (bool) arch_syscall_invoke3(*(uintptr_t *)&target, *(uintptr_t *)&old_value, *(uintptr_t *)&new_value, K_SYSCALL_ATOMIC_CAS);
	}
#endif
	compiler_barrier();
	return z_impl_atomic_cas(target, old_value, new_value);    //★ここにくる★
}

...


// zephyr/kernel/CMakeLists.txt

target_sources_ifdef(CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C   kernel PRIVATE atomic_c.c)    //★CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C 有効のとき実装は atomic_c.c★

...

// zephyr/kernel/atomic_c.c

bool z_impl_atomic_cas(atomic_t *target, atomic_val_t old_value,
		       atomic_val_t new_value)
{
	k_spinlock_key_t key;
	int ret = false;

	key = k_spin_lock(&lock);    //★循環呼び出し★

	if (*target == old_value) {
		*target = new_value;
		ret = true;
	}

	k_spin_unlock(&lock, key);

	return ret;
}

...

RISC-V の SoC のコンフィグでは大抵 CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C が有効になっていて、atomic_cas() の実装としてスピンロックを使います。これは SMP と相性が悪く、CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_C と CONFIG_SMP を同時に有効にすると先ほど説明した循環呼び出しが発生してしまいます。

循環呼び出しを防ぐには独自に atomic_cas() を実装する必要がありますが、アトミック操作を自分で実装&検証するのは大変ですから、RISC-V のアトミック命令(Atomic Extension)とコンパイラの機能を頼ります。

以前追加した QEMU RISC-V 32bit virtpc 用のコンフィグを SMP のテスト用に改造します。

ATOMIC_OPERATIONS_* の設定例

# zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/rv32-virt/Kconfig.soc

config SOC_QEMU_RV32_VIRT
	bool "QEMU RV32 virt SOC implementation"
	select ATOMIC_OPERATIONS_C if !SMP         # 非 SMP のときは従来通り
	select ATOMIC_OPERATIONS_BUILTIN if SMP    # SMP のときは Atomic Extension に頼る

コンフィグ CONFIG_ATOMIC_OPERATIONS_BUILTIN を有効にすると、Zephyr は atomic_cas() の実装として __atomic_compare_exchange_n() ビルトイン関数を使います。ビルトイン関数を使うにはコンパイラのサポートが必要で、今のところ、サポートしているのは GCC のみだと思います。LLVM でも使えるかもしれませんが、未調査です。

これで CONFIG_SMP を有効にしても、エラーやハングアップすることなく、今までどおりに動作するようになったはずです。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 10月 14日 01:40]

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