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Zephyr OS で遊ぼう その 23 - SMP 対応 CPU コア数 1、HART 0 以外で動かす

目次: Zephyr を調べる - まとめリンク

前回は HART 0 以外で動かす際に、動作確認が必要なので準備を行いました。今回は HART 0 以外で動かします。

実行する HART を一時的にずらす

一番簡単なやり方は、ブート時の判定条件を変えることだと思います。通常は HART ID が 0 だったら起動しますが、0 じゃない HART のときに起動するように変更します。この変更は最終的には不要なので、あとで元に戻すのを忘れないようにしてください。

変更前の実行結果

// zephyr/arch/riscv/core/reset.S

...

SECTION_FUNC(TEXT, __initialize)
	/*
	 * This will boot master core, just halt other cores.
	 * Note: need to be updated for complete SMP support
	 */
	csrr a0, mhartid
	addi a0, a0, -3    //★HART ID - 3 = 0 なら実行する、つまり HART ID 3 で実行する★
	beqz a0, boot_master_core

...

Zephyr の CPU コア数は menuconfig から変更可能です。なぜかは知りませんが、最大 4コアらしいです。

CPU 数の変更
$ ninja menuconfig

General Kernel Options  --->
  SMP Options  --->
    (4) Number of CPUs/cores

実行してみます。QEMU の -smp cpus=1 オプションを cpus=4 に変更して 4コアで実行します。

変更前の実行結果
$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine virt -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/zephyr.elf -cpu rv32 -smp cpus=4 -bios none

** Booting Zephyr OS build zephyr-v2.4.0-546-g720718653f92  ***
3: thread_a: Hello World from QEMU RV32 virt board!

HART ID は変わりました。しかしスレッド A からスレッド B に切り替わらず、ハングアップしてしまいます。原因はタイマー割り込みが HART ID 0 以外に入らないからです。Zephyr はタイマー割り込みによってカーネルの内部時間(Tick)を更新する他、割り込みを契機にコンテキストスイッチを行っています。

タイマーの SMP 対応

Zephyr では通常の定期的なタイマー割り込みと、Tickless Timer という不定期なタイマー割り込みの仕組みがあります。通常のタイマーの場合、一定時間ごとにタイマー割り込みを発生(例えば 10ms ごとなど)させ、1Tick ずつ時間を進めます。実装は単純ですが、用もなくタイマー割り込みが発生するため、消費電力や処理性能に悪影響を及ぼします。

Tickless Timer の場合、各 CPU が「最後に割り込みが発生した時刻」を記録しておいて、タイマー、タイマー以外の割り込みが発生した際に、前回の割り込みからどれだけ時間が経過したか、つまり、何 Tick 経過したか?を計算して、一気に時間を進めます。また「次のタイマー割り込みの設定」は、できるだけ遠く(現在時刻 + 1 Tick)に設定して、無用なタイマー割り込みが発生しないように工夫されています。

「最後に割り込みが発生した時刻」と「次のタイマー割り込みの設定」は CPU が割り込みを受けたタイミングによって値が変わり、全 CPU で共有する値ではありませんから、CPU ごとに専用の場所を用意する必要があります。

タイマーの SMP 対応

// zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c(変更前)

static struct k_spinlock lock;
static uint64_t last_count;

static void set_mtimecmp(uint64_t time)
{
#ifdef CONFIG_64BIT
	*(volatile uint64_t *)RISCV_MTIMECMP_BASE = time;
#else
	volatile uint32_t *r = (uint32_t *)RISCV_MTIMECMP_BASE;


// zephyr/drivers/timer/riscv_machine_timer.c(変更後)

#define RISCV_MTIMECMP (RISCV_MTIMECMP_BASE + (uintptr_t)z_riscv_hart_id() * 8)    //★「次のタイマー割り込みの設定」★
#define last_count last_count_mp[z_riscv_hart_id()]    //★「最後に割り込みが発生した時刻」★

static struct k_spinlock lock;
static uint64_t last_count_mp[CONFIG_MP_NUM_CPUS];     //★CPU の数だけ配列を確保★

static void set_mtimecmp(uint64_t time)
{
#ifdef CONFIG_64BIT
	*(volatile uint64_t *)RISCV_MTIMECMP = time;
#else
	volatile uint32_t *r = (uint32_t *)RISCV_MTIMECMP;

今回の SMP 対応では MTIMECMP レジスタの幅が 64bit であることがわかれば、動作の詳細を知らなくても読み進められると思います。

仕様が気になる場合は、SiFive Core Local Interruptor(CLINT)の仕様を参照ください。CLINT は FE310 もしくは FU540 のマニュアルに載っています。FE310 はシングルコア、FU540 はマルチコアです(FE310-G002 Manual, FU540-C000 Manual)。

効果の確認

以上の対応で HART ID 0 以外もタイマー割り込みが入るようになり、スケジューラが動作するようになったはずです。

変更後の実行結果
$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine virt -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/zephyr.elf -cpu rv32 -smp cpus=4 -bios none

** Booting Zephyr OS build zephyr-v2.4.0-546-g720718653f92  ***
3: thread_a: Hello World from QEMU RV32 virt board!
3: thread_b: Hello World from QEMU RV32 virt board!
3: thread_a: Hello World from QEMU RV32 virt board!
3: thread_b: Hello World from QEMU RV32 virt board!

...

HART ID = 3 で実行されています。やったね。以降、実行する HART を一時的にずらす変更は不要なので、元に戻すことを忘れないようにしてください。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 10月 14日 20:07]

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