コグノスケ

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

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。

// 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。

$ 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。

$ 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。

// 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。

$ 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。