非RT Linux による制御法の実際

Linux による周期実行

  while(1)
   {
      usleep(5000);    // 5msec 休み
      DoControl();
   }

さて、この方法がそのまま思い通り動くかというと No です。 その理由は通りです。

1. Linux はマルチユーザ・マルチプロセスのOSです。一般に こういったOSでは「いかに平等に各プロセスにCPU時間を割り振るか」を CPU割り当ての原則にしているため、場合によってはうまく動くものの、 場合によっては他のプロセスに先にCPUを割り当てられてしまって、 待たされることがあります。
2. Linux において、休眠解除はいつでも起きるわけではありません。 つまり、「5msec後」と指定しても、ピッタリその時間に起きるわけではなく、 5msec 後のあるタイミングで解除されることになります。いわば、 「10分単位でしか設定できない目覚まし時計」みたいなものです。 これでは５分後に起こしてほしくとも、うまくはいきません。 ふつうに構築したLinuxのばあい、この間隔が10msec で、しかも、 最低10msec より長い時間たたなければなりません。
   つまり、いくら頑張っても、この方法では20msec 単位でしか処理 できません。

Linux の動作

まず、usleep(sleep) を実行すると、Linux によって、そのプロセスは 休眠状態に入ります。休眠状態はそのプロセスがLinuxに対して CPUの割り当てを要求しない状態です。この状態にすることで、 時間を見ながら無限ループで無駄に時間を過ごして周期的な実行をする、 というMS-DOSでやることがあるような方法に比べて、ほかのプロセスに 迷惑をかけず、CPUを有効利用することができます。

Linuxでは、内部で一定周期でタイマ割り込みが発生しています。 これは一般的なLinuxの場合は 10msec 単位で起きます。 このとき、OS内部の時間に関する処理をいくつか行いますが、そのとき、 休眠しているプロセスを調べて、指定された時間が経過していた場合には、 休眠を解除して、実行可能状態にします。

Linux は現在実行可能状態のプロセスの中から、優先順位の高いものを 実行します。この優先順位は基本的には nice という数値で決定され ますが、CPUを使いっ放しのプロセスの優先順位は時間とともに下がって いきます。

以上のような仕掛けの元で、上のようなプログラムを実行すると、
　休眠→（タイマ割り込み×ｎ）→休眠解除→CPU割り当て
ということになります。先ほどの２点の問題点は、起きる時間が タイマ割り込みのときのみ、かつ休眠解除しても優先順位の関係で CPUが割り当てられないことがある、ということに起因します。

優先順位の問題解決

   # nice --20 program

とはいえ、休眠はほんの少しで、おおむねCPUを使いっ放しにするような プログラムをつくると、いくら起動時に優先度をあげても、優先順位は 時間とともに低下、思った通り実行されなくなりますので、要注意。

さらに、強制的に優先度をあげて、他のプロセスより必ず先に実行 させるという方法もありますが、詳細は他にゆずります。

休眠周期の分解能向上

解決案は非常に単純です。タイマ割り込みをもっと短くします。 10分単位の目覚まし時計を1分単位に改造するようなものです。

具体的には、カーネルのソースの /usr/src/linux/include/asm/param.h に

#ifndef HZ
#define HZ 100
#endif

なお、当然、ソースを変えただけではだめで、カーネルの再コンパイルが 必要です。

実験・考察

実験は周期測定用のダミー処理入りプログラムを つかっています。パソコンは Celeron 462MHzで、X を立ち上げて、 kterm や mule がいくつか起動された状態、Linux は 2.2.10 を 上記 HZ を 1000 にしたものです。
処理は適当に三角関数を計算し、ランダムに処理量が変動します。 周期性を保つ部分には、処理にかかった時間から適切な休眠時間を 割り出すような処理をいれてあります。目標周期は5msecで1万周期の データを示します。

• nice -0 の場合(標準的優先順位)
  グラフ・数値データ
• nice --20 の場合(最優先)
  グラフ・数値データ

• sin,cos をつかっていますので、コンパイルには -lm をお付け下さい。
• Pentium 以降のCPUの場合、 CPU内蔵のカウンタを利用して時間を高精度に測定できます。 この場合、#define USE_RDTSC を有効にしてください。また、 変換定数 TickPerMSEC をクロック測定 プログラムなどで指定してください。簡易的には、CPUの クロック数を1000で割った値が使用できます。
• 目標周期は cyclic 20 などと実行時の引数で指定できます。
• プログラムを Control-C でとめると、周期変動が cprof.xy に 最近1万回分出力されます。
• ダミーの計算は Dummy() で行います。引数に比例して計算量が増えます。
• 休眠時間の設定は3種類の方法を例示しておきます。適当にコメント アウトして、どのように変化するかをお試し下さい。
  なお、方法3は方法2に比較して、一回余分に usleep するため、 （処理時間＋４×タイマ周期）以下の周期で実行できません。そのかわり、 処理時間がタイマ周期とほぼ変わらなくなったときに、周期が安定 しやすいはずです。