Linux を制御に使うためのテクニック

→I/Oアクセス
→プログラムをroot権限で実行する：chmod +s
→CPU内蔵のカウンタで時間を計る：RDTSC
→プログラムの優先順位を上げる：setpriority
→プログラムの優先順位をさらにに上げる：sched_setscheduler

I/O アクセス

Linux の場合はというとやぱり in/out の関数が存在します。入出力 それぞれ 1,2,4バイト単位で

• unsigned char inb(unsigned short port) : 1バイト入力
• unsigned short inw(unsigned short port) : 2バイト入力
• unsigned int inl(unsigned short port) : 4バイト入力
• void outb(unsigned char value,unsigned short port) : 1バイト出力
• void outw(unsigned short value,unsigned short port) : 2バイト出力
• void outl(unsigned int value,unsigned short port) : 4バイト出力

しかし、Linuxの場合、ただ、これら命令を実行すると Segmentation fault が発生してプログラムが停止します。これは保護機能によるものです。 ユーザがかってに I/O 命令を実行できるとなると、マルチタスク・ マルチユーザのOSの信頼性はとたんに無くなります。１ユーザのいたずらで システムが容易にとまるからです。
そこで、保護を解除する必要があります。方法は２通りあります。

1. int ioperm(unsigned long from, unsigned long num, int turn_on);
   I/Oポート空間を部分的に保護解除してアクセスできるようにします。 ただし、適応範囲が 0-0x3ff のみなので、使い勝手はよろしくありません。 アドレス from から num バイトのみ許可するので間違ってへんなところを アクセスする危険性は少ないと言えます。
2. int iopl(int level);
   I/O空間全体をまとめてアクセスできるようにします。 iopl(3); とすることでアクセス許可になります。通常は iopl(0); です。 ひとたびこの関数を実行すると、I/Oアクセスはどこでもできるので、 アドレスを間違うと危険です。
   (中には読むだけでOSがフリーズするポートもあったり...)

さらに、この保護解除は root 権限でなければできないようになっています (一般ユーザができたら、保護でもなんでも無くなります)。
ただし、一度確定したプログラムを一般ユーザがroot権限で 実行することは可能で、後述します。

結果的に、I/O アクセスを Linux のプログラムで行うには

1. ioperm/iopl で保護解除して
2. inb/inw/inl, outb/outw/outl で入出力、
3. 実行は root で行う

なお、メモリに関しては事実上直接は操作できません(/dev/mem で ある程度可能)。メモリ関係のハードをアクセスするには、 メーカがデバイスドライバを供給してくれることを待つか、 自作する必要があります。

プログラムをroot権限で実行する：chmod +s

具体例を示します。

% ls -l aaa
-rwxrwxr-x   1 kumagai  users        3976 Sep 18 16:24 aaa
% su
Password: 
# chown root:root aaa
# ls -l aaa
-rwxrwxr-x   1 root     root         3976 Sep 18 16:24 aaa
# chmod +s aaa
# ls -l aaa
-rwsrwsr-x   1 root     root         3976 Sep 18 16:24 aaa

この操作で、いちいち root にならなくとも、I/O 操作のプログラム などを実行できるようになります。この set userID はよくみると /usr/bin などの多くのプログラムで使用されています。しかし、 だれでも root 権限で実行できるようになるということは、ある意味 危険なので、十分注意する必要があるでしょう。

CPU内蔵のカウンタで時間を計る：RDTSC

Pentium 以降のCPUの場合には、もう１つ、CPU の内部カウンタを利用する、 という方法があります。実際のところは、Linux が gettimeofday の 時間を得るのにも、この内部カウンタをつかっています。

この内部カウンタを使用する利点は２つあります。第１に１クロックで 済むような命令を使うため、gettimeofday に比べ処理に時間が かからないこと。第２にgettimeofdayは秒以上の桁と秒未満の桁が 別の変数(をまとめた構造体)として帰ってくるため、両方まとめる 処理が必要であるのに対し、64bitの一つの数値として 扱うことができる、というものです。逆に欠点として、CPUの動作 クロックに直接依存するため、変換および変換定数の調整が 必要なことです。

この内部カウンタはCPUのクロックそのものをカウントしています。 400MHzのCPUでは１秒に約400*10^6だけカウントします。 カウンタの大きさは64bitです。こういうものを使うときには いつあふれるか？ということが重要な問題になりますが、試算すると 400MHz の場合で１０００年以上もちます。つまり、常識の範囲では あふれません。

このカウンタを読み出す関数はライブラリには存在しないので、 インラインアセンブルで直接Pentiumの命令を仕込みます。 最近のアセンブラを使用すると rdtsc と書くだけですむのですが、 ここでは互換性を考えて、コードを直接埋めます。

inline unsigned long long int RDTSC(void)
{
  unsigned int h,l;
  /* read Pentium cycle counter */
  __asm__(".byte 0x0f,0x31"
          :"=a" (l),
          "=d" (h));
  return ((unsigned long long int)h<<32)|l;
}

変換係数はたとえば、こんなプログラムで 求めることができます。

プログラムの優先順位を上げる：setpriority

NAME
       getpriority, setpriority - get/set program scheduling priority

SYNOPSIS
       #include 
       #include 

       int getpriority(int which, int who);
       int setpriority(int which, int who, int prio);

プログラムの優先順位をさらにに上げる：sched_setscheduler

具体的には

#include 
 
        :
  struct sched_param sp;
  sp.sched_priority=99;
  sched_setscheduler(0,SCHED_FIFO,&sp);

プロセスの優先度を SCHED_FIFO, SCHED_RR で指定した場合、ふつうの 特に指定していないプロセス(SCHED_OTHER)すべてより優先度が高くなります。 そのため、実験例で示したような周期安定性も、 よくなり、周期をはずすことも、1万回に1〜2回程度とさらに少なくなります。 依然としてはずすことがあるのは、プロセスよりも優先される、 ハードウェアの割り込み処理などの影響と考えられます。 処理内容によっては setpriority では効果が 足りない場合があり、その場合には、この方法が役立つことでしょう。

ただし、重要な注意点がひとつあります。それは、ふつうのプロセス すべてより優先度が高くなるということは、usleep などでOSに CPUを明示的に返さずに無限ループした場合(おそらく意図的には やらないとおもいますが)、kill を実行することはおろか、 kterm 上でControl-Cで止めようにも、X やシェルすら動作しない、という 状態が発生します。OSとしては動いているので、致命的な障害は 発生しないと思われるものの、シャットダウンしなければ戻りません。 十分注意する必要があるでしょう。

補足：
Linuxによる制御の実践のところで述べたような 周期変更を行う場合、注意が必要です。というのは、SCHED_FIFO などの プロセスがふつうのプロセスより優先される、という機構は 優先順位に下駄を履かせることによって実現されているのですが、 この下駄がたりなくなるためです。もし、HZを1000以上にした上で sched_setscheduler を使用する場合には、/usr/src/linux/kernel/sched.c の goodness という関数の最初のほうの

        if (p->policy != SCHED_OTHER) {
                weight = 1000 + p->rt_priority;
                goto out;
        }

サンプルプログラム：

• 10秒間、最優先で無限ループするプログラム
  最優先で無限ループするとどうなるかを実際に体験できる 危険なプログラムです。念のため、一般ユーザで使用して、 10秒でプログラムが正常に停止することを確認して、rootで実行してください。 なお、Dual Processor のマシンでは、もう一方のCPUがあるので、 実行してもふつうにコンピュータが使用できます。体験したい場合は、 同時に２個実行してください。
• 凍り付き監視プログラム
  一定時間、凍り付いたような状態になった 場合に、強制的に sched_setscheduler によって、原因となりそうな SCHED_OTHER 以外のプロセスのスケジューリングポリシーを SCHED_OTHERに落とします。これにより、無限ループが発生しても ブロックされます。危険な状態になるまえに、root で実行しておいてください。 実行時 set user ID 属性をつけておくのもありです。