Alternative TitleAdding Real-Time Functionality and Flexibility to UNIX for Embedded System
Note (General)組込みシステムは、ある特定の役割を持つ機器を制御する計算機システムである。現在、組込みシステムは、情報家電やロボット、携帯電話、自動車など様々な機器に搭載されており、世界中で広く利用されている。 組込み機器に搭載された組込みシステムは、デスクトップPC（Personal Computer）のような汎用の計算機システムと同じように、CPU とメモリ、I/O（Input/Output）装置のハードウェア群とそれらを統括する基盤ソフトウェアから構成される。ただし、組込みシステムは、その用途が限定されているため、用途に必要十分なハードウェア資源と基盤ソフトウェアだけから構成される。そのため、既存の組込みOS は、性能の低いCPUと少量のメモリ上で動作するように単純な機能のみの構成になっている。更に低価格化のためにハードウェア資源が制限されるような用途の組込みシステムは、OS を使用せずに対象となる用途専用のソフトウェアのみで構成されることもある。 他方で組込み機器の高機能化が進み、汎用OS(Operating System) であるUNIX を組込み機器向けの基盤ソフトウェアとして利用する事例が増えてきた。UNIX を利用する利点は、既に動作している豊富なソフトウェア資産を流用することで開発コストを削減できる事である。 例えば、UNIX を使った情報家電のTV は、画面上のメニューを既存のGUI(Graphical User Interface) ライブラリを基に構築する事ができる。また、インターネットから番組情報を取得するような処理も、UNIX の持つドライバ、ネットワークスタック、アプリケーションといった豊富なソフトウェア資産を利用して実現可能である。一方、組込みOS は、UNIX に比べソフトウェア資産の蓄積が少ない。そのため、ソフトウェアをゼロから開発するか、商用のソフトウェアを別途購入する必要があり、開発にコストがかかってしまう。UNIX は、豊富なソフトウェア資産を持ち、多くのUNIX 実装はロイヤリティフリーかつオープンソースである。UNIX を組込み機器向けの基盤ソフトウェアとして利用すれば、これらの豊富なソフトウェア資産を利用、改良することで、既存の組込みOSが抱えていた開発コストの増加を抑えられる。 このように、UNIX は豊富なソフトウェア資産を提供する事で、組込み機器向けの基盤システムとして開発上の利点をもっている。しかし、UNIX は汎用計算機向けとして発展してきたため、組込み機器を制御する上で以下に挙げる４つの不足点がある。 ・実時間性の不足 ・用途に特化する柔軟性の不足 ・省資源性の不足 ・信頼性の不足 これらの内、省資源性の不足に対しては CLinux などのシステムが、信頼性に関してはSELinux などの研究があるが、実時間性の不足と用途に特化する柔軟性の不足に対しては有効な手段が見いだせていない。本研究では、この２つの不足点の解決を目標とする。まず、実時間性について説明する。実時間性は、ハードウェア割込みへの応答時間やソフトウェア処理時間をある時間内に収めることを保証する性質である。組込みの世界では、数 秒オーダの実時間性を求められるが、汎用OS では処理の効率や平等性を重視した結果、実時間性を持たないことが多い。次に柔軟性について説明する。組込みシステムは、使用される用途が限定されるため、ソフトウェアもその処理内容に特化する必要がある。 μITRON のような組込みOS では、CPU は常にカーネルモードで動作し、ハードウェアを含めたカーネル内資源に低オーバヘッドにアクセスできる柔軟性を持つ。一方、汎用OS は、多目的に使用されるため、多種多様なアプリケーションソフトウェアを動作させなければならない。そこでCPU は、それらのアプリケーションをユーザモードで動作させ、システムコールという制限された枠組みを通してカーネルモードへ遷移し、カーネル内資源へアクセスする必要がある。この方法ではカーネル内資源へのアクセス手段が制限されてしまい、用途に特化する柔軟性が不足する。汎用OS を組込みシステムとして利用するには、カーネル内資源にアクセスできる柔軟性を確保し、用途に応じて特化可能にすべきである。そこで、本研究では「実時間性の不足」と「用途に特化する柔軟性の不足」を解決するため、実時間性を提供するunitron システムと、用途に特化する柔軟性を提供するkexecシステムを提案する。unitron システムは、組込み用OS の ITRON をLKM(LoadableKernel Module) 化することで、UNIX カーネル内部に取り込み実時間性を提供する。kexec システムは、UNIX アプリケーションをそのままカーネルモードで動作させ、カーネル内資源を直接操作可能とする。これにより、用途に特化する柔軟性を提供する。unitron システムとkexec システムにより、豊富なソフトウェア資産を持つという利点を生かしつつ、UNIX をより組込み機器向けの基盤ソフトウェアとして活用できるようになる。
2013
Collection (particular)国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文
Date Accepted (W3CDTF)2018-01-02T17:18:43+09:00
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