JP2004528656A - 組込み制御環境におけるリモート入出力機能への効率的なアクセスのための方法およびシステム - Google Patents
組込み制御環境におけるリモート入出力機能への効率的なアクセスのための方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】組込み制御環境で、組込みマイクロプロセッサにリモート接続された入出力デバイスにアクセスする方法を提供する。前記入出力デバイスのリソースを前記マイクロプロセッサのアドレス空間またはメモリ・アドレス空間にマッピングすることによって、既存のデバイス・ドライバを再利用でき、タイム・トゥー・マーケットが大幅に改善される。
Description
【0001】
本発明は、全般的に、入出力機能へのアクセスに関する。具体的には、本発明は、マイクロコントローラにリモート接続された入出力機能へのアクセスに関する。さらに具体的には、本発明は、組込み制御環境でのそのようなリモート接続された入出力機能へのアクセスに関する。
【背景技術】
【0002】
分散組込み制御環境では、入出力エンジンは、シリアル接続を通じて組込みコントローラにリモート接続されることが多い。通常、これらのデバイスへのアクセスは、シリアル接続制御ハードウェアを直接プログラミングすることによって容易になる。
【0003】
図1に、組込みコントローラが、接続のリモート端に接続された一連の入出力デバイスを操作する必要がある環境が示される。
【0004】
マイクロプロセッサは、最下位のレベルでは、Intel x86などのアーキテクチャに関してその入出力アドレス空間を介するか、IBM PowerPCなどのアーキテクチャでそのメモリ・アドレス空間を介するかのいずれかで、入出力リソースにアクセスする。このレベルでハードウェアを制御するソフトウェア・エンティティは、通常はデバイス・ドライバと呼ばれる。より上位レベルのソフトウェア・アプリケーションに対しては、デバイス・ドライバは、デバイスの総称的な視点(generic view)を提供する。通常、UNIX(R)システムでは、デバイス・ドライバは、/devツリーの階層ファイルシステム名前空間で可視である。デバイス・ドライバへのアクセスは、下記のような通常のファイルシステムのセマンティクスおよびインターフェースを使用して促進される。
− open()
− close()
− read()
− write()
− ioctl()
【0005】
組み込み制御アプリケーションでは、入出力デバイスが、図2に示されたマイクロプロセッサ・バス・レベルで直接アドレッシングできるようにすべての入出力デバイスを接続することが、常に可能であるとは限らない。しばしば、入出力機能は、独立のASICで実装される。このASICは、ある接続ハードウェアを通じて組込みコントローラのマイクロプロセッサに接続することができる。その結果、入出力デバイスのリソースは、マイクロプロセッサの入出力アドレス空間またはメモリ・アドレス空間で直接可視ではない。マイクロプロセッサから可視であるものは、入出力ASICを組込みコントローラに接続する接続ハードウェアのリソースである。
【0006】
このような状況で使用できる既存のデバイス・ドライバが存在しないので、入出力デバイスへのフル・ソフトウェア・パスが、カスタム・デバイス・インターフェース・ソフトウェアを通じて、容易となるようにする必要がある。このカスタム・デバイス・インターフェース・ソフトウェアが必要となることは、近時の組込み制御市場でしばしばキーとなっている、製品を市場に投入するまでの期間(タイム・トゥー・マーケット)の制限要因となってしまっている。
【0007】
さらに、デバイス・ドライバ・レイヤーがカスタム実装されることによって、簡単には回復できないフィールドにソフトウェア・バグが出荷される確率が高まる。以前にバグが存在したアプリケーションの新しいバージョンをインターネットを介してダウンロードすることが比較的単純である通常のPCアプリケーションとは異なり、組込み制御アプリケーションでは、不完全なソフトウェアを置き換えることを簡単に行うことはできない。
【0008】
組込み制御アプリケーションでは、従来、カスタム・オペレーティング・システム、カスタム・デバイス・ドライバ、およびカスタム・ハードウェアが使用されていたので、最近までこの問題は存在していなかった。そして、この問題は、比較的新しいものであるので、標準的なソリューションは用意されていない。しかし、組込み制御環境での標準化に対する新興の圧力(emerging push)によって、新しいソリューションがより普及していっている。
【0009】
つまり、この標準化に向かう主要な原動力は、Linux(R)およびオープンソース・ムーブメント全般である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
したがって、本発明の目的は、プログラミングの労力を大幅に減少させる、組込み制御環境で入出力デバイスにアクセスするための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記および他の目的および長所は、請求項1で開示される方法、すなわち、組込み制御環境で入出力デバイスにアクセスする方法であって、前記入出力デバイスが、組込みマイクロプロセッサにリモート接続され、前記入出力デバイスのリソースを、前記マイクロプロセッサのアドレス空間またはメモリ・アドレス空間にマッピングするステップを特徴とする方法、によって達成される。
【0012】
有利な実施形態が、従属請求項で主張される。
【0013】
本発明を、図面に関して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明によって、周知のロケーションにあり周知のレイアウトを有する、プロセッサの入出力アドレス空間またはメモリ・アドレス空間に、一般的な入出力デバイスについて使用可能である既存のデバイス・ドライバをマッピングしさえすれば、そのデバイス・ドライバの再利用が可能となる。既存のデバイス・ドライバ・コードの再利用によって、タイム・トゥー・マーケットが大幅に改善され、ソフトウェア・テストの労力も減少することとなる。
【0015】
本発明は、既存のデバイス・ドライバが変更するのではなく、既存のデバイス・ドライバを架空のデバイス(fictitious device)に適合(adapt)させることに言及しなければならない。
【0016】
ほぼすべてのオペレーティング・システムおよびリアル・タイム制御プログラム(RTOS)のデバイス・ドライバが存在する、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter、汎用非同期送受信器)と呼ばれるシリアル・ポートのようなリモートではあるが周知のデバイス・タイプについて、デバイス抽象化レイヤー(Device Abstraction Layer、以下ではDALと呼称する)が設けられる。このDALによって、デバイスのリソースが、リモート・デバイスがローカルにマイクロプロセッサから使用可能であるかのように、マイクロプロセッサの入出力アドレス空間またはメモリ・アドレス空間にマッピングされる。
【0017】
表1に、入出力アドレス空間またはメモリ・アドレス空間のいずれかのレジスタとしてマイクロプロセッサに可視であるUARTリソースの例が示される。そうすることによって、膨大な量の複雑なコードを書きなおす必要なしに、既存のデバイス・ドライバ、およびそれを使用するすべての既存のアプリケーション・ソフトウェアを瞬時に再利用することが可能となる。
【0018】
【表1】
【0019】
DALの実装は、下記の形のいずれかで行われる。
1.デバイス抽象化を維持するために、リクエストおよび応答を接続を通じてリモート・デバイスにリダイレクトする制御ハードウェアを組み込む。
2.DALのリソースがアクセスされるとすぐにプログラム・エクセプション(例外)を引き起こすマイクロプロセッサのメモリ管理ユニットを使用する。それは、シン・レイヤー(Thin Layer)のデバイス抽象化を提供することによって行われ、エクセプション(例外)ハンドラのコンテキストで実行する。
【0020】
ハードウェア・ソリューションに関して、図3に、ASICデバイスを有するマイクロコントローラ2または同等のプロセッサ・コアが、システムバス4によって、状態マシンと組み合わされたローカル・レジスタ・セット8を通じて接続ロジック6にどのようにアクセスするかが示されている。接続ロジック6は、たとえば接続16を介して適当な適切なプロトコルを使用することによって、リモート・デバイスの各接続ロジック10と通信することができる。接続ロジック10は、第2の状態マシンを含むリモート・レジスタ・セット12に接続され、リモート・レジスタ・セット12は、バス18を介してリモート・デバイス14に接続される。接続ロジック6を、2つのステーションAとBの間の任意の種類のデータ交換(データ接続)とすることができることに言及しなければならない。これは、単純なシリアル・インターフェース、LAN、プライベート・ネットワーク、またはグローバル・ネットワークなどによって実現することができるが、これらに制限はされない。
【0021】
マイクロコントローラ2は、ローカル・レジスタ・セット8に書き込むことによって、リモート・デバイス14への、たとえば読取動作または書込動作を開始させる。これによって、8の状態マシンが活動化され、接続ロジック6へのデータの転送が制御される。接続ロジック・ユニット6および10によって、8でポストされたリクエストがレジスタ・セット12に転送され、その後、各状態マシンが活動化されて、14でリクエストされた動作、すなわちリモート・デバイス14へのデータの書込または読取が実行される。
【0022】
動作の完了の後に、状態マシン12によって、応答の接続16を介する送出およびユニット8のレジスタへの保管が開始される。この処理によって、マイクロ・コントローラへの通知、たとえば割込みも引き起こされる場合がある。ユニット2、6、および8は、すべての機能が統合される1つの単独のASICデバイスとして、またはディスクリート・モジュールとして相互接続される標準のベンダ・コンポーネントの使用によって、設計することができる。
【0023】
同一の手法が、ユニット10、12、および14について有効である。接続ハードウェア6、10、12、および16は、ユニット2と14の間の物理的な距離を克服するのに必要であるが、ユニット8は、DALより下のソフトウェア・レイヤーに部分的にまたは完全に変換することができる。これによって、ハードウェアとソフトウェアの間のコスト・トレードオフが可能になる。
【0024】
上で言及した第1のソリューションは、ハードウェア設計労力を与えることができ、性能要件からそれが指示される、比較的単純な入出力コントローラに使用される。
【0025】
第2のソリューションは、ソフトウェア・ソリューションであり、ハードウェア・コストを減少させることはできないが、エクセプション・ハンドラ・コンテキストに入って戻ってくるオーバーヘッドを受容可能である場合に使用される。このソリューションを、以下に詳細に説明する。
【0026】
図4は、本発明によるデバイス抽象化レイヤー(DAL)を有するソフトウェア構造を概略的に示す図である。
【0027】
DALの実施形態によって使用される一般的な機構は、物理的に存在しない仮想リソースへのアクセスの際の命令実行中にエクセプションを生成する手段である。
【0028】
下記の2つの方法が、DALのトリガに使用される。
1)マイクロプロセッサの管理ユニットの機能を使用して、実際のメモリがマッピングされないメモリ・ロケーションへのアクセスの際にエクセプションを生成すること。
2)マイクロプロセッサのエクセプション・ユニットの機能を使用して、特権命令の実行時にエクセプションを生成すること。
【0029】
DAL動作の下記の説明は、第1の方法に基づくものであるが、第2の方法にも適用可能である。
【0030】
デバイス抽象化レイヤー「DAL」によって、リモート接続されたデバイスの仮想化が容易になり、まるでそのデバイスがマイクロプロセッサ・バスにローカルに接続されているかのようにデバイス・ドライバ・ソフトウェアに明らかになる。
【0031】
図5に示されたイベントの下記のシーケンスによって、本明細書に記載のソフトウェアソリューションによるDALの動作を説明し、それがシステムの他の部分とどのように相互作用するかを明らかにされる。
【0032】
定常状態で動作している最中のある時点で、仮想デバイスのデバイス・ドライバによって、リモート・デバイスに入出力動作の発行が望まれる場合がある。デバイス・ドライバによって、マイクロプロセッサのメモリ・アドレス範囲内の適当なメモリ領域に書き込む(ステップ1)。
【0033】
マイクロプロセッサのメモリ管理ユニットは、関連するアドレス範囲への読取/書込アクセスによってページフォルト・エクセプション(Page−Fault Exception)が引き起こされるようにプログラムされている(ステップ2)。
【0034】
その後、ページフォルト・エクセプション・ハンドラが呼び出され、そのエクセプションをDALによって処理する必要があるか、またはそのエクセプションが通常のページ・フォルトであるかのどちらであるかが判断される。
【0035】
エクセプション・ハンドラからDALに制御が渡される(ステップ3)。エクセプション・ハンドラによって、デバイス・ドライバによってデバイスに対して実行されることが実際に求められた動作をDALによってデコードするのに十分な情報が供給される。
【0036】
DALは、それに応じて内部状態マシンを更新し、必要に応じて接続ドライバを介して実際のデバイスに入出力開始動作を発行する(ステップ4)。
【0037】
入出力動作がリモート・デバイスで完了した場合、入出力完了割込みの信号が、マイクロプロセッサに送信される(ステップ5)。
【0038】
ここで、割込みハンドラによって、割込みソースがデコードされ、制御が、接続ドライバの入出力完了ハンドラに渡される(ステップ6)。
【0039】
入出力完了ハンドラによって、イベントがデコードされ、DAL関連イベントがDALに渡される(ステップ7)。
【0040】
DALによって、接続ドライバを介してデバイスから入出力情報が検索され、DALの内部有限状態マシンのテーブルが更新され、入出力完了イベントの信号がデバイス・ドライバに送信される(ステップ8)。
【0041】
デバイス・ドライバによって、入出力動作の状況を得るために、デバイスのメモリ・マップに対する読取/書込動作が発行される。これらのメモリ・ロケーションへのアクセスによって、やはり、ページフォルト・エクセプションが引き起こされる。このエクセプションが、DALに供給される。DALは、既に入出力デバイスからの関連情報を知っているので、割り込まれたメモリ読取/書込動作を完了することによって、その情報をデバイス・ドライバから使用可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】現行技術による、マイクロプロセッサにリモート接続される入出力カードを概略的に示す図である。
【図2】マイクロプロセッサ・バスに接続された入出力を概略的に示す図である。
【図3】本発明によるハードウェア・ソリューションを概略的に示す図である。
【図4】本発明によるデバイス抽象化レイヤー(DAL)を有するソフトウェア構造を概略的に示す図である。
【図5】本発明によるDAL動作を記述するイベントのシーケンスを概略的に示す図である。
Claims (17)
- 組込み制御環境で入出力デバイスにアクセスする方法であって、前記入出力デバイスが、組込みマイクロプロセッサにリモート接続され、
前記入出力デバイスのリソースを、前記マイクロプロセッサのアドレス空間またはメモリ・アドレス空間にマッピングするステップ
を特徴とする方法。 - 前記入出力デバイスが、汎用非同期送受信器(UART)、Universal Serial Bus(USB)、Joint Test Action Group(JTAG)、およびIC Bus(I2C)からなる群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記マッピングするステップが、デバイス抽象化レイヤー(DAL)によって実行されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記DALが、特別の組込み制御ハードウェアを介して実施されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 前記DALが、ソフトウェアを通じて実施されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 前記特別の組込み制御ハードウェアが、リモート・デバイスへの接続を通じてリクエストおよび応答をリダイレクトすることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 前記DALが、エクセプション・ハンドラによるプログラム・エクセプションを引き起こすために、前記マイクロプロセッサのメモリ管理ユニットを使用することを特徴とする、請求項5に記載の方法。
- 前記エクセプション・ハンドラのコンテキストで実行されるシン・レイヤー・デバイスが提供されることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- エクセプションが、仮想リソース・ユニットへのアクセス時の命令実行中に生成されることを特徴とする、請求項7または8に記載の方法。
- 前記マイクロプロセッサの管理ユニットが、特権命令の実行時にエクセプションを生成するのに使用されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 組込み制御環境で入出力デバイスにアクセスするコンピュータ・システムであって、
前記入出力デバイスが、組込みマイクロプロセッサにリモート接続され、
前記システムが、前記入出力デバイスのリソースを前記マイクロプロセッサのアドレス空間またはメモリ・アドレス空間にマッピングする手段を含むこと
を特徴とするコンピュータ・システム。 - 前記手段が、デバイス抽象化レイヤー(DAL)であることを特徴とする、請求項11に記載のコンピュータ・システム。
- 前記DALが、特別の組込み制御ハードウェアを介して実施されることを特徴とする、請求項12に記載のコンピュータ・システム。
- 前記DALが、ソフトウェアを通じて実施されることを特徴とする、請求項12に記載のコンピュータ・システム。
- 前記ソフトウェアが、前記DALのリソースがアクセスされるとすぐにプログラム・エクセプションを引き起こすように適合されていることを特徴とする、請求項14に記載のコンピュータ・システム。
- シン・レイヤーのデバイス抽象化が、前記プログラム・エクセプションを引き起こすために調整されて提供されることを特徴とする、請求項15に記載のコンピュータ・システム。
- コンピュータに、請求項1ないし10のいずれか一項に記載の方法を実行させるコンピュータ可読プログラム手段を含む、コンピュータ使用可能媒体に記録されたコンピュータ・プログラム製品。
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