Linuxでハードリアルタイムを実現するもう1つの選択肢「Xenomai」：リアルタイムOS列伝（35）（2/3 ページ）

[大原雄介，MONOist]

「Xenomai」の実装は“Co-Kernel”

　さて、そのXenomaiは基本的に“Co-Kernel”という実装である。それではCo-Kernelとは何なのか？　を端的に表現したのが図3である。図3内左側のScheduler AがLinuxの標準スケジューラーであり、これにパッチを当てる形でもう1つ別のスケジューラーも走らせる。この際Interrupt Dispatcherのルーティング先にもパッチを当てることで、一部のInterruptに関してはScheduler Bで直接受けてハンドリングできるようにする。こうした仕組みを取ることで、Linuxの上に、Linuxのスケジューラーとは別に動くTaskを稼働させることができる。

図3　LinuxはこうしたCo-Kernelを標準でサポートしているわけではない。このため、Co-Kernelの実現にはカーネルへのパッチが必要となるのはXenomaiに限った話ではない［クリックで拡大］

　もちろん、このScheduler AとScheduler Bが完全に独立していると、CPUリソースなどを取り合うことになってしまうので、Scheduler Bがフルに動く時には一瞬Scheduler Aを止める形になる。実装としてはいろいろあって、Scheduler BをHighest Priorityを持つTaskとしてScheduler Aに登録しておくといった方法が一番楽ではあるが、これだとInterruptの処理が遅れる場合もある。

　このPriority周りに関してのDispatchのメカニズムが先述したI-pipeである（図4）。要するにISR（割り込みハンドラ）の手前に入り、Interruptをいったん受けてDispatchするものだ。図3で言えば、“Dispatching and Collaboration Services”と、あとScheduler BからScheduler AへのPreemptionがこのI-pipeとして実装されることになる。

図4　この場合、RTOSがHighest Priority Domain X、通常のLinux環境がRoot Domainに相当することになる［クリックで拡大］

　アプリケーションから見た時の仮想的なハードウェアとして提供されるのがXenomai Nucleusである（図5）。このNucleusには、POSIXやVxWorksなどさまざまなスキンが用意されており、これを利用する形で複数のRTOSが稼働できる（同時稼働が可能か？　というのはまた別の問題）。

図5　右端のRTDMはReal-Time Driver Modelの略。ハードウェアのアクセスは、このRTDMへのStub Library経由で行い、その先でRTDMに対応したドライバが動くことになる［クリックで拡大］

　さて、Scheduler BをつかさどるのはCobalt coreと呼ばれている。これはデュアルカーネル用に設計されたもので、続くXenomai 3ではシングルカーネル（既存のカーネルを完全に置き換えて動作するもの）用のMercuryも提供されるようになったが、Xenomai 2ではこのCobaltのみである（図6）。

図6　Cobalt coreでのアクセスはlibcobalt経由だが、その手前にcopperplateというI/Fがあり、これで非POSIX準拠RTOSに対応させる［クリックで拡大］

　これに続き、2015年にはXenomai 3.0が登場した。3.0の最大の特徴は、APIがPOSIX centrixになったことかと思う。またネイティブLinuxへのサポートも新たに追加された項目である。このネイティブLinuxに対応するためのものが先述したMercuryである（図7）。POSIX APIへの移行やMercuryの提供などもあって、使い勝手そのものが多少Xenomai 2から変わったという話もある。またXenomai 2ではソースを展開するとksrc\archの下に機種別のファイルが置かれていたが、Xenomai 3ではネイティブLinux対応ということでこれがなくなっている。もっとも、これはMercuryを使った場合の話で、Cobaltは引き続き機種別対応になっている。それもあり、kernel\cobaltの下には引き続き機種別ファイルが並んでいる。

図7　APIが全てPOSIXに対応したことで、libcobaltは不要になり、Glibcでアクセス可能になった［クリックで拡大］

　ちなみにXenomai 3.0.1ではSHやNios IIへのサポートがなくなり、代わりにArm64が追加された。このサポート機種はだんだん減っており、2020年2月にリリースされたXenomai 3.1ではArm／Arm64／PowerPC／x86になっている（Blackfinが落ちた）。現在は3.2.1が最新のStable版としてリリースされている。