Shibuya Pm #9 PerlMachine

Perl マシン (PerlMachine) あのLTじゃ理解不能だからもっとｋｗｓｋ東京農工大学 wakapon (Asano Kazunari)

本日の内容

PerlMachine について

PerlMachine とは

開発のきっかけ

目標とか方針

PerlMachine の現状

中身をｋｗｓｋ

今後の展開

夏休みのしゅくだい

宿題の片付け方

PerlMachine とは

高水準言語マシン ( 単一言語マシン )

特定のプログラミング言語を専用として動作させることを目的とした計算機

オペレーティングシステムレベルから特定言語をターゲットにしてシステムを構築する

PerlMachine

Perl を動かすためにだけ存在する計算機

ソフトウェア階層の上から下までぜんぶ Perl で記述

PerlMachine とは

ソースコード一式

CodeRepos にて

http://coderepos.org/share/wiki/Committers/wakapon

入手

svn export http://svn.coderepos.org/share/lang/perl/PerlMachine/trunk

開発のきっかけ

インスパイアされたもの

bootperl

http://search.cpan.org/~BSMITH/bootperl-0.00_01/

x86 がブートして、最初のプロセスでワンライナーが走る

perl –e "Hello World ";

ベアマシン上で Perl インスタンスが動いている

Hello World を表示して終わるなんてもったいない！１、と思った

Perl/Linux

http://perllinux.sourceforge.net/

カーネルは Linux 、ユーザレベルは Perl

ユーザレベルを Perl で網羅しようとしていた

カーネルが Linux なんてもったいない！！１、と思った

目標とか方針

PerlMachine の目標

学術的に

Perlで記述された高水準言語マシンの実現

Perlネタとして

bootで終わるのではなく、その先もずっとPerlで

ユーザレベルだけではなく、カーネルもぜんぶPerlで

Perl5処理系のソースコードと深くお付き合い

＋α

既存のありがたいCPAN Moduleを積極的に利用

2008-06-24 online since 1995-10-26 6673 authors 13766 modules

PerlMachine の設計方針

できる限りPerlで実現させる

どうしてもできない場合はXSUBで

世の中にあるPerlのコードは動くようにする

変な俺Perl仕様は作らない

実行速度ってなんですか

・・・

PerlMachine の構成 AP Perl 処理系インタプリタキーボードディスプレイディスク NIC マウス Hard- ware Soft- ware Perl C 標準ライブラリ

スレッドライブラリ

ウィンドウシステム

プロトコルスタック

ファイルシステム

XSUB

I/O メモリアクセス

実メモリアクセス

デバイスドライバ

各種デバイスドライバ

PerlMachine の構成

ターゲットアーキテクチャ

PC/AT 互換機 x86

Perl 処理系

perl5.10.0 の microperl

処理系も AP も特権モードで動作

ハードウェア資源管理

PerlOS

スレッドライブラリ (threads.pm) 作業中

ウィンドウシステム (tk.pm) 未定

TCP/IP プロトコルスタック未定

etc...

PerlMachine の現状

実現環境

開発環境

windows + linux (VMwarePlayer + ssh + samba)

PerlOS は linux 上で gcc でコンパイルし、 samba 経由で windows 上のフロッピーディスクに書込み

実機動作確認環境

grub ブートローダ Celeron1.7GHz プロセッサフロッピーディスク 1.44MB ディスク PS/2 接続キーボード microperl (5.10.0) Perl 処理系

PerlMachine の構成 ( 現状 ) AP main.pl Perl 処理系 microperl インタプリタキーボードディスプレイ FD Hard- ware Soft- ware Perl C 標準ライブラリ strict.pm warnings.pm feature.pm Carp.pm

読込み専用 FAT ファイルシステム

XSUB

I/O メモリアクセス

実メモリアクセス

ドライバ

読込み専用 FD ドライバ

PIC, キーボードドライバ

VRAM ドライバ

現在までの成果物

ベアマシン上でperl5.10.0

say, switch-case, defined-or

Perlで書いた各種ドライバ

読込み専用ファイルシステムドライバ

fat12/16/32, ext2

読込み専用フロッピーディスクドライバ

割込みコントローラドライバ

キーボードドライバ

VRAMドライバ

ベアマシン上のperl5.10.0

実行したプログラム

use 5.10.0

ベアマシン上のperl5.10.0

シミュレータ上での実行結果

Perlプログラムの実行モデル

シングルタスク環境

単一のメモリ空間上で複数のインタプリタインスタンスがシングルタスクで動作

各インスタンスは同一セグメント内に malloc される

各インスタンスはシーケンシャルに実行される

時間 floppy ドライバインスタンス floppy_wait; test1 プログラムインスタンス open (IN, '<…'); ファイルシステムインスタンス fs_read (…); test2 プログラムインスタンス print 'hoge'; デバイス操作が完了するまで CPU は何も命令を実行しない

インタプリタインスタンス

インタプリタインスタンスとは

perl_alloc でメモリ上に作られる Perl インタプリタの実体

struct interpreter (perl.h)

struct interpreter のメンバは intrpvar.h の中身

プログラム中からは PL_xxx として使う (ex. PL_sv_yes)

インスタンスの中身

スタックポインタ、変数テーブル、 OP-tree 、エントリポイントなど

PerlOS のインタプリタインスタンス

複数個生成可能でヒープ領域に配置される

個々のインスタンスは独立

割込み処理を伴う場合は専用のインスタンスを用意

PerlOS のインタプリタインスタンス

現在生成しているもの一覧

mainプログラム (動作テスト用)

割込みハンドラとデバイスドライバ

キーボードドライバ

フロッピーディスクドライバ

(+ FATファイルシステムドライバ)

割込みコントローラドライバ

VRAMドライバ

インスタンスの管理

カーネル内にインスタンスtableを作成し、インスタンスポインタを管理

割込み処理(キーボード)

外部割込み処理

irq1_entry IDT キーボード割込みインスタンス管理 table usr_prog call_pv キーボードインスタンス our @key_map; sub kb_hdl { … } package KB; フロッピー vram キーボード

割込み処理(フロッピーディスク)

外部割込み処理

irq6_entry IDT フロッピー割込みインスタンス管理 table usr_prog call_pv FD インスタンス our $int_flag; sub fd_hdl { … } package FD; フロッピー vram キーボード

割込み処理を伴う組込み関数の実行

組込み関数 open ・ read ・ close ・ print の実行

ドライバ、ファイルシステムは Perl で実装

# 実行プログラム $| = 1; my $file_path = ‘ /kernel/perl/keyboard.pl’; print “open ”; open (IN, “<$path”); my @buf = <IN>; print join (‘’, @buf); close (IN); print “close ”;

PerlOS の内部処理

動作画面で実行したプログラム

$| = 1; my $file_path = ‘/kernel/perl/keyboard.pl’; print “open ”; # print open (IN, “<$path”); my @buf = <IN>; # ファイル読込み print join (‘’, @buf); # ファイル読込み close (IN); print “close ”;

ファイル読込みの実行フロー

ファイル読込みの場合 ($buf = join ('', <IN>))

処理系内 ( 省略 )

libc 内 ( かなり省略 )

libc の fread 関数

libc の _read 関数

PerlOS のファイルシステム内

fs_read 関数

ファイルシステムインスタンスの取得

ENTER, SAVETMPS, PUSHMARK, XPUSHs, call_pv, etc

fat_read サブルーチン

ファイル名を元にクラスタチェーンを手繰って LBA の取得

floppy_read サブルーチン

LBA を元にディスク上のデータ取得 ( 割込み )

読込み結果を _read 関数で取得したポインタに書込み

組込み関数printの実行フロー

画面出力の場合 (print "Hello World ")

処理系内

pp_print 関数

do_print 関数

libc 内

printf 関数

バッファ処理いろいろ

libc の write 関数

libc の _write 関数

PerlOS の vram ドライバ内

vram インタプリタインスタンスの取得

ENTER, SAVETMPS, PUSHMARK, XPUSHs, call_pv, etc

vram_write_char サブルーチン

XSUB の writew 関数

ここでデバイスに文字の書込みを実行

中身をｋｗｓｋ

PerlMachine の現在の実装

PerlMachine = grub + microperl + newlib + FatFs + XSUB + Perl (+ CPAN Modules + pthread)

Perl が動き出すまでに利用する C モジュールはまったく自分でコーディングしていない

書いたのは C モジュール同士のつじつま合わせのためのグルーコードと XSUB

ブート

grub におまかせ

フロッピーディスクを FAT12 でフォーマット

PerlOS(/kernel/perlos.o.gz) を主記憶にロードするように menu.lst で指定

PerlOS が動き始めるときには 32bit プロテクトモード

grub を使うことの利点

32bit プロテクトモードから自分のプログラムを書けばよい

プログラムは elf 形式で対応 (PerlOS も elf 形式 )

gzip 圧縮は自動的に解凍してくれる

module 機能を使えばディスク上のファイルも主記憶にロードしてもらえる

microperl

PerlMachine で利用している Perl 処理系

Unix ユーティリティ無しに Perl をコンパイルするための Perl 処理系

基本的な機能はすべて動作 (XS モジュールは除く )

Makefile.micro にソースファイル一覧

uconfig.h でコンフィギュレーション

本番 Perl では config.h にあたるもの

OS 環境に依存する関数を使わないように設定できる

ポータビリティに優れる

PerlOS の microperl

MULTIPLICITY マクロを有効 ( マルチインスタンス有効 )

microperl

プログラムの実行

perlembed そのまま

perl_parse で実行プログラムファイル名を指定

char *interp_argv[] = {"main", "main.pl"};

PerlInterpreter *interp = perl_alloc ();

perl_construct (interp);

perl_parse (interp, 0, 2, interp_argv, 0);

perl_run (interp);

perl_destruct (interp);

perl_free (interp);

MULTIPLICITY

変数 interp の実体をメモリ上に複数個独立して生成するためのマクロ

microperl のデフォルトの Makefile.micro では無効

newlib

組込みシステム向けの libc

microperl で要求される C ライブラリをカバー

開発環境の linux 上の gcc でコンパイル

nostdinc -nostdlib -fno-builtin –ffreestanding

標準ライブラリを使わないで、 static なバイナリを生成するためのおまじない

FatFs

小規模な組み込みシステム向けの汎用 FAT ファイルシステム・モジュール

http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_j.html

読込み専用にして使用 #define _READONLY 1

利用目的

ブート後に Perl で書かれたドライバ群をロード

Perl のファイルシステムドライバをディスクから主記憶にロードするのは FatFs と C で書いたディスクドライバ

Perl がロードされた後は FatFs は使わない

将来的には grub の module 機能に差替えるかも

XSUB

純粋なPerlだけだとできない機能

XSUBで実現

XSUB

主記憶アクセス

I/Oポートアクセス

XSUB

主記憶アクセス

read[bwl]/write[bwl]

sv_2mortal しておけば FREETMPS で SvREFCNT_dec

XS (XS_readb)

{ // バイト単位

dXSARGS;

ST (0) = sv_2mortal (newSVuv(*((U8 *)SvUV(ST(0)) + SvUV(ST(1)))));

XSRETURN (1);

}

XS (XS_writeb)

{ // バイト単位

dXSARGS;

*((U8 *)SvUV(ST(0)) + SvUV(ST(1))) = (U8) SvUV (ST(2));

XSRETURN (0);

}

XSUB

IO ポートアクセス

in[bwl]/out[bwl]

sv_2mortal しておけば FREETMPS で SvREFCNT_dec

XSRETURN_UV は内部で sv_2mortal してくれている

XS (XS_inb)

{

dXSARGS;

U16 port = SvUV (ST(0));

U8 value;

volatile asm ("inb %%dx, %%al" : "=a"(value) : "d"(port));

XSRETURN_UV (value);

}

XSUB

XSUB の登録を perl_parse で行う

perl_parse の第 2 引数に XSUB の登録ルーチンを渡す

xsinit 関数を用意する

newXS/newXS_proto で登録

newXS (perl 内でのサブルーチン名 , C 関数ポインタ , __FILE__)

void xsinit (pTHX)

{

newXS ("readb", XS_readb, __FILE__);

newXS ("writeb", XS_writeb, __FILE__);

// 略

return;

}

XSUB

実際にドライバ内で利用する例

フロッピードライバへコマンドを送信

sub floppy_send_cmd

{

my @cmd = @_;

foreach my $cmd (@cmd)

{

# コマンド受付け可能かどうか

while (((inb(0x3F4)) & 0xC0) != 0x80)

{ ; }

# コマンド発行

outb (0x3F5, $cmd);

}

}

今後の展開

マルチタスク環境

まずはシングルコアにおけるマルチタスク環境を目指す

ithreads で複数インタプリタインスタンス並列化

複数インスタンスをタイムスライスでスケジューリング

main.pl use threads; my @task = qw(a.pl b.pl); foreach (@task) { my $cv_ref = task_init($_); threads->create($cv_ref, …); } インスタンス A a.pl suspend インスタンス B b.pl インスタンス A a.pl resume 時間 whlie (1) { say 'a'; } whlie (1) { say 'b'; }

進め方