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セッションS1-d 分科会
テーマ :mruby/cによるマルチプログラミングの概要
講師 :田中 和明(九州工業大学)
日時 :2018/08/30 21:00 - 22:30
参加人数:約35名
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■概要
・マルチプログラミング
・mrubyとmruby/c

複数のプログラムを走らせたい
⇒普通はOSの仕事であるが、OSなしでやりたい!
(OSはリッチな環境が必要で、OSのフル機能は必要ないような場面)


■自己紹介
・田中和明(九州工業大学 情報工学部)
・教育-情報基礎、プログラミング、データ構造とアルゴリズムなどを教えている。
(ほとんどC言語)
・研究-・組込みシステム(mruby、全体の7割)　
・ブロックチェーン技術(をIoTで利用する)
・LPWA、光学測量に関する共同研究

・mruby:2010年に経済産業省にお金をもらって開発した
オープンソースになったが、使い方が分からなかったり、そもそもツールも少
なくあまり使ってもらえなかった。
　⇒　お金をもらって、ツールを増やして、小型化にfocusし、ここ半年で
　　　ようやく普及してきた。
　　　　もうすでに、製品に使われている。(数として、一番多いのはPS4のゲームソフトでの利用)
　　　　ハードウェアではなく、システムやソフトウェアやゲームへの組込みに
使われて始めた。

　この現状でサポートできないエリア、特にIoTで重要な領域を狙ったのが、
　mruby/cにプロジェクトになる。基本的にはmrubyと一緒。
　VMに工夫がしてあり、非常に小型化できたり、
　マルチプログラミングできたりする。


・マルチプログラミングとは：
複数の機能を実装するとプログラムが複雑化する
　　-異なるタイミングでそれぞれの機能を動かす
　　-機能ごとに実装を分離
　　-セキュリティ
　　-保守性

シングルでやろうとタイミングを気にする必要や、お互いを考える必要や、
OSの必要性がでてきて大規模になる可能性がある

例:赤色LEDを1秒間隔で点滅させる（mrubyプログラム）
　
　while true do
　　output 0,1
　　sleep_ms 1000
　　output 0,0
　　sleep_ms 1000
　end

output ： GPIO出力
sleep_ms ： スリープ


問題
:赤色LEDを1秒間隔で点滅させる
:緑色LEDを0.1秒間隔で点滅させる

・シングルプログラミングの場合

t = 0
while true do
　# 緑色LED
　if t%2 == 0 then
　　output 7, 0
　else
　　output 7, 1
　end
　

　# 赤色LED＆リセット
　if t == 10 then
　　output 0, 1
　elsif t >= 20 then
　　t = 0
　　output 0, 0
　end
　sleep_ms 100
　t += 1
end

これは可能だが、考えるのが大変
　　　　　　↓
・マルチプログラミングを実現するための技術
　・割込み
　・スレッド
　・マルチタスク(プロセス)

これらの技術を使いつつ、簡単に実装したい→mruby/cのマルチプログラミング

while true do　　　while true do
　output 7, 1　　　　output 7, 1
　sleep_ms 100 sleep_ms 100
　output 7, 0 output 7, 0
　sleep_ms 100 sleep_ms 100
end end


mruby/cのマルチプログラミングでは、
VMが二つのプログラムを切り替えながら実行している
これが本日の話題

＜質疑応答＞
質問：
・平行して動いているが、始まるタイミングはそこまで気にしてない？
回答：
・二つのプログラムがそれっぽく同時に動いている感じ
　実際には少しずつ実行を切り替えている。現実的にはタイミングの問題や排他制御が必要。
　今回は、各LED（GPIO）のアクセスは独立しているので、排他制御は不要

　
・mruby
-Rubyを軽量化したもの
　 ～Rubyにほぼ準拠しており、Rubyの開発効率を組込みソフト開発へ活かす
-Rubyとの互換性を重視
～Ruby技術者が組込み開発できる
　-消費メモリは400KB程度

割と実績がある。

mrubyの利用事例:ネットラークル−タ(IIJ社)
ゲーム(スクエアエニックス、SidMeier's)
Apacheモジュール(OSS)
ETロボコン(アフレル社、ほか)
GUIライブラリ(ILC社)

＜質疑応答＞
質問：
・なんでmrubyは利用されたのか?
回答：
・modmruby:Rubyでやりたかったがでかいので、軽いmrubyが導入された
・ルータ:軽いmrubyがオープンソース化されて採用された。ルータの設定などで使う
・ゲーム:業界がスプリクト言語をほしがってた。
　　　 外注との言語を切り分けたいため（影響範囲を限定したい）。

・mruby/c
　-mrubyをさらに軽量化したもの ～40KB程度
　ワンチップマイコンでの動作を想定したもののため、資源が限られる
　　(実際には20KBぐらいで動く、あとはプログラムが消費するメモリに依存する)
　　(最小、例えば hello world であれば、10KB程度でも動く)
　-Rubyとの互換性というよりもrubyっぽいものを考えており、
　小型化を重視している。
-最小限のクラスライブラリしか実装されてないため、サポートされてない
　Rubyの機能は多数ある
-OSを必要としない

＜質疑応答＞
質問：
・実装するかどうかの判断の基準は?
回答：
・基準は特にない。依頼があれば検討して実装するか判断する。
　個人に依存する。
　
質問：
・コンパイラによる最適化は難しい?
回答：
・mrubyとmruby/cのコンパイラは同じで、まつもとさんに聞いてほしい。


rubyがソースコードをそのままインタプリターのかけて実行するのに対し、
mrubyとmruby/cはソースコードをコンパイルし、mrubyバイトコードとし、
それぞれのVMで実行させる。これによりメモリを抑えることができる。
mruby VMとmruby/c VMは動きは一緒、サポートされるクラスやメソッドなどが違う


■mruby/cのポイント

・OSを必要としない
・OSが提供する機能を持つ
　-マルチプログラミング
　 複数プログラムのコンカレント実行
　-メモリ管理
　-排他制御
・ユーザプログラムとして実行する(特権命令は必要ない)

・mrubyのバイトコード
　 →ソースコードのコンパイルにより生成される。
　　　　　　　　　 アセンブリに近い言語
各レジスタはオブジェクトのインスタンスが入る
　　　　　　　　　　 SEND（C言語の関数呼び出し）:メッセージパッシングを行う

　 このコードは機種に依存しないのでどのデバイスでも動く。

・mruby VM
VMがバイトコードを実行する。
VMを作ればどこでも実行することができる。

mruby/c VMのアイデア
・複数のプログラム(複数のバイトコード)を実行する。

loop do
　for i=1 to N do
　　current_program = program[i]
　　instruction = Fetch(current_program)
　　Execute(instruction)
　end
end

1命令ごとに実行プログラムをスイッチ。可能だがオーバヘッドが大きくなるのでやらない。
実行効率の問題

・実行効率が悪いので、
　いくつかのバイトコードを実行する。

loop do
　for i=1 to N do
　　current_program = program[i]
　　for j=1 to M do
　　　instruction = Fetch(current_program)
　　　Execute(instruction)
　　end
　end
end

パフォーマンスは上がる
問題：実行の公平性が保証されない（命令ごとに実行時間が異なるから）


・実行の公平性
・プログラム間で実行時間が公平ではない。
　時間が来たら切り替える→ある程度の公平性は保たれる

loop do
　for i=1 to N do
　　current_program = program[i]
　　start_time = GetCurrentTime()
　　while GetCurrentTime() < (start_time + TIME_SLICE) do
　　　instruction = Fetch(current_program)
　　　Execute(instruction)
　　end
　end
end

しかし、これは重い（時刻の取得が重い！）。あくまで仮想的なプログラム。
そのため、、

・mruby/cの実装では、
・タイマー割込みが使える場合は、
　割込みでプログラムを切り替える。

割り込み発生時に、実行中のプログラムの flag に1を入れる
⇒次の命令を実行する前にフラグをチェックする
⇒切り替わる

この処理は軽い

Result
・Execution time
-Calculate 32th Fibonacci number using recursion
複数のフィボナッチ数計算をコンカレントに実行している
割込みだと単体(フルパフォーマンス)と同じような結果が得られた。

・サンプルプログラムの紹介

スイッチが押されると状態が変化する
0⇒１⇒0⇒１→0→１
スイッチが押されてから500msは入力を無視する
状態に応じてLEDの点滅をする

シングルプログラムで考えると難しい。
→ 2つのプログラムにすると簡単

(1) スイッチが押されたら、状態を変化させる（同時に500msの入力禁止＝プログラムのスリープ）
(2) 状態に応じてLEDを点滅させる

状態0:50msの点滅
状態1:500msの点滅
状態2:1sの点滅

＜質疑応答＞
質問：
・状態が変わったとき、点滅の途中はどうするか?
回答：
・排他制御とかを入れるとか、、、
⇒ コメント：使いにくそう、、、
・global変数によってプログラム間の通信ができる。
　アトミックにできるため排他制御は必要ない。
　これが現状のmruby/c


質問：
・優先度があればどう動くかがわかるのでは?
少しコードを入れると、優先度スケジューリングできそう
回答：
・2個以上の場合、優先度がないとどうなるかわからなそう、、、
　シンプルさはどこまで保たれるのか
⇒rubyを使うぐらいには保たれる
　　　　　VM‎に負担があるいくだけだから


指摘:ドキュメントがない


■まとめ
なし