ロボットシステム学2016第5回

Thu Sep 29 17:13:38 JST 2016 (modified: Fri Nov 29 17:24:23 JST 2019)
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ロボットシステム学

第5回

上田 隆一

2016年10月26日@千葉工業大学

今日の内容

• ファイルシステムとデバイス

ファイルシステム

• OS の最重要機能の一つ
• 機能
  • 誰にでも分かりやすいもの
  • HDDを使えるようにする
  • USBメモリを使えるようにする
• 人によっては意外なもの
  • 外部の機器（センサ等）を使えるようにする
  • OS と通信する

ローカルファイルシステム

• ストレージ側のファイルシステム
  • 何百万、何百兆のゼロイチの並びのどこにファイル・ディレクトリ、その他メタデータ等を置くかを規定・実現
• 主なファイルシステム
  • ext4, ext3, (extended file system): Linux
  • UFS2 (UNIX File System2): FreeBSD
  • HFS+ (Hierarchical File System Plus): Mac OS X
  • NTFS (NT File System), FAT16, FAT32, exFAT: Windows
• 特殊なファイルシステム
  • procfs, sysfs, tmpfs, スワップファイルシステム

ストレージにデータを書く仕組み

• ストレージがあったら、いくつかのパーティションに分け、それぞれの形式でファイルシステムをフォーマットして使う
• ストレージの区分け
  • パーティション[latex]\\rightarrow[/latex]ローカルファイルシステム[latex]\\rightarrow[/latex]ブロックグループ[latex]\\rightarrow[/latex]ブロック
  • 注意: HDD 自体にもセクタ、トラック、シリンダーという階層構造があるが、それは別の話

パーティションの確認

• $ sudo parted -l

  Model: SD SA16G (sd/mmc)
     Disk /dev/mmcblk0: 15.6GB
     Sector size (logical/physical): 512B/512B
     Partition Table: msdos
     Disk Flags:
  
     Number  Start   End     Size    Type      File system  Flags
     1      4194kB  1089MB  1085MB  primary   fat32        lba
     2      1091MB  15.6GB  14.5GB  extended
     5      1095MB  1158MB  62.9MB  logical   fat16        lba
     6      1162MB  15.6GB  14.5GB  logical   ext4
     3      15.6GB  15.6GB  33.6MB  primary   ext4

iノード、ディレクトリ

• ファイルを管理するためのデータ
• iノード番号: ファイルやディレクトリ（これもファイル）の固有番号

  • $ ls -i で、iノード番号が表示できる

  • ディレクトリもファイルなので当然iノード番号を持つ

• ディレクトリ
  • ディレクトリエントリのリストの管理
  • ディレクトリエントリ
    • ファイルのiノードと名前
    • （ファイル名を変えても変わるのはファイル本体ではない）

仮想ファイルシステム（VFS）

• 主な役割
  • ローカルファイルシステムの違いを吸収
    • write,read 等のシステムコールが呼ばれると各フォーマット用の関数に変換される
    • i ノードという概念がないローカルファイルシステムもi ノードをなんとか再現
• 機能
  • メモリ上にi ノード（inode 構造体）やディレクトリエントリ（dentry 構造体）を展開してユーザプログラムとやりとり
  • データブロックの内容をメモリ上に保持（キャッシュ）

パーティションの作成

• partedコマンドを作成
  • 例/dev/sdcに見えるUSBメモリをext4でフォーマット

$ sudo parted /dev/sdc
   GNU Parted 3.2
   Using /dev/sdc
   Welcome to GNU Parted! Type 'help' to view a list of commands.
   (parted) mklabel gpt                                                      
   (parted) unit GB                                                          
   (parted) print                                                            
   Model: TOSHIBA TransMemory-Mx (scsi)
   Disk /dev/sdc: 62.4GB
   Sector size (logical/physical): 512B/512B
   Partition Table: gpt
   Disk Flags:

   Number  Start  End  Size  File system  Name  Flags

 

• 続き
  • パーティションを作ったらext4でフォーマット

(parted) mkpart
   Partition name?  []? data1                                                
   File system type?  [ext2]? ext4
   Start? 0                                                                  
   End? 62.4                                                                 
   (parted)   q
   $ mkfs.ext4 /dev/sdc1 

マウント・アンマウント

• 既存のディレクトリにファイルシステムをぶら下げる
  • どこにでもぶら下げられる
• 例: ~/tmpにさっきのUSBメモリのパーティションをぶら下げる
  • 注意: ~/tmpの中でやると話がややこしくなるので~/で作業を

  • $ echo aaa > ~/tmp/file1    #元のところにファイルを作っておきましょう
       $ ls ~/tmp
        file1
       $ sudo mount /dev/sdc1 ./
       $ sudo mount /dev/sdc1 ~/tmp   #マウント
       $ ls ~/tmp/             #~/tmpが差しているディレクトリが変わる
        lost+found

• 続き

$ df
   ファイルシス   1K-ブロック      使用     使用可 使用% マウント位置
   （中略）
   /dev/sdc1         59871340     53064   56753856    1% /home/ueda/tmp
   $ sudo umount ~/tmp #アンマウント
   $ ls ~/tmp/ #元に戻る
   file1

擬似ファイルシステム

• 仮想ファイルシステムとやりとりして機器の機能や
• OS 内部の情報を提供
• 主要なもの
  • devtmpfs（/dev/）: デバイスファイル置き場
  • procfs（/proc/）: プロセスの情報＋その他OS の情報
  • sysfs（/sys/）: OSの情報（/proc/が混乱したのでこちらに移動）
  • tmpfs（/run/shm/）: DRAM 上にファイルを置く仕組み

デバイスドライバ・ デバイスファイル

• デバイスドライバ
  • 計算機に接続された機器を操作するためのプログラム
    • HDD、ディスプレイ、カメラ、マイク、端末、 ...
• デバイスファイル
  • デバイスドライバのインタフェース
  • ファイルとして表現されている
    • 機械と言えども、結局データをin/outするという点でファイルとして抽象化可能
  • /dev/の下に存在

/dev/下のファイル

• $ ls -l /dev/
  • 日付右側の数字（10, 58 等）: デバイスの番号
    • メジャー番号（左側）: デバイスドライバ固有の番号
    • マイナー番号（右側）: デバイスドライバの中で与えられる番号
  • ブロックデバイス、キャラクタデバイスの判別
    • パーミッション前の文字（b: ブロック、c: キャラクタ）
    • ブロックデバイス: データをブロック（塊）単位で読み書き
    • キャラクタデバイス: データをシーケンシャルに出し入れ
    • もう一つ、「ネットワークデバイス」（ eth0等のあれ）があるがLinuxでは別扱い

デバイスドライバ

• カーネルの一部として動作
  • Cで言えばmainを持たない関数の塊
  • 本来はカーネルと同時にコンパイルされるべき
  • ただしそれをやってしまうと時間や手間の無駄
• Linuxにはカーネルの一部を動的に脱着する仕組みが存在
  • カーネルの一部: カーネルモジュール（拡張子 .ko）

カーネルモジュールの調査

• ファイルの検索

  • $ sudo find / | grep '\\.ko$'

• 今使われているカーネルモジュールはlsmodで調査

  • $ lsmod
       Module                  Size  Used by
       binfmt_misc             6388  1 
       bnep                   10340  2 
       hci_uart               17943  1 
       btbcm                   5929  1 hci_uart
       bluetooth             326067  22 bnep,btbcm,hci_uart
       （以下略）

カーネルモジュールの脱着

• insmod, rmmod
  • 他にmodplobe
• 例:

  • $ lsmod
       （中略）
       i2c_dev                 5859  0 
       （略）
       $ sudo rmmod i2c_dev
       $ lsmod | grep i2c
       $ 
       $ sudo insmod /usr/src/linux/drivers/i2c/i2c-dev.ko
       $ lsmod
       Module                  Size  Used by
       i2c_dev                 5859  0 
       （以下略）

• insmodすると/sys/下で情報が見られるようになるので興味のある人は調査を
  • あとでカーネルモジュールを書くときにやります

デバイスドライバを作る

• 来週から2週にかけて取り組みます
• デバイスドライバを作る時の制限
  • カーネルモジュールはカーネルの一部なので、今動いているカーネルと整合性がないと動かない
  • 今動いているカーネルのバージョンにあったLinuxのヘッダファイルが必要
• Raspbianの場合
  • 基本的に自分でLinuxのソースコードをダウンロードして、一度カーネルを作るのが面倒なようで手っ取り早い
    • これで整合性のあるヘッダファイルが得られる

カーネルの再構築（宿題）

• LinuxをGitHubからクローンしてビルドしてカーネルを作ります
• 手順

  1. $ git clone https://github.com/ryuichiueda/raspberry_pi_kernel_build_scripts.git
        $ cd raspberry_pi_kernel_build_scripts
        $ sudo ./kernel_build_and_install_for_pi2_pi3.bash
        $ sudo reboot

• この作業で使ったシェルスクリプト「kernel_build_and_install_for_pi2_pi3.bash」

カーネルの入れ替わりの確認

• uname -aでビルドされた日時を確認

pi\@raspberrypi:~ $ uname -a
   Linux raspberrypi 4.4.22-v7+ #1 SMP Mon Sep 26 13:11:18 JST 2016 armv7l GNU/Linux