狠狠撸

Extreme Java
@Fantom_JAC

自己紹介
? Java原人
? Java原理主義者
? Javaのためならなんでも
– ハードウェア設計（回路、PCB等）
– ハードウェア実装（ホットプレートリフローを
提唱）
– サーバーサイド技術（REST/SOAP等）
– 組み込みJVM
? 無線、特にZigBeeが好き
– 日本ZigBeeユーザーグループ代表

（闯补惫补原人からみた）
Javaとは
? 小型の組み込み機器等に使われるプラット
フォーム
? センサーやクレジットカード、ICパスポート
に組み込まれることが多い
? 最近はパソコンでも動くようになったらしい
? JVMと呼ばれる海のなかで動く
– OSの上で動くことは稀
– OSがある時はLinuxが多い
? ARMと仲がいい
? お前にサンは救えない

やった（やりたかった）こと
これを繋ぎたい

用意された環境
? Javaで直接レジスタが叩ける
? EHCIに準拠したレジスタ群

当初のイメージ

Java側
アプリドングル側
USB
便利なAPI用ドライバ便利なAPI

TCP/IP

MAC

PHY

突付けられた現実
Java側
アプリ

TCP/IP

MAC
USB ドングル側
仕様の分からない
仕様の分からないドライバ
不親切なAPI
中途半端なMAC

PHY

必要なもの
? EHCIドライバ(HCD)
– 実質OTGドライバも必要だった
? USBスタック/フレームワーク
? Ralinkドライバ
? 802.11MACスタック
? TCP/IPスタック

EHCIとは
? USB2.0用のコントローラー仕様
? Intelが作った（んでしたっけ）
? HCIの一種
? ちゃんとレジスタの仕様が公開されてるo(^▽^)o
? 3年前のことなので大分忘れてます

用意されたUSB環境
? cHCが存在しない
– EHCIで1.1も繋がる謎仕様
? 1ポート
? OTGを経由している
– OTGにはレジスタ仕様の標準がない

コントローラ構成

Global Controller

OTG Controller

Device Host
Controller Controller

Global Controller
? GC割り込みがかかるので、フラグを見て
HC、OTG、DCどの割り込みがかかったのか
振り分ける
? 特にThreadは用意しない

OTG Controller
? Threadを一本用意してステートマシンを記述
– Stateが変わる（Parameter入力される）まで
wait
? GCからOTG割込がかかったら
– フラグをチェック
– 独自仕様なので、独断と偏見でOTG仕様の
Parameterに解釈
– パラメータ入力して先述のThreadにnotify
? OTG仕様に沿ってState変更
– やるべきことをやる
– State変更してまたwaitに戻る

OTG Controller
? b_idle時はid入力以外無視
– Device Controllerは実装してません
? 小技として???
– State変更時はyieldせずに即座に次のアクショ
ンをとっている
– Stateが変更されないとき（orサボって実装して
ないとき）はwaitする
– waitは1000msで一応外すようにしている

Host Controller
? OTGと同じくThread一本でステートマシン
? GCからの割込でUSBSTSをチェック
? 起動時はIdle状態
? OTGからのReset要求でポートリセット
– ポートリセット出来ないのでHC再起動
? PORTSCでポート検知、OTGにb_conn入力
? Asynchronous ListとPeriodic Frame Listを準
備
? AsyncListに初期QHを突っ込む

Asynchronous List
? QHとQTDを管理
? やってることは普通のEHCI
– Javaらしく
? QueueHead#setNextQH(QueueHead qh)
? QueueElement#fillPayload(byte[], int, int)
– newできないので自分でメモリ管理
? ImmortalHeapで予めたくさんとっておく
? #allocAlignedArrayとかできるので便利
? 分割して、それぞれ先頭のアドレスをPool
? Javaらしく
– QueueHead#newQueueHead

Periodic Frame List
? Isochronousは絶対にやりません
? FSTNもやりません
? QHのスケジュールがめんどくさい
– 2の冪でないといけない
? bIntervalが10だったら8とかになる
– HSの場合更に1/8ms単位でスケジューリングす
る
– 帯域オーバーしていないか常にチェックする
– SplitTransactionの場合はC-Maskも空きがある
か調べる

Periodic Frame List

1/8 2/8 4/8 8/8

Periodic Frame List

125us x 8 = 1ms

0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 1 0

USBスタック
? JSR-80に（たぶん）準拠
– TCKは通してません（???
? IBMの作ったRIを使用
? RIで足りないハード依存部を実装
– Device Enumeration等
? EHCIと合わせて概ね快調に動作

squilla-jsr80
? JSR-80をOSGiに対応させた
? JSR-80ではドライバやデバイスの管理は規定
されていない
– OSGiのDeviceManagentに対応
– UsbDeviceDriverを継承するだけで簡単ドライ
バ開発
? HubドライバやMSD(BulkOnly)ドライバを同
梱
? ひっそりオープンソースで公開

Ralink
? その界隈ではあまりにも有名
? RT2860/3070を使用
– 一番安かった
– 隣のビックカメラにたくさん売ってた
? FreeBSD用非公式ドライバを大部分移植
– 公式でLinuxドライバがあるが???
? 1Mbpsのみ対応
– 気合と根性と納期が足りなかった
? WEPのみ対応
– 気合とは???根性とは???
? STAのみ対応

搁补濒颈苍办の公式ドライバ

Ralink IO
? Ralink共通(?)のAPIセット
? たぶんUSB以外のインターフェースでも共通
– APIのインターフェース実装さえ変えれば他の
インターフェースにも対応？
? public interface RTIO
– public class USBIO implements RTIO
? USBの実装はControl転送を使用
– Vendor Request
? read32とかwrite8とか
– たぶんMCUのレジスタとお話してる

Ralinkの謎
? 起動時にファームウェアをまるごと転送
– 普通フラッシュに書かれてるのでは???
– 転送がよくコケる
? 膨大な量の定数
– 改造すれば普通に電波法やぶれそう
– メモリいじってパッチを当てている疑惑
? 怪しいノード管理
– wcid = associationId & 0xFF
? ControlFrameだけ実装されているぽい
– リアルタイム性の問題？

Ralink系チップ想像図

Interface 8051
MCU MCU

Radio

EEPROM

squilla-net
? Javaでプロトコルスタックを書くためのライ
ブラリを作った
? 各種フレームの生成
– 802.11、TCP/IP、ARP、802.3???
? 802.11関連多し
– ManagementFrame
– MLME
– Javaに欠けているWLAN用API
? Androidにはあるのに???（???
? (↑大分参考にした)
? ひっそりオープンソースで公開

MLME
? 最低限のリクエストのみ実装
– SCAN
– JOIN
– AUTHENTICATE
– ASSOCIATE
? JOINがよくわからない
– 特にRalinkの場合、自動でやっている気がする
– JOINって名前が紛らわしい

802.11+Ralink
? じぶんでもびっくりするくらい動いた
– SSIDがちゃんとスキャンできた日は興奮が収ま
りませんでした

TCP/IPスタック

TCPConnectionManager UDPConnectionManager

IPv4Service ARPService

送受信FIFO+Thread EthernetService

EthernetConnection ??? EthernetConnection

IPv4
? 適当
? たぶんもっとまじめに実装しなきゃいけない
? フラグメント未対応
? 受診時チェックサム計算省略
– 少しでもパフォーマンスが上がると思った
の???
? 特にThreadなし

ARP
? RequestおよびReply監視用Thread一本
? IPv4側からRequest発行可能
– waitし、Reply到着後Threadからnotifyされるま
で待機
? 一方的なReplyが来ても、テーブルになければ
一応登録
? Requestされたときは、そのまま同一Thread
上で返信
– もう一本Thread置くか迷った

UDP
? 簡単
? Thread未使用

UDPConnection ??? UDPConnection

UDPConnectionManager

TCP
? 1人に聞いた！もう二度と実装したくないプロ
トコルスタック堂々の第一位
? なんでこんなプロトコルが30年以上まともに
動いているのかまったく不明
? 不可解な輻輳制御
? 理不尽な仕様書
? ひどい相性問題 TCPConnection
???
TCPConnection

TCPConnectionManager

TCP
? Slow-startもCongestion avoidanceもなし
? Fast Recoveryなんてムリムリ
? Fast Retransmitだけやった
? 輻輳制御なんてむりだお???
? TCPConnection毎にThread一本
– 頑張って再送まで含めて一本におさめた
? Connectionは頻繁に開閉するので専用の
ThreadPoolを作成

TCPConnection概要

InputStream OutputStream

BufferedPipe BufferedPipe
(Ring Buffer) (Ring Buffer)

TCPInput TCPOutput

ThreadPoolより割当
られた専用Thread
TCPConnection

基本動作
? 基本はステートマシン
? tickと呼ばれるMethodを無限ループで呼び続
ける
– 3Dゲーム開発でよくやる手法
? tickされた時に???
– 受信FIFOに溜まっていれば取り出して
TCPInputに投げ、処理
– なければTCPInputにて、ACK可能であるか判断
し、可能であれば送信
– 最後に再送タイムアウトが発生したかチェック
し、必要であれば再送
? タイムスタンプと現在時刻で判断

なぜSingle-Threadか
? 当初はマルチスレッドにする予定だった
– タイムアウトタイマー用Thread
– 送信受信それぞれにThread一本づつ
? GCが使えないので管理が大変
– GCより高いプライオリティで動いている
? プログラムのミスを起こしやすい
– 同期を取るのが大変
? リソースを消費する
? tickが空回りしないように何もないときは
50ms程度sleepする

BufferedPipe
? スライディングウィンドウ実現のために作っ
たクラス
? 内部はリングバッファ
? 非同期に可変長のバイト列を入れる
? 非同期に可変長のバイト列を取り出す
? つまり、両端がInputStream/OutputStream

InputStream OutputStream

BufferedPipe
? 探したけど意外とこういうクラスはなかった
? 元々TCP向けなので、入出力個別にシャット
ダウン可能
– 例えば入力を切ると出力側でEOF
? 意外とTCP以外の場面でも活躍する
? read()するとちゃんとブロックする
? 便利なのでひっそりとオープンソースで公開
– squilla-commons

残酷な現実
? やっぱりどうしてTCPはまともに動かない
– UDPはTCPに比べたらまとも
? 相性がひどい
– 同じWindowsでもパソコン変えただけで通信で
きたりできなかったり
– Mac相手だとやたら不安定だったり
? 簡単なSocket通信だと良いけど
– HELLOとか
? HTTPとか載せた瞬間に激不安定

スクラッチから実装することの意義
? 勉強になる
– 百聞は一コーディングにしかず
? デバッグが容易
– 腐っても自分の書いたコード
? ライセンス問題ゼロ
? 話のネタになる

わかったこと
? Linuxはすごい（いろんな意味で）
– EHCIのコードの雑さ
– ネット周りのスパゲティさ
– よくこれで動いてるな
? FreeBSDは読みやすい
– 特にネットスタック
? IEEEの仕様書は非常に親切で読みやすい
? IETFの仕様書は非常に不親切で読みにくい

そもそもの経緯
? ギョウムで必要でした
? 半年強で実装しました
? 结局使われませんでした

今後
? 眠ってても仕方ないのでオープンソース化？
– 欲しい人いるの？
? JavaMEがCortex-M向けに出るらしいので
– 利用価値が出てくるかも
? 使い道募集中

Special Thanks
? @naobsd氏
? @tawakemono氏
? 802.11関連で助けて下さいました

宣伝
? squilla
– http://code.google.com/p/squilla/
? Jazzkaffe
– http://code.google.com/p/jazzkaffe/
? Japan ZigBee User Group
– http://jzug.org/

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20apr2012 kernelvm7-main

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