ロシアの1つのRTOSの概要、パート2。RTOSMAXのカーネル

RTOS MAXの「知識の本」の章を引き続き配置します。 最初の部分は一般的でした。 今日は、タスクのコアと優先度に専念する第2部です。

コンテンツ（公開および未公開の記事）：

パート1.一般情報
パート2. RTOS MAXのカーネル（この記事）
パート3.最も単純なプログラムの構造
パート4.有用な理論
パート5.最初のアプリケーション
パート6.スレッド同期ツール
パート7.タスク間でデータを交換する手段
パート8.割り込みの処理

挑戦する

すでに述べたように、MACS RTOSのタスクは、汎用OSのフローに類似しています。 同時に、システムで（もちろん利用可能なリソース内で）任意の数のタスクを実行できます。 汎用OSでは、これは理論化を止めて練習に移ることができますが、リアルタイムOSの場合、プログラマーはすべてを正しく行ったことを確認する必要があり、タスクは必要なだけのプロセッサー時間を受け取ることが保証されます。 そして、すべてを正しく行うには、何らかの理論を知る必要があります。 したがって、タスクの作業をより詳細に検討します。

マルチタスクの種類

MAX MAX RTOSでは、他のほとんどのリアルタイムオペレーティングシステムと同様に、3つの異なるタイプのマルチタスクが可能です：混雑、協調、混合。 なぜそんなに？ 実際、異なるシステムでは異なるタイプを使用する方が便利です。 したがって、最も便利な形式の選択は、特定のアプリケーションプログラムの開発者に委ねられています。

プリエンプティブマルチタスク

このタイプは、多くのプログラムで最もよく知られています;さらに、プリエンプティブマルチタスクは、汎用オペレーティングシステムで使用されるものと似ています。 スケジューラーは各タスクに固定タイムクォンタム（デフォルトで1000 HzであるMAKS_TICK_RATE_HZ定数を使用して設定されます。つまり、デフォルトでクォンタムは1ミリ秒です）を実行し、次のタスクを実行します。 以下でタスクを列挙する原理を検討します。ここでは、システムタイマーに従ってタスクが順番に実行されることに注意してください。 一般に、このスキームは、ハードウェアの戦いが始まるまで、かなり見栄えがよくなります（汎用オペレーティングシステムで使用されるのは当然のことです）。

機器を操作する際のプリエンプティブマルチタスクの問題

マイクロコントローラーの主なタスクの1つは、機器の操作です。 そして、この機能はプログラマーに多くの責任を負わせます。 同じSPIバスが、異なるCSラインで区切られた複数のデバイスに対応していることが判明する場合があります。 あるデバイスでの作業が完了するまで、別のデバイスでの作業を開始することはできません。



図 1.複数のデバイスで単一のSPIバスを使用する例

I2Cバスは元々、多くのデバイスを接続するために設計されました。

タイミング図に十分高い精度で耐えることが必要な場合があります。 タイムスライスが終了すると、ダイアグラムが歪んでしまいます。

しかし、プリエンプティブマルチタスクでは、スケジューラは容赦がありません。 タスクを切り替えるためのタイマーがいつ機能するかは誰にもわからないため、上記の場合は同期メカニズムを使用する必要があります。 特定のスキームでは、いくつかの同期プリミティブを導入するだけで十分です。 しかし、プログラマーは同期についてよりもプログラムについて考えることを余儀なくされることが判明するかもしれません。 そして、この場合、協同組合を支持して先制マルチタスクを放棄する方が良いです。

協調マルチタスク

協調マルチタスクでは、切り替えはタイマーではなく、タスク自体からのコマンドによって実行されます。 このタイムクォンタムで行われることになっているすべてを完了すると、彼女自身がタスクスイッチング関数Yield（）を呼び出します。 この関数の呼び出しは、次のタスクに制御を移す時間であることをスケジューラに通知します。 その結果、タスクは、それ自体がシステムに問い合わせるまで実行が中断されないという保証があります。 しかし、言うまでもなく、コインの裏側はプログラマーにとって大きな責任です。 タスクがプロセッサを過度に占有しないようにする必要があるのは、アプリケーションプログラマです。 タスクがシステム全体をフリーズさせることを書くことも慣習ですが、私の意見では、これはさらに良いです。 機器は動作するかしないかのどちらかです。 サブシステムの1つに障害が発生した場合-機器が安全でなくなると、結果はひどくなります。 そのため、デバイスが完全に故障した場合でも、エラーを見つけるための信号として機能します。 それにもかかわらず、プリエンプティブマルチタスクの場合、1つのタスクがハングしても全体として作業が中断されることはなく、協調的なタスクの場合、タスクは単に他のタスクを制御しません。

また、協調型マルチタスクを使用して、シングルタスクシステムからアプリケーションをすばやく移植できます。 3Dプリンター（実際にはCNCマシン）用のMarlin「ファームウェア」の断片を考えてみましょう。

void loop() { if(buflen < (BUFSIZE-1)) get_command(); #ifdef SDSUPPORT card.checkautostart(false); #endif if(buflen) { ... process_commands(); //SDSUPPORT buflen = (buflen-1); bufindr = (bufindr + 1)%BUFSIZE; } //check heater every n milliseconds manage_heater(); manage_inactivity(); checkHitEndstops(); lcd_update(); } 

loop（）関数は、Arduinoランタイムによって無限ループで呼び出されます。 同様のループは、タスクを切り替えるスケジューラに類似しています。 すべてを実際のスケジューラーにやり直すと、loop（）関数を捨てて、無限ループでスピンするタスクの形でコンポーネントを設計し、次の反復の前にYield（）を呼び出すことができます。 これにより、タスクが機器を介して相互に競合しないようになり、相互に誘導タイムアウトが作成されます。 そして、将来的には、システムが適応するにつれて、プリエンプティブマルチタスクへの切り替えを試みることができます。

混合マルチタスク

最後の可能なオプション。システムがプリエンプティブマルチタスクモードで動作しますが、タスクの一部（または一部）がYield（）関数を呼び出します。 特に、タスクが制御を受け取ったが、そのデータの準備がまだ整っていないことがわかった場合。 次に、リソースを占有しないために、彼女はYield（）関数を呼び出して別のタスクに制御を渡すことができます。 ただし、MAX MAX RTOSの現在のバージョンでは、これは許容できますが、注意して使用する必要があります。 インパクトを高めるために、赤で強調したい理由。

現在のMAX MAXでは、混合マルチタスクを注意して使用する必要があることに注意してください。 実際には、固定周波数で動作するタイマーでプリエンプティブタスクの切り替えが発生します。 強制的なタスクの切り替えは、このタイマーには影響しません。 タスクAが常に700μs以内に実行された後、Yield（）関数を使用してスケジューラに制御を転送するとします。 スケジューラーはタスクBを実行します。しかし、300マイクロ秒後、タイマーからの割り込みが発生し、スケジューラーは次のタスクBに制御を転送します。制御転送は順次発生するため、タスクBは永久に抑制されます。 彼女には常に劣った時間の量子が与えられ、タスクAの量子の残りが与えられます。

タスクの状態

マルチタスクの種類に精通したので、タスクとそれに近い制御を転送するロジックを検討できます。 タスクの状態とそれらの間の遷移のグラフを図に示します。 2。



図 2.問題の状態とそれらの間の遷移のグラフ

走る	最も快適な状態。 タスクは完了しています。 この状態では、各瞬間に1つのタスクしか存在できません。
準備ができて	タスクがタイムスライスを使い果たすか、それ自体でYield（）関数を呼び出すと、タスクはこの状態に入り、スケジューラが再び設定するまでその状態のままになります。
ブロックされた	ビジー状態のリソースを要求した場合、タスクはこの状態になります。 同期プリミティブ（ミューテックスまたはセマフォ）、イベントの期待、キューからのメッセージの期待が可能です。 リソースが解放されるまで、タスクはプロセッササイクルを無駄にすることなくロック状態になります。 これはタスクにとって非常に重要な状態です。完了するタスクの数が少ないほど、残りのプロセッサ時間は長くなるためです。 サイクルで何かの期待を整理するのではなく、タスクをブロックして、スケジューラーが呼び出されるべきではないことをスケジューラーに知らせることを強くお勧めします。 リソースが解放されると、状況に応じて、タスクはすぐに実行に進むか、計画の準備状態になります。 後者は、一度に複数のタスクを待機していたリソースが解放された場合（結局、実行できるのは1つのみ）、または優先度の高いタスクが現在実行されている場合です。
非アクティブ	作成時、または作業の終了時にタスクが進む状態。 つまり、タスクがスケジューラにまだ接続されていない場合、または逆に、スケジューラからすでに切断されている場合です。 タスクとは関係のない補助状態。

タスクの優先度

各タスクには独自の優先順位があります。

優先度は、タスクの不可欠で非常に重要なプロパティです。 一般に、数値に優先順位を付けることができます。 しかし、第一に、汎用オペレーティングシステムで優先順位を付けるのが一般的です（そこでは理にかなっていますが、原則としてはうまくいく可能性があります）、第二に、オブジェクト指向のアプローチは類型化と密接に関連しています。 いくつかの抽象的な数字は簡単に混同される可能性があり、名前を付けるときに特定のタイプの「優先度」に関連付けることができます。

したがって、伝統を守るために、そして厳密なタイピングを確実にするために、MAX MAX RTOSでは次のタスクの優先順位が区別されます。

  enum Priority { PriorityIdle, ///<   (   IDLE) PriorityLow, ///<   PriorityBelowNormal, ///<    PriorityNormal, ///<   (  ) PriorityAboveNormal, ///<    PriorityHigh, ///<   PriorityRealtime, ///<   ( ) PriorityMax = MAKS_MAX_TASK_PRIORITY }; 

タスク切り替え手順

汎用オペレーティングシステムについて説明する場合、このセクションは通常サイズが非常に大きく、メカニズムはバージョンごとに変わるため、著者はメカニズムについて簡単に説明すると付け加えています。 これは、汎用オペレーティングシステムがすべてのプロセスのすべてのスレッドの動作を保証しようとするという事実によるものです。 リアルタイムOSの場合、すべてがシンプルです。 タスクはラウンドロビンアルゴリズムを使用して切り替えられます。図を図に示します。 3.このアルゴリズムの本質は、リストのタスクが順番に実行され、最後に達すると、OSがリストの先頭に切り替わることです。 リスト内で、実行するタスクを選択すると、リストの次のタスクが取得されます。 準備完了状態の場合、実行されます。 ブロックされた場合-次のタスクに進みます。



図 3.ラウンドロビンアルゴリズムを使用したタスクの切り替え

最も優先度の高いタスクが実行されることに注意してください。つまり、実際のシステムでは複数のリストが存在する可能性があります。 たとえば、PriorityNormal優先度を持つタスクのリストと、PriorityHigh優先度を持つリスト。 さらに、すべてのタスクが待機状態にない場合、スケジューラは常に優先度の高いリストのタスクのみを実行します。



図 4.タスク1〜6（優先度が高い）の実行とタスク7〜12の完全なダウンタイムの例（仕事の優先度は低い）

ただし、これは、一部のタスクが無視されることを意味するものではありません。正しく設計されたプログラムでは、時間クォンタムがすべてのタスクに行きます。 優先度の高いタスクは、できるだけ頻繁にブロック状態になるように設計する必要があります-リソース（セマフォ、キューからのデータなど）を待機します。



図 5.優先度の高いタスクはすべてブロックされるため、タスク7〜12（優先度が低い）の実行例

通常の優先度を持つタスクは主力です。 彼らは絶えず反復的なアクションを実行します：遅い機器を監視し、制御アクションの入力を提供し、結果を表示します。

通常よりも低い優先度を持つタスクは、通常の優先度を持つタスクでさえもすべてブロック状態になる可能性が保証されている場合、プログラムに入力できます（つまり、Yield関数の単純な呼び出しでは役に立たないため、リソースを待つか、関数を呼び出す必要があります遅延（ただし、現在の優先順位を持つすべてのタスクがスリープ状態になるようにしてください）。

優先度の高いタスクの適用の具体例を以下に示します。 「高速」機器を処理するように設計されています。 それまでの間、いくつかの基本的なルールを覚えておけば十分です。

• 最も優先度の高いロックされていないタスクが実行されます。
• タスクは次々に円で選択されます（ラウンドロビンアルゴリズム）。
• プログラマは、優先度の高いタスクが基本的にロック状態にあることを確認する必要があります。 そうしないと、優先度の低いタスクが実行されることはありません。

省電力機能

すべてのタスクがロックされた状態にある場合、プロセッサは何かをする必要があります。そうでない場合は、スリープ状態にする必要があります。 システムには特別なプリプロセッサ定数があり、動作のいずれかを選択できます。

MAKS_SLEEP_ON_IDLE

この定数が1の値で定義されている場合、スケジューラーは優先度レベルでアクティブなタスクを見つけられないため、プロセッサーをスリープ状態にし、消費電力を削減します。 割り込み要求（システムタイマーを含む）が到着すると目覚めます。 定義値がゼロの場合、そのような場合、単一のタスクが実行され、オペレーティングシステム自体によって強制的に起動され、可能な限り低い優先度が設定されます。

  for(;;) { #if MAKS_DEBUG ++ IdleTaskCnt; #endif } 

通常および特権タスクモード

MAX MAX RTOSを実行できる現在の機器は、メモリ仮想化をサポートしていませんが、保護の一部の要素をサポートしています。 これにより、プログラムのいくつかのエラーをキャッチできます。 ヌルポインターによるアクセスの試行を記録するために、ヌルアドレスの領域のメモリを保護するのが一般的です（たとえば、メモリマネージャーがメモリを割り当てなかった、ヌルポインターを返し、チェックせずにプログラムが使用を開始したなど）。

さらに、NVICハードウェアへのアクセスをブロックすることにより、ユーザープログラムが割り込み優先度を変更するのを防ぐことができます。

通常、文献では、アプリケーションがクラッシュした場合にメモリ保護によりシステムを動作させ続けることができると書かれていますが、機器の動作をサポートすることに同意しません。 それどころか、このような障害を修正する場合は、できるだけ早く機器をオフ状態に移行し、問題を通知する必要があります。 すべての健康維持のヒントは、汎用OSについてのものであるというだけです。 ソリティアが飛び出しました-彼らは鉱山労働者を立ち上げましたが、大きな違いはありません。 機器の場合、システムは1つのアプリケーションを実行します。 別の実行は不可能です。 そして、サブシステムのいずれかの故障は、システムの機械的または電気的部分がバラバラになるという事実につながる可能性があります。 そのため、できるだけ早くすべてを安全な状態に移行し、問題について開発者に通知する必要があります。

しかし、有名なジョークが言うように、飲む人は少なくする必要があると言う人もいれば、もっと飲む必要があると言う人もいますが、すべてが同意するということです。あなたは飲む必要があります。 また、ここでは、あらゆる目的のためにこれが行われ（すべてのコストで生存可能性を確保するか、安全なシャットダウンを保証します）、メモリを保護することは非常に便利です。

したがって、この保護を提供するために、アプリケーションを通常の動作にすることができます。 同時に、OSは特権モードで動作します。
ただし、MAX MAX RTOSの下で実行されるアプリケーションは非常に単純であるため、特権モードで実行することもできます。 この場合、アプリケーションプログラマはシステムと同じように使用できますが、機器は不正なアクションを追跡しません。

まず、タスク追加関数Task :: Add（）の引数でこれを指定することにより、特権アクセスで個々のタスクを実行できます。 さらに、条件付きコンパイルオプションMAKS_PROFILING_ENABLEDを1に設定すると、すべてのタスクが特権モードで動作します。

次の記事では、Maxで実行される最も単純なプログラムの構造を紹介します。