FreeRTOS. Операционная система реального времени для микроконтроллеров. Часть 1. Введение

Я разработал немногим более 10 электронных устройств и вполне обходился в их низкоруровневой работе без операционной системы. Ситуация поменялась, когда функционал следующего девайса резко расширился. Кроме того, появилась необходимость в задаче, которая вызывается через заданные интервалы времени, причем точность вызова влияет на результат. Также стало понятно, что написать все ПО за выделенное время не получится, и оно будет создано позже. После недолгих размышлений я понял, что в проект необходимо включить операционную систему реального времени (ОСРВ или RTOS).

В отличие от ПК, где ОС – это больше слой для работы с системными ресурсами, для микроконтроллера ОСРВ – это в первую очередь планировщик задач, собственно он и играет главную роль в «реальном времени». На данный момент для меня важно обеспечить так называемое «псевдопараллельное» выполнение задач. То есть существует несколько задач с одинаковым приоритетом и важно вызывать их в заданном порядке через заданные интервалы времени.

Нагляден следующий пример: в проекте Евробот 2011 в системе присутствовало 18 периферийных устройств. 2 электронных платы можно было по функционалу объединить в одно. Снизилась бы их стоимость, повысилась надежность ( уменьшили число компонентов в системе), увеличилось количество свободного места в корпусе. Обстоятельство осложняет то, что число задач растет пропорционально и тут уже не обойтись без ОС. Также ОСРВ помогает избежать возможных простоев работы процессора, например, во время преобразования АЦП вы можете заблокировать эту задачу и выполнять другие, тем самым правильно распределяя работу устройства. Важно и то, что теперь устройство не упадет из-за сбоя в задаче, вместо этого возможно сохранение частичной работоспособности ( хотя это и может привести к непредсказуемым результатам ). За счет чего мы обеспечиваем рост этих показателей? По сути, мы выжимаем из МК все возможное, эффективно используя его вычислительные возможности.

После недолгих поисков выбор пал на freeRTOS. Эта ОСРВ распространяется в исходниках на С и портирована на 27 архитектур. Последнее обстоятельство для меня – решающее. Оно снизит трудозатраты при работе с МК других производителей. Сейчас же меня больше интересует порт для AVR.

Наличие ОСРВ freeRTOS в проекте съедает у вас около 9.8 Кб памяти программ и 1.8 Кб ОЗУ. К примеру для ATmega32 и компиляторе WinAVR это 60% и 85% соответственно. Уже для этой модели создать девайс с большим функционалом сложно – не хватит памяти. Но эта проблема отпадает при использовании новых моделей AVR. Это совершенно нипочем для Mega2560 с ее 256Кб памяти программ и 8 Кб ОЗУ. Тенденция будущих МК только сопутствует успеху ОСРВ.

Бегло пробежавшись по рунету, я с удивлением обнаружил, что нет документации на ОС на русском языке. Да какое тут! Оригинальная документация распространяется за дополнительную стоимость. Ситуацию упростила статья Андрея Курница (kurnits@stim.by) из журнала «Компоненты и технологи». По согласию с автором я буду использовать материалы статьи в переработанном варианте. Его статья вполне может послужить документацией на русском языке. Но оригинал недоступен в печатном виде, сайт журнала лежит, поэтому материал придется немного переработать. В целом, автор сделал отличную статью и нет смысла еще раз пройтись по теории, она будет полностью опубликована здесь. Оригинал статьи будет приложен в конце публикации. Также я заметил, что у пользователей возникли трудности при компиляции ОСРВ. Это связано с тем, что используется внешний makefile, в котором прописаны пути к папкам. Поэтому я приложу готовый проект в виде шаблона для AVR Studio и AVR Eclipse. К сожалению, родной makefile не выводит отладочную информацию, такую, как степень занятости ОЗУ и памяти программ, это пришлось пофиксить, добавив соответствующий стандартный вызов.

Итак, кратко про необходимость, в вашем проекте желательно использовать ОСРВ, если необходимо:

- организовать мультизадачность и поочередное выполнение задач

- обеспечить запуск задачи через строго определенные интервалы времени

- передать информацию от одной задачи к другой

- добавлять по мере необходимости новые задачи

Преимущества ОСРВ перед МК:

  1. Многозадачность. ОСРВ предоставляет программисту готовый, отлаженный механизм многозадачности. Каждую задачу в простом случае можно программировать отдельно, всю работу разбить между несколькими членами команды. Не нужно заботиться о переключении между задачами, это сделает планировщик.
  2. Временная база. Необходимо отмерять интервалы времени. ОСРВ должна иметь этот инструмент. Он позволит выполнять действия через строго выделенные интервалы времени.
  3. Обмен данными между задачами. Для этого в ОСРВ используется очередь.
  4. Синхронизация. Если разные задачи используют один и тот же ресурс, например последовательный порт, то можно использовать мьютексы и критические секции. Если необходимо выполнять задачи в строгой последовательности или при наступлении определенного события, то можно использовать семафоры или сигналы для синхронизации задач.

Недостатки ОСРВ:

1. Резкое увеличение потребной памяти программ для реализации ядра

2. Увеличение потребной ОЗУ для хранения стека каждой задачи, семафоров, очередей, мьютексов и других объектов ядра системы.

3. Задержки при переключении между задачами на сохранение контекста.

Описание freeRTOS:

FreeRTOS – это бесплатная ОС жесткого реального времени с открытым исходным кодом. Преимущественно написана на С, но присутствуют ассемблерные вставки. Она была разработана компанией Real Time Engineers ltd специально для встраиваемых систем. Недавно начал развиваться проект «SafeRTOS»— доработанный, документированный, протестированный и прошедший сертификацию на соответствие стандарту безопасности IEC 61508 вариант FreeRTOS. Этим проектом занималась немецкая компания и теперь safeRTOS используется в аэрокосмической промышленности и медицинской технике. Также существует проект openRTOS - коммерческая версия с гарантией производителя.

Основные характеристики freeRTOS:

1. Планировщик поддерживает 3 типа многозадачности:

- вытесняющую

- кооперативную

- гибридную

2. Размер ядра составляет 9.8 Кб в скомпилированном виде для AVR. (WINAVR)

3. Основа ядра – 4 файла на С.

4. Поддерживает задачи и сопрограммы. Сопрограммы специально созданы для МК с малым объемом ОЗУ.

5. Богатые возможности трассировки.

6. Есть возможность отслеживать переполнение стека.

7. Нет программных ограничений на количество одновременно выполняемых задач.

8. Нет ограничения на количество приоритетов задач.

9. Нескольким задачам может быть назначен одинаковый приоритет

10. Развитые средства синхронизации «задача-задача» и «задача-прерывание»:

- очереди

- двоичные семафоры

- счетные семафоры

- рекурсивные семафоры

- мьютексы

11. Мьютексы с наследованием приоритета.

12. Поддержка модуля защиты памяти для Cortex-M3

13. Поставляется в отлаженном виде с демо-проектами для различных платформ и компиляторов.

14. Бесплатна. Можно использовать в проектах без раскрытия исходного кода в соответствии с расширенной лицензией GPL.

15. Документация платная, но доступна в онлайн здесь.

16. Время переключения контекста для AVR с кварцем на 16Мгц составит всего 20.8 мкс. Именно столько нужно для сохранения данных в стек задачи и вызов следующей. ( Интересное замечание, если сравнить это с PIC18xxx, то контроллер от AVR делает это быстрее в 4 раза!!!, скорее всего это связано с качеством компилятора)

Вытесняющая многозадачность означает, что выполняющаяся задача с низким приоритетом перекрывается готовой задачей с более высоким приоритетом. Переключение между задачами происходит через равные кванты времени. Поэтому прежде, чем выскопоприоритетная задача начнет выполнение, должен закончиться текущий квант времени, когда выполняется низкоприоритетная.

Таким образом, время реакции FreeRTOS на внешние события в режиме вытесняющей многозадачности—не больше одного кванта времени планировщика, который можно за­давать в настройках. По умолчанию он равен 1 мс.

Если готовы к выполнению несколько за­дач с одинаковым приоритетом, то в таком случае планировщик выделяет каждой из них по одному кванту времени, по истечении которого управление получает следующая задача с таким же приоритетом, и так далее по кругу.

Кооперативная многозадачность отличается от вытесняющей тем, что планировщик самостоятельно не может прервать выполнение текущей задачи, даже готовая к выполнению задача с большим приоритетом. Каждая задача должна самостоятельно передать управление планиров­щику. Таким образом, высокоприоритетная задача будет ожидать, пока низкоприоритет­ная завершит свою работу и отдаст управле­ние планировщику. Время реакции системы на внешнее событие становится неопреде­ленным и зависит от того, как долго текущая задача будет выполняться до передачи управ­ления. Кооперативная многозадачность при­менялась в семействе ОС Windows 3.x.

Вытесняющая и кооперативная концеп­ции многозадачности объединяются вместе в гибридной многозадачности, когда вызов планировщика происходит каждый квант времени, но, в отличие от вытесняющей многозадачности, программист имеет воз­можность сделать это принудительно в теле задачи. Особенно полезен этот режим, ког­да необходимо сократить время реакции си­стемы на прерывание. Допустим, в текущий момент выполняется низкоприоритетная за­дача, а высокоприоритетная ожидает насту­пления некоторого прерывания. Далее про­исходит прерывание, но по окончании ра­боты обработчика прерываний выполнение возвращается к текущей низкоприоритетной задаче, а высокоприоритетная ожидает, пока закончится текущий квант времени. Однако если после выполнения обработчика преры­вания передать управление планировщику, то он передаст управление высокоприори­тетной задаче, что позволяет сократить время реакции системы, связанное с внешним событием.

 

С чего начать?

Начать разработку микроконтроллерного устройства, работающего под управлением FreeRTOS, можно с загрузки ее последней версии здесь.

Дистрибутив FreeRTOS доступен в виде обычного или самораспа­ковывающегося ZIP-архива. Дистрибутив Содержит непосредственно код ядра (в виде нескольких заголовочных файлов и файлов с исходным кодом) и демонстраци­онные проекты (по одному проекту на каж­дую среду разработки для каждого порта). Далее следует распаковать архив в любое подходящее место на станции разработки.

Несмотря на достаточно большое количе­ство файлов в архиве, структура директорий на самом деле проста. Если планируется проектировать устройства на 2—3 архитектурах в 1-2 средах разработки, то большая часть файлов, относя­щихся к демонстрационным проектам и раз­личным средам разработки, не понадобится.

Подробная структура директорий приве­дена на рисупке.

Весь исходный код ядра находится в ди­ректории /Source.

Содержимое:

1.tasks.c - реализация механизма задач, планировщик

2. queue.c — реализация очередей

3. list.c — внутренние нужды планировщика, однако функции могут использоваться и в прикладных программах.

4. croutine.c — реализация сопрограмм ( мо­жет отсутствовать в случае, если сопро­граммы не используются).

Заголовочные файлы, которые находятся в директории source/include

1. tasks.h, queue.h, tist.h, croutine.h — заголо­вочные файлы соответственно для одно­именных файлов с кодом.

2. FreeRTOS.h —содержит препроцессорные директивы для настройки компиляции.

3. mpu_wrappers.h — содержит переопреде­ления функций программного интерфейса (API-функций) FreeRTOS для поддержки модуля защиты памяти (MPU).

4. portable.h—платформозависимые на­стройки.

5. projdefs.h—некоторые системные определения

6. semphr.h — определяет API-функции для работы с семафорами, которые реализо­ваны на основе очередей.

7. StackMacros.h — содержит макросы для контроля переполнения стека. Каждая аппаратная платформа требу­ет небольшой части кода ядра, которая реа­лизует взаимодействие FreeRTOS с этой платформой. Весь платформенно-зависимый код находится в поддиректории /Source/Portable, где он систематизирован но средам разработ­ки (IAR, GCC и т.д.) и аппаратным платфор­мам (например, AtmelSAM7S64,MSP430F449). К примеру, поддиректория /Source/Portable/ GCC/ATMega323 содержит файлы port.c и portmacro.h, реализующие сохранение/вос­становление контекста задачи, инициализа­цию таймера для создания временной базы, инициализацию стека каждой задачи и дру­гие аппаратно-зависимые функции для ми­кроконтроллеров семейства mega AVR и ком­пилятора WinAVR (GCC).

Отдельно следует выделить поддиректорию /Source/Portable/MemMang, в которой со­держатся файлы heap_l.c, heap_2.c, heap_3.c, реализующие 3 различных механизма вы­деления памяти для нужд FreeRTOS, которые будут подробно описаны позже.

В директории /Demo находятся готовые к компиляции и сборке демонстрационные проекты. Общая часть кода для всех демонстра­ционных проектов выделена в поддиректо­рию /Demo/Common.

Чтобы использовать FreeRTOS в своем про­екте, необходимо включить в него файлы ис­ходного кода ядра и сопутствующие заголо­вочные файлы. Нет необходимости модифи­цировать их или понимать их реализацию.

Например, если планируется использо­вать порт для микроконтроллеров MSP430 и GCC-компилятор, то для создания проекта -с нуля» понадобятся поддиректории /Source/ Portable/GCC/MSP430_GCC и /Source/Portable/ MemMang. Все остальные поддиректории из директории /Source/Portable не нужны и мо­гут быть удалены.

Если же планируется модифицировать существующий демонстрационный проект (что, собственно, и рекомендуется сделать в начале изучения FreeRTOS), то понадобят­ся также поддиректории /Demo/msp430_GCC  и /Demo/Common. Остальные поддиректо­рии, находящиеся в /Demo, не нужны и могут быть удалены.

При создании приложения рекомендует­ся использовать makefile (или файл проекта среды разработки) от соответствующего демонстрационного проекта как отправную точку. Целесообразно исключить из сборки (build) файлы из директории /Demo, заменив их своими, а файлы из директории /Source - нетронутыми. Следует упомянуть также о заголовочном файле FreeRTOSConfig.h, который находит­ся в каждом демонстрационном проекте. FreeRTOSConfig.h содержит определения (#define), позволяющие произвести настройку ядра FreeRTOS:

1. Набор системных функций.

2. Использование сопрограмм.

3. Количество приоритетов задач и сопрограмм

4. Размеры памяти (стека и кучи).

5. Тактовая частота МК.

6. Период работы планировщика времени, выделяемый каждой задаче выполнения, который обычно равен 1 мс. Отключение некоторых системных функций и уменьшение количества приоритетов (уменьшает расход памяти).

В дистрибутив FreeRTOS включены также средства для конвертирования трассировочной информации, полученной от планировщика, в текстовую форму (ди­ректория /ТгасеСоn) и текст лицензии (директория /License).

Выводы

С помощью первой статьи цикла читатель познакомился с операционной системой ля микроконтроллеров FreeRTOS. Показаны  особенности работы. Описапо содержимое дистрибутива FreeRTOS. Приведены  основные шаги, с которых следует начинать разработку устройства, работающего под управлением FreeRTOS.

В следующих публикациях внимание бу­дет уделено механизму многозадачности, а именно задачам и сопрограммам. Будет приведен образец работы планировщика на примере микроконтроллеров AVR фирмы Atmel и компилятора WinAVR (GCC).

Полный распознанный текст всех статей Курниц. FreeRTOS.

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.