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さわってみようTOPPERS/SSP

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TOPPERS/SSPカーネルの基本的な機能についてさわってみる.

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さわってみようTOPPERS/SSP

  1. 1. さわってみよう TOPPERS/SSP
  2. 2. •  サンプルをいじってみて,TOPPERS/SSP がどういうものかを,なんとなく知る •  アジェンダ – SSPのタスク管理理機能 – リソースの競合,排他制御 – その他雑多な話題 – まとめ ⽬目的 2
  3. 3. •  TOPPERS/SSP(ver.1.2.1)のリファレン スターゲットは,CQ出版Interface誌 2012年年6⽉月号付録のFM3ボードです.⼀一 応これを念念頭に説明します.これに, ARM向けgcc開発環境とプログラム書き込 みソフトウェア,USBシリアルモジュー ルなどがあれば⼗十分です. 前提とする環境 3 こんなボード
  4. 4. •  GCC開発環境 – Code  Sourcery http://www.mentor.com/embedded-‐‑‒software/sourcery-‐‑‒tools/ sourcery-‐‑‒codebench/editions/lite-‐‑‒edition/ – GNU  Tools  for  ARM  Embedded  Processors https://launchpad.net/gcc-‐‑‒arm-‐‑‒embedded/ •  書き込みツール – USB  Direct  Programmer  (Spansion) *  http://www.spansion.com/jp/support/microcontrollers/ development-‐‑‒environment/pages/downloads-‐‑‒flash-‐‑‒usb-‐‑‒ direct.aspx – JTAG  +  OpenOCD ツール 4
  5. 5. •  Cortex-‐‑‒M0+向けの実装もあります. – https://bitbucket.org/NSaitoNmiri/ toppers_̲ssp_̲lpc812/ * LPCXpresso  IDE  を使えばGCCを⽤用いたビルドか らデバッグまで利利⽤用可能です. * 上記リンクに⼿手順があります. – 対象ボード:LPCXpresso  LPC-‐‑‒812 * http://akizukidenshi.com/catalog/g/ gM-‐‑‒06453/ ちなみに 5
  6. 6. •  例例えば「USBシリアル変換モジュール」 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-‐‑‒01977/ •  別にPCとUART接続できるものであればな んでも良良いです. – マイコンの電源電圧に注意 シリアルモジュール 6
  7. 7. •  TOPPERS/SSPのビルドにはコンフィギュ レータが必要です. http://www.toppers.jp/cfg-‐‑‒download.html – WindowsおよびLinux向けにはバイナリが⼊入 ⼿手できます.それ以外(Macとか)はビルドす る必要があります. – ビルドにはboostライブラリが必要です. * http://www.boost.org/ * 最近は様々なパッケージ管理理システムで簡単にイ ンストールができるようになっていますのでそち らを使う⼿手もあります コンフィギュレーター 7
  8. 8. SSPのタスク管理理 8
  9. 9. •  SSPカーネルには2つのサンプルアプリが   sample  ディレクトリの下に⽤用意されてい ます. – sample1  はSSPの機能がひと通り含まれるよ うにできています. – hello_̲world  は最⼩小限の構成のサンプルです. •  初めて使う場合,シンプルな⽅方が全体を 把握しやすいのでまずは後者のサンプル からスタートします. はじめに 9
  10. 10. •  タスク1つ,シリアル出⼒力力のみ. – SSPの標準サンプルの⼀一つ(シンプル版). – システムが起動したら  “Hello  World.!”  とい うメッセージを出⼒力力し,システムを終了了する. •  まずは実際に動かしてメッセージを確認 する. 例例題:hello_̲world  サンプル INIT_̲TASK システム終了了 10 開始 終了了 時間
  11. 11. •  サンプルプログラムをテンプレートから セットアップします. •  SSPのソースディレクトリの下にappとい うディレクトリを⽤用意しているものとし ます.(下の例例で  "$"  はプロンプトのつもりです) ビルド⼿手順 $  pwd <sspの置き場所>/app $  mkdir  hello_̲world  ;  cd  hello_̲world $  perl  ../../configure  -‐‑‒T  cq_̲frk_̲fm3_̲gcc    -‐‑‒A  hello_̲world $  make  depend $  make 11
  12. 12. •  必要なファイル –  プログラムを記 述したファイル *  ソースファイル (*.c  ,  *.h) –  OSの構成情報 *  コンフィギュ レーションファ イル(*.cfg) 実⾏行行プログラム作成⼿手順 12 OS プログラム ⽬目的 プログラム ⽬目的 プログラム ⽬目的 プログラム 実⾏行行プログラム リンク/再配置 ユーザ プログラム コンフィギュレータ ⽣生成C⾔言語プログラム kernel_̲cfg.{c,h} コンフィギュ レーション ファイル コンパイル/アセンブル コ ン フ ギ レー シ ン  
  13. 13. •  hello_̲world.cfg – システムコンフィギュレーションファイル * カーネルオブジェクト(OSが管理理対象とするもの) の構成情報(オブジェクトの個数や属性など) * 静的APIを使って記述する •  hello_̲world.h – アプリで使われる定義や宣⾔言 – カーネル構成情報ファイルからも参照される •  hello_̲world.c – アプリのプログラム本体 ü それ以外も必要に応じてプログラム追加 サンプルのファイル構成 13
  14. 14. •  コンフィギュレーションファイルの例例 hello_̲world.cfg /*  *    TOPPESRS/SSPカーネルのサンプルプログラム  */ #include  "hello_̲world.h" INCLUDE("syssvc/serial.cfg"); INCLUDE("syssvc/banner.cfg"); CRE_̲TSK(INIT_̲TASK  ,  {  TA_̲ACT  ,  0  ,  task  ,  TASK_̲PRIORITY  ,   STACK_̲SIZE  ,  NULL  }); 14
  15. 15. •  #include – kernel_̲cfg.c  に埋め込む  #include  ⽂文を指定 するためのもの – hello_̲world.h  を  #include  してるのは   kernel_̲cfg.c  のコンパイルに必要だから •  INCLUDE – 別のコンフィギュレーションファイルを読み 込む – コンフィギュレーションファイルを分割管理理 するためのもの INCLUDEと#includeの違い 15
  16. 16. •  INCLUDE("target_̲timer.cfg"); –  タイマー.時間管理理機能を使うために使われる •  INCLUDE("syssvc/serial.cfg"); –  シリアルドライバ.シリアル送受信機能を提供. •  INCLUDE("syssvc/banner.cfg"); –  起動時のバナー表⽰示. •  INCLUDE("syssvc/syslog.cfg"); –  システムログ機能.ログバッファ領領域をもち,その領領域へのアクセス を管理理する.また書式変換機能ももつ. •  INCLUDE("syssvc/logtask.cfg"); –  ログタスク機能.ログバッファ領領域から定期的にログデータを読み出 して送出する. INCLUDEで利利⽤用可能な機能 シリアル タイマー バナー システム ログ ログタスク 低レベル ログ出⼒力力 16 ユーザ タスク
  17. 17. •  パラメータの意味 1.  タスク識識別⼦子 *  指定した名称を,プログラム中でタスクIDとして利利⽤用できる 2.  タスク属性:TA_̲NULL,  TA_̲ACT,  TA_̲RSTR *  SSPではTA_̲RSTRを省省略略可能で,常に制約タスク扱い. 3.  起動時に関数へ渡す引数の値 4.  関数の先頭アドレス 5.  起動時優先度度:1〜~16 6.  タスクに必要なスタックサイズ 7.  スタックの先頭番地(常にNULL.  それ以外はエラー) CRE_̲TSKの記述形式 17 CRE_̲TSK(INIT_̲TASK  ,  {  TA_̲ACT  ,  0  ,  task  ,   TASK_̲PRIORITY  ,    STACK_̲SIZE  ,  NULL  });
  18. 18. •  SSPでは,タスクIDは起動時優先度度の⾼高 い順(値としては⼩小さい順)に1から始 まるタスクIDの値が割り当てられる. •  起動時優先度度の設定値が1から連続して いなくても,1から連続した値に割り当 て直される •  割り当て結果はコンフィギュレーション 時にkernel_̲cfg.hで確認することができ る. タスクIDの決定ルール 18
  19. 19. •  システム開始時のタスクの初期状態 – 休⽌止状態または実⾏行行可能状態 – CRE_̲TSK  のタスク属性設定により異異なる * TA_̲ACT  を指定した場合は,実⾏行行可能状態で開始 し,指定しない場合は,休⽌止状態で開始 タスクの初期状態 実⾏行行 可能 状態 休⽌止 状態 実⾏行行 状態 TA_̲ACT 属性あり TA_̲ACT 属性なし 19
  20. 20. •  SSPでは,すべてのプログラムで1本のス タックを共有する.そのスタックを共有 スタックと呼ぶ.  SSPの中だけの話です. – 「すべてのプログラム」とは,タスク,割り 込み  {ハンドラ  or  サービスルーチン},  CPU 例例外ハンドラ,などなど.およそハンドラとつくもの全て •  スタック領領域の先頭アドレスおよびサイ ズは,使⽤用する静的APIおよびパラメータ の値により異異なる. – 確保されたサイズはkernel_̲cfg.c  への出⼒力力お よび標準出⼒力力で確認することができる. スタックサイズ 20
  21. 21. •  SSPカーネルは全ての処理理単位でスタック領領 域を共有する –  待ち状態をサポートしないため 共有スタックの使⽤用イメージ 21 TASK1 開始 TASK1実⾏行行中に TASK3開始 (プリエンプト) TASK3実⾏行行中に TASK6開始 (プリエンプト) TASK6  終了了 → TASK3再開 TASK3実⾏行行中に TASK5開始 (プリエンプト) 割込み発⽣生 INT1  開始 → INT1実⾏行行中に 多重割込み発⽣生 ISR2開始
  22. 22. •  静的APIの使い⽅方で異異なる –  DEF_̲STKを使⽤用する場合 *  スタックアドレスにNULL指定 ›  アドレスは⾃自動決定,サイズはDEF_̲STKの指定値 *  スタックアドレスにNULL以外の指定 ›  アドレス,およびサイズはDEF_̲STKの指定値どおり ü DEF_̲STK使⽤用時は,指定スタックサイズがCRE_̲TSKおよび DEF_̲ICSの指定値から⾃自動算出された値以上であるかどう か,チェックされる. –  DEF_̲STKを使⽤用しない場合 *  アドレスは⾃自動決定,サイズはCRE_̲TSKおよびDEF_̲ICSで の指定値から⾃自動算出 •  詳しくは  doc/configurator.txt  の(9)参照 ⽂文中の「⾮非タスクコンテキスト⽤用のスタック領領域」という記述はミスです「共有ス タックのスタック領領域」に読み替えてください. 共有スタックの定義 22
  23. 23. •  アプリのヘッダファイルの例例 hello_̲world.h #ifndef TOPPERS_HELLO_WORLD_H #define TOPPERS_HELLO_WORLD_H /* * ターゲット依存の定義  */ #include "target_test.h" #define TASK_PRIORITY (1) #define STACK_SIZE (128) #ifndef TOPPERS_MACRO_ONLY extern void task(intptr_t exinf); #endif /* TOPPERS_MACRO_ONLY */ #endif /* TOPPERS_HELLO_WORLD_H */ 23
  24. 24. •  アプリケーションコードの例例 hello_̲world.c #include  <kernel.h> #include  "kernel_̲cfg.h" #include  "syssvc/serial.h" #include  "hello_̲world.h" void  task(intptr_̲t  exinf)  {                                /*  メッセージの表⽰示  */                (void)serial_̲wri_̲dat(TASK_̲PORTID  ,  MSGHELLO  ,   sizeof(MSGHELLO)/sizeof(char_̲t));                                /*  カーネルの終了了  */                (void)ext_̲ker(); } 24
  25. 25. •  タスクの処理理は関数として記述する – 引数として拡張情報を渡すことができる * データ型はintptr_̲t  (int型及びポインタ型を格納 できるサイズを持つデータ型) – カーネル機能を使⽤用出来る以外は通常のC⾔言 語によって記述(他の処理理単位でも同様) – 「タスク=関数」ではない * つまり⼀一つの関数を複数のタスクとして動かせる タスクプログラムの記述形式 void  task(intptr_̲t  exinf)    {              /*    タスク処理理  */ } 25
  26. 26. •  #include  <kernel.h> – カーネルに関する定義.カーネルの定義を使 うなら必要. •  #include  "kernel_̲cfg.h" – コンフィギュレーション結果のオブジェクト IDを使う場合に必要 •  #include  "syssvc/serial.h" – シリアルを利利⽤用する場合 •  #include  "hello_̲world.h" – アプリの定義(アプリにより様々) 利利⽤用可能なヘッダファイル 26
  27. 27. •  ハードウェア処理理を記述する場合に使わ れるファイル – #include  "cq_̲frk_̲fm3.h" * ターゲットのハードウェア定義ファイル * ターゲット毎にファイル名が異異なるため,ター ゲット依存部のドキュメントを参照する – #include  <sil.h> * システムインターフェースレイヤの定義ファイル * メモリやデバイスレジスタへアクセスするための 関数などが定義されている 利利⽤用可能なヘッダファイル 27
  28. 28. •  いずれのAPIもタスクからのみ呼び出しが可能 •  extern  ER    serial_̲opn_̲por(ID  portid); –  シリアルポートのオープン.利利⽤用する前に必ず呼び出す. •  extern  ER    serial_̲cls_̲por(ID  portid); –  シリアルポートのクローズ. •  extern  ER_̲UINT    serial_̲rea_̲dat(ID  portid,  char_̲t   *buf,  uint_̲t  len); –  データ受信 •  extern  ER_̲UINT    serial_̲wri_̲dat(ID  portid,  const   char_̲t  *buf,  uint_̲t  len); –  データ送信 •  extern  ER    serial_̲ctl_̲por(ID  portid,  uint_̲t  ioctl); –  ポートの設定 –  第2引数に指定可能な値:IOCTL_̲NULL(指定なし), IOCTL_̲ECHO(受信した⽂文字をエコーバック),IOCTL_̲CRLF(LFを 送信する前にCRを付加) シリアルドライバのAPI 28
  29. 29. •  タスクのプログラムコードにはシリアル ポートのオープン処理理が不不⾜足しているた め,追加しておく. オープン処理理の追加 void  task(intptr_̲t  exinf)  {                serial_̲opn_̲por(TASK_̲PORTID);      //  追加                                /*  メッセージの表⽰示  */                (void)serial_̲wri_̲dat(TASK_̲PORTID  ,  MSGHELLO  ,   sizeof(MSGHELLO)/sizeof(char_̲t));                                /*  カーネルの終了了  */                (void)ext_̲ker(); } 29
  30. 30. •  ext_̲ker  を呼び出すことでカーネルは⾮非 動作状態へ移⾏行行する. •  現状の実装では,カーネル機能やハード ウェアの停⽌止処理理(割込み禁⽌止など)を⾏行行っ た後,無限ループで動作を停⽌止する. カーネルの終了了 /*  カーネルの終了了  */                (void)ext_̲ker(); 30
  31. 31. •  システムは電源を⼊入れたら基本的に動作 し続けます. •  無限ループと空ループを使って⼀一定周期 ごとに繰り返し実⾏行行を⾏行行うように変更更し てみる. 実習:プログラム変更更  (prog2) INIT_̲TASK 31
  32. 32. コードの変更更 void  task(intptr_̲t  exinf)  {    unsigned  long  int  i;    /*  ポートオープン  */    (void)serial_̲opn_̲por(TASK_̲PORTID);    while(1)  {                /*  ビジーウェイト  */                for(i=0;  i<1000000UL;  i++)  {}                /*  メッセージの表⽰示  */                (void)serial_̲wri_̲dat(TASK_̲PORTID  ,  MSGHELLO  ,   sizeof(MSGHELLO)/sizeof(char_̲t));    } } 32
  33. 33. •  LED点滅タスクを追加 – LED:⾼高優先度度,TA_̲ACT,  ループで点滅処理理 * ID:  LED_̲TASK,  関数名:led_̲task – シリアル:低優先度度,ループで出⼒力力処理理 * ID:  SERIAL_̲TASK,  関数名:task  (そのまま) •  LED制御⽤用関数 – sampleディレクトリにファイルled.{c,h}を 追加してみる 実習:LED処理理の追加(prog3) LED_̲TASK INIT_̲TASK 33
  34. 34. •  ⾃自分で作業してみる場合 – 既存のプロジェクトをコピーする $  cp  -‐‑‒a  hello_̲world  prog3  ;    cd  prog3 – 追加ファイルを⽤用意.ここでは⽤用意したとします. $  cp  ../../sample/led.{c,h}  . – Makefile  を修正 * インクルードディレクトリの設定 * 追加ファイルの設定 実習サンプルの準備 ifdef  USE_̲CXX    APPL_̲CXXOBJS  =  $(APPLNAME).o  led.o    #  追加    APPL_̲COBJS  = else    APPL_̲COBJS  =  $(APPLNAME).o  led.o    #  追加 34
  35. 35. •  アプリがsampleに⽤用意されている場合 1.  新規ディレクトリを作成し,そこへ移動 2.  ファイルをコピーする. 3.  configure  の  -‐‑‒A  でアプリケーション名,-‐‑‒U   で追加リンクしたいファイルを指定する. *  sampleからアプリファイルのコピーとMakefile の修正が⾃自動的に⾏行行われる. 実習サンプルの準備(2) $  pwd <sspの置き場所>/app $  mkdir  prog3;  cd  prog3                          #  1 $  cp  ../../sample/led.{c,h}  .                #  2 $  ../../configure  -‐‑‒T  cq_̲frk_̲fm3_̲gcc    -‐‑‒A  prog3  -‐‑‒U  led.o            #3 $  make  depend $  make 35
  36. 36. •  extern  void  init_̲led(void); – LED点灯のためのハードウェア初期化 •  extern  void  set_̲led(bool_̲t  onoff); – LEDの状態を変更更する * true:  ON,  false:  OFF •  extern  bool_̲t  get_̲led(void); – 現在のLEDの状態を取得する •  extern  bool_̲t  turn_̲led(void); – LEDの状態を反転し,反転後の状態を返す. ..以後,こういう関数があるものとして説明を続けます. (例例)追加したLED制御⽤用関数 36
  37. 37. タスクコードの追加 #include  "led.h" void  led_̲task(intptr_̲t  exinf)  {    unsigned  long  int  i;    //  LEDの初期化    init_̲led();    while(1)  {                /*  ビジーウェイト  */                for(i=0;  i<1000000UL;  i++)  {}                //  ここにLED点滅処理理を記述する.                turn_̲led();    } } 37 ※シリアル出⼒力力の task 関数の 中⾝身は前と同じとします.
  38. 38. cfgファイル INCLUDE("syssvc/serial.cfg"); INCLUDE("syssvc/banner.cfg"); #include  "hello_̲world.h" CRE_̲TSK(LED_̲TASK  ,  {  TA_̲ACT  ,  0  ,  led_̲task  ,  1  ,   STACK_̲SIZE  ,  NULL  });            //  追加 CRE_̲TSK(SERIAL_̲TASK  ,  {  TA_̲ACT  ,  0  ,  task  ,  2  ,   STACK_̲SIZE  ,  NULL  }); 38
  39. 39. ヘッダファイル #ifndef  TOPPERS_̲MACRO_̲ONLY extern  void  task(intptr_̲t  exinf); extern  void  led_̲task(intptr_̲t  exinf);  //  追加 #endif  /*  TOPPERS_̲MACRO_̲ONLY  */ #endif  /*  TOPPERS_̲HELLO_̲WORLD_̲H  */ 39
  40. 40. •  うまく動かない – LEDだけが点滅する. •  何が起きているのか – ⾼高優先度度タスクが常に動作 実⾏行行してみる LED_̲TASK INIT_̲TASK LED_̲TASK INIT_̲TASK 実際は 40
  41. 41. •  動く必要がないときは動かないように •  どうすべきか:することが終わったらタ スクを実⾏行行状態から外す. – タスクを待ち状態にする(SSPでは無理理) – タスクを休⽌止状態にする •  タスクは普段停⽌止してるので,別の場所 から起動しないと動けない – どこから?基本的には外部割込み – 特に割込み発⽣生元がタイマの場合は周期処理理 * 制御系の場合は多い RTOSのタスクコードの書き⽅方 41
  42. 42. •  LEDタスクを周期ハンドラから起動する – 以下の構成で作ってみる * 周期ハンドラ:周期500ms,システム開始時から 動作状態(TA_̲STA),LEDタスクを起動 ›  ID:  LED_̲CYC,  関数名:tsk_̲act_̲cyc * LED:⾼高優先度度,TA_̲NULL,  実⾏行行したら終了了 ›  ID:  LED_̲TASK,  関数名:led_̲task * シリアル:低優先度度,ループで出⼒力力処理理 ›  ID:  SERIAL_̲TASK,  関数名:task  (そのまま) ›  システムログ&ログタスクを使って表⽰示してみる. 実習:周期ハンドラ  (prog4) LED_̲TASK INIT_̲TASK LED_̲CYC 42
  43. 43. •  タスクなど,他の処理理単位と同様 •  タスクと異異なり,⾮非タスクコンテキスト で動作する – タスクより優先的に実⾏行行される – 呼び出す事のできるサービスコールも異異なる – タスクを起動する場合は  iact_̲tsk  を使う 周期ハンドラの関数の記述形式 void  tsk_̲act_̲cyc(intptr_̲t  exinf)  { /*  周期ハンドラの処理理  */ } 43
  44. 44. •  パラメータの意味 1.  周期ハンドラの識識別⼦子 *  指定した名称をプログラム中でハンドラIDとして利利⽤用できる 2.  周期ハンドラ属性:TA_̲NULL,  TA_̲STAのみ指定可 3.  起動時に関数へ渡す引数の値 4.  関数の先頭アドレス 5.  起動周期 *  0  より⼤大きく,TMAX_̲RELTIM  以下 6.  起動位相(開始をどれだけずらすか) *  0以上,TMAX_̲RELTIM  以下 *  TA_̲STA  のとき,0  より⼤大きく(0だと警告) ※  起動周期より⼤大きい値を指定しても良良い CRE_̲CYCの記述形式 CRE_̲CYC(LED_̲CYC,  {TA_̲STA,  LED_̲TASK,  tsk_̲act_̲cyc,   500,  10}); 44
  45. 45. プログラムコードの追加 #include  "led.h" void  led_̲task(intptr_̲t  exinf)  {        turn_̲led(); } void  tsk_̲act_̲cyc(intptr_̲t  exinf)  {  //  周期ハンドラ        ID  tskid  =  (ID)exinf;        iact_̲tsk(tskid);        //  タスク起動 } extern  void  tsk_̲act_̲cyc(intptr_̲t  exinf); extern  void  led_̲task(intptr_̲t  exinf); CRE_̲TSK(LED_̲TASK  ,  {  TA_̲NULL  ,  0  ,  led_̲task  ,  1  ,   STACK_̲SIZE  ,  NULL  }); CRE_̲CYC(LED_̲CYC,  {TA_̲STA,  LED_̲TASK,  tsk_̲act_̲cyc,  500,  10}); 45
  46. 46. •  タスクの終了了は,単にタスクの関数でリ ターンすればタスクが終了了となる. •  終了了はタスクの関数から⾏行行わないと,で きない.そのため,タスクからライブラ リ関数を呼び出している場合,そのライ ブラリ関数内でタスクを終了了させること が,できない. – ライブラリは必ず呼び出し元にリターンする ように作成する タスクの終了了 46
  47. 47. •  LEDタスクは1回実⾏行行毎に終了了し,周期的 に起動される. •  LEDタスクに初期化を記述すると,初期化 が何度度も実⾏行行される. •  そのため,初期化を別の場所に配置した ほうがよい(2通り) – ATT_̲INI  を利利⽤用する⽅方法 * タスクを別⽤用途に有効に利利⽤用できる * 今回はこちらを使ってみる – タスクで⾏行行う⽅方法 * OSの機能を使っている場合はこちらの⽅方法 LEDの初期化はどこへ? 47
  48. 48. •  ATT_̲INI –  パラメータの意味 1.  初期化ルーチン属性:TA_̲NULLのみOK 2.  起動時に関数へ渡す引数の値 3.  関数の先頭アドレス •  初期化ルーチンの記述形式 – 他の処理理単位と同様 – カーネルは⾮非動作状態であることに注意 初期化処理理の記述形式 ATT_̲INI({TA_̲NULL,  0,  led_̲initialize}); void  init_̲function(intptr_̲t  exinf)    {              /*    初期化処理理  */ } 48
  49. 49. プログラムコードの追加 #include  "led.h" //  LEDの初期化ルーチン void  led_̲initialize(intptr_̲t  exinf)  {    //  LEDの初期化    init_̲led(); } ATT_̲INI({TA_̲NULL,  0,  led_̲initialize}); extern  void  led_̲initialize(intptr_̲t  exinf); 49
  50. 50. •  システムログ機能. – 内部にログデータ保管⽤用のリングバッファを 持ち,データを格納したり取り出したりする ための機能 – アプリ向けの  printf  相当の書式変換機能つき ログ出⼒力力機能 * 第1引数にはログの重要度度,第2引数以降降はprintf と同様 システムログ機能の利利⽤用 void  syslog(uint_̲t  prio,  const  char  *format,  ...); <使い⽅方> #include  <t_̲syslog.h> syslog(LOG_̲NOTICE,  "task  %d  is  running",  tskid); 50
  51. 51. •  システムログ機能によって格納されたロ グデータを定期的に取り出し,出⼒力力する 機能 •  この機能はタスクを⼀一つもち,周期ハン ドラによって定期的にデータ取り出しと 出⼒力力を実施する. – 既定値では,ログタスクの起動時優先度度は3, 起動周期は10ms – アプリで使⽤用するタスクの優先度度が重ならな いように注意する ログタスク機能 51
  52. 52. •  システムログ機能が持つ関数を使ってタ スクがログデータを登録する •  ログタスクは登録されたデータを定期的 に出⼒力力する. それぞれの関係 タスク システムログバッファ (リングバッファ) ログタスク システムログ機能 52
  53. 53. 利利⽤用のためのコード追加 #include  <t_̲syslog.h>    //  システムログ機能の利利⽤用に必要 void  task(intptr_̲t  exinf)  {    unsigned  long  int  i;    (void)serial_̲opn_̲por(TASK_̲PORTID);    while(1)  { for(i=0;  i<1000000UL;  i++)  {} /*  メッセージの表⽰示  */ syslog(LOG_̲NOTICE,  "%s",  "Hello  World.!");    } } INCLUDE("syssvc/syslog.cfg");    //  cfgファイルへ追加 INCLUDE("syssvc/logtask.cfg"); 53
  54. 54. •  LEDもシリアル出⼒力力も両⽅方動いているか. •  スケジューラの動作 – 周期ハンドラ(タイマ割込み)は常にタスク より優先される – 割込みからのタスク起動によりタスクが動作 を開始するのは少なくともハンドラの実⾏行行が 終了了してから(遅延ディスパッチ) – 常に⾼高優先度度タスクから実⾏行行される – ログタスクは定期的に起動され,ログデータ を回収し,出⼒力力する 動作の確認 54
  55. 55. •  シリアルタスク(ID:  SERIAL_̲TASK)を周 期ハンドラで1秒毎に起動し,実⾏行行毎に終 了了するように変更更する. – 周期ハンドラの⽣生成(周期1秒) – シリアルポートのオープンは内部でOSの機能 を利利⽤用しているためタスクから呼び出す.初 期化⽤用タスク(ID:INIT_̲TASK)を⽤用意する. – 周期ハンドラはシステム起動時に停⽌止状態と し,初期化タスクの最後に開始する. – 優先度度設定 * 初期化タスク:1,残りはいろいろ変えてみる ›  ログタスクの優先度度(3)と重ならないように 課題:シリアルタスクの 周期起動(prog5) 55
  56. 56. ハンドラからタスクの起動 LED_̲TASK SERIAL_̲TASK LED_̲CYC SERIAL_̲CYC LOGTASK LOCCYC 56 起動 起動 起動
  57. 57. •  ハンドラからタスク起動,タイミングに よってはプリエンプションによるディス パッチ発⽣生 実⾏行行イメージ 57 LED_̲TASK SERIAL_̲TASK LED_̲CYC SERIAL_̲CYC LOGTASK LOCCYC
  58. 58. •  prog5を以下のように変更更する – シリアルタスク(ID:  SERIAL_̲TASK)を10ms 秒毎に起動し,⼊入⼒力力をチェックする. – 'a'が⼊入⼒力力されたとき,メッセージを表⽰示する タスク(ID:MES_̲TASK)を起動してメッセー ジ出⼒力力処理理を⾏行行う. – 'a'  以外の場合は  ”Unknown  command(<⼊入 ⼒力力⽂文字>)”  のメッセージを表⽰示する. •  LEDの点滅はそのまま 課題:シリアル⼊入⼒力力  (prog6) 58
  59. 59. •  ごく簡単な構成をSSPで実現してみた •  処理理は基本的に割込みをきっかけとして 開始し,タスクへ通知される – 時間をきっかけとするものについては周期ハ ンドラ,アラームハンドラが利利⽤用できる ここまでのまとめ ⼊入⼒力力 処理理 ⼊入⼒力力 出⼒力力 計算 処理理 出⼒力力 処理理 プログラム プログラム ⼊入⼒力力 出⼒力力 ハンドラ タスク 出⼒力力⼊入⼒力力 通知 プログラム 59
  60. 60. •  SSPでは,タスクは処理理を終えたら終了了す るように作成する.再度度実⾏行行する場合に は起動する処理理単位が必要である. •  タスクへの通知⽅方法として  iact_̲tsk(割込 み→タスク),act_̲tsk(タスク→タスク)が ある. •  初期化を分けて記述する必要がある. ATT_̲INIを使う⽅方法とタスクで初期化す る⽅方法がある. まとめ 60
  61. 61. SSPでの排他制御 61
  62. 62. •  システム全体では複数の処理理が並⾏行行して 実⾏行行される. •  実際には,互いに関連する場合がある. – 処理理Aが完了了したら処理理Bと処理理Cが⾏行行われる – 処理理Aと処理理Bが完了了したら処理理Cを開始する – 処理理Aと処理理Bは同じサービスCを利利⽤用する SSPを使ったプログラムの構成 ⼊入⼒力力 出⼒力力 ⼊入⼒力力 出⼒力力 ⼊入⼒力力 出⼒力力 ⼊入⼒力力 出⼒力力 62
  63. 63. •  問題なのは,サービスやリソースを提供する 関数やメモリ領領域などのリソースを複数のプ ログラムが利利⽤用する場合 •  あるプログラムがリソース利利⽤用途中で,別の プログラムが同じ関数やリソースへアクセス した場合に計算結果が誤る可能性がある. 資源の競合,再⼊入可能性 OS処理理単位 OS処理理単位 関数 または リソース アクセス アクセス 63
  64. 64. (例例) task1 task2 handler //  ⾜足し算を⾏行行うプログラム int  var1,  var2; int  calc_̲add()  {        int  res;        res  =  var1  +  var2;        return  res; } void  task1()  {        var1  =  10;        var2  =  100;        result  =  calc_̲add(); } void  task2()  {        var1  =  20;        var2  =  300;        result  =  calc_̲add(); } ここで割込みが 発⽣生 答:320答:320 答:110 答:120 64
  65. 65. •  グローバル変数やスタティック変数を 使っている場合 •  デバイスレジスタなど,ハードウェアに アクセスしている場合 問題が⽣生じる場合 65
  66. 66. •  全てローカル変数で済ませる •  排他制御を⾏行行う –  例例えばシリアルドライバは内部で排他制御を⾏行行 なっている •  アクセスできるタスクを1つに限定してその タスクが他のタスクにサービスを提供する –  タスク間のデータのやり取りはOSのタスク間通 信機能を使う –  SSPの場合,現状では通信機能を持っていないの で,リングバッファ等を実装して排他制御を併⽤用 することになる. *  システムログ機能+ログタスクはこの例例といえる 解決策 66
  67. 67. •  ある処理理が共有資源へアクセス中に、他 の処理理が同じ資源へアクセスできないよ うにすること – この場合の他の処理理とは,⾃自分より優先度度の ⾼高い処理理(割込み処理理など)が該当する •  排他制御が必要な区間を危険領領域(クリ ティカルセクション)と呼ぶ 排他制御による同期 処理2 処理1 アクセス アクセス ブロック 67
  68. 68. •  基本的には「⾃自タスクより優先順位の⾼高 い処理理からアクセスを防ぐ」ということ •  SSPで使えそうな⽅方法 – dis_̲dsp  によるディスパッチ禁⽌止 * ディスパッチが起こらないので結果的にブロック できるが、全タスクが影響をうける – dis_̲int  による割込みの禁⽌止 * 割込みが特定できる場合 – loc_̲cpu  によるCPUロック状態への移⾏行行 * 排他制御の相⼿手が割込み処理理を含む場合 – 実⾏行行時優先度度を使う * 特定の優先度度以下のディスパッチを抑制する SSPで可能な排他制御⼿手段 68
  69. 69. •  低優先度度の処理理は,クリティカルセク ション開始前に排他制御⼿手順を実施する. – ⾼高優先度度処理理側も,クリティカルセクション 開始前に同様の排他制御⼿手順を実施する場合 がある •  クリティカルセクションが終了了したら排 他制御⼿手段の終了了⼿手順を⾏行行う. 排他制御の典型的な構造 void  低優先度度処理理(VP_̲INT  exinf)  {        排他制御開始;        クリティカルセクションの実⾏行行;        排他制御終了了; } 69
  70. 70. (例例)ディスパッチ禁⽌止 •  クリティカルセクションの実⾏行行前後を ディスパッチ禁⽌止/許可で囲む. – ⾼高優先度度処理理側は何もしなくても良良い •  特徴 – 全てのタスク切切り替えがブロックされる – 割込みはブロックされないため,受付が可能 void  低優先度度処理理(VP_̲INT  exinf)  {        dis_̲dsp();        クリティカルセクションの実⾏行行;        ena_̲dsp(); } 70
  71. 71. (例例)シリアルドライバ ER_UINT serial_wri_dat(ID portid, const char_t *buf, uint_t len) { /* 呼び出し条件のチェックなど(省省略略)  */ SVC((rercd = loc_cpu()) , rercd); if(!serial_sndbuf_full(p_spcb)) { while(wricnt < len) { SVC(rercd = serial_wri_chr(p_spcb, *buf++), rercd); wricnt++; } } SVC((rercd = unl_cpu()) , rercd); error_exit: return(wricnt > 0U ? (ER_UINT) wricnt : rercd); } 71
  72. 72. •  排他制御区間の管理理 – 同じ排他制御⼿手段がネストしていると意図し ない⾮非排他区間が存在する可能性がある – 対策 * 状態を確認して,排他区間を抜ける際に元の状態 にもどすよう実装を変更更する * 関数の仕様として呼び出し条件を明記するなどし て呼び出されないようにする 注意点 72 void  task1()  {        loc_̲cpu();        func1();        func2();        unl_̲cpu(); } void  task1()  {        loc_̲cpu();        //  危険領領域        unl_̲cpu(); } func2は排他制 御 されていない
  73. 73. •  2つのタスク  TASK1,  TASK2  があり,そ の2つが  calc_̲add  関数を利利⽤用している. しかし,計算結果に不不整合が⽣生じている. 排他制御により問題を解決する. •  本来ならローカル変数にするのが普通な 内容ですが,デバイスレジスタへのアク セスなどでは同様の構造がありえますの で,そのつもりで考えてみてください. 実習:排他制御(prog7) 73
  74. 74. 再⼊入可能でない関数 /*  *  問題のある関数の例例:⾜足し算  */ static  int_̲t  var1; static  int_̲t  var2; int_̲t  calc_̲add(void)   {    int_̲t  result;    result  =  var1  +  var2;    return  result; } 74
  75. 75. タスクの例例(TASK1,2共通) void  task(intptr_̲t  exinf)  {/*  周期起動されるタスク  */        ID  tskid  =  (ID)exinf;        int_̲t  calc_̲result;        syslog(LOG_̲NOTICE,  "Task  %d  start.",  tskid);        var1  =  tskid;        syslog(LOG_̲NOTICE,  "task(%d):var1  =  %d.",  tskid,  var1);        var2  =  tskid;        syslog(LOG_̲NOTICE,  "task(%d):var2  =  %d.",  tskid,  var2);        calc_̲result  =  calc_̲add();        syslog(LOG_̲NOTICE,  "task(%d):calc_̲result  =  %d.",  tskid,  calc_̲result);        if(calc_̲result  ==  tskid  *  2)  {                syslog(LOG_̲NOTICE,  "task(%d):result  OK  =  %d",  tskid,  calc_̲result);        }        else  {                syslog(LOG_̲NOTICE,  "task(%d):result  NG  =  %d",  tskid,  calc_̲result);                ext_̲ker();  //  カーネル終了了      }} 75
  76. 76. NGの場合の実⾏行行結果 Task  3  start. task(3):var1  =  3. task(3):var2  =  3. task(3):calc_̲result  =  6. task(3):result  OK  =  6 Task  4  start. task(4):var1  =  4. Task  3  start. task(3):var1  =  3. task(3):var2  =  3. task(3):calc_̲result  =  6. task(3):result  OK  =  6 task(4):var2  =  4. task(4):calc_̲result  =  7. Task  3  start. task(3):var1  =  3. task(3):var2  =  3. task(3):calc_̲result  =  6. task(3):result  OK  =  6 task(4):result  NG  =  7 76
  77. 77. 修正後の実⾏行行結果 Task  3  start. task(3):var1  =  3. task(3):var2  =  3. task(3):calc_̲result  =  6. task(3):result  OK  =  6 Task  4  start. task(4):var1  =  4. task(4):var2  =  4. task(4):calc_̲result  =  8. Task  3  start. task(3):var1  =  3. task(3):var2  =  3. task(3):calc_̲result  =  6. task(3):result  OK  =  6 task(4):result  OK  =  8 Task  4  start. task(4):var1  =  4. task(4):var2  =  4. task(4):calc_̲result  =  8. task(4):result  OK  =  8 77
  78. 78. •  複数のプログラムが並⾏行行して動作する環 境では,関数やリソースが同時にアクセ ス可能かどうかが問題となる. •  解決策としては,ローカル変数化,呼び 出し側での排他制御,専⽤用タスク化して OSの通信機能を利利⽤用する,などの⽅方法が 考えられる.現状のSSPでは排他制御によ る⽅方法が典型的である.システムログ+ ログタスクは専⽤用タスク化の例例といえる. ここまでのまとめ 78
  79. 79. その他雑多な話題 79
  80. 80. •  割込みハンドラ/サービスルーチン •  アラームハンドラ –  ハンドラ内部の作り⽅方は周期ハンドラと同じ •  イベントフラグ,データキュー •  CPU例例外処理理 –  CPU例例外発⽣生時にタスクだけでリカバリは困難 •  実⾏行行時優先度度 –  メモリ節約の⼿手段.リアルタイム性とトレードオフ •  共有スタック定義 –  DEF_̲STK  による共有スタック領領域の確保. •  タスク起動要求キューイング –  起動要求を1回まで記憶 今回扱えなかったSSP機能 80
  81. 81. •  タスクが実⾏行行開始後にもつ優先度度 – ひとたび実⾏行行開始したら,タスク終了了までそ の優先度度のまま •  ⽬目的 – メモリ節約 * ディスパッチが抑制されるため,システムの最⼤大 スタック使⽤用量量の予測値が減る – 排他制御 * 引き上げられた優先度度と同じかそれより低い優先 度度のタスクは実⾏行行がブロックされる •  問題点 – リアルタイム性が多少犠牲になる 実⾏行行時優先度度 81
  82. 82. •  SSPカーネルは全ての処理理単位でスタック領領 域を共有する 実⾏行行時優先度度と共有スタック 82 タスクID 起動時優先度度 実⾏行行時優先度度 TASK1 1 1 TASK2 2 2 TASK3 3 1 TASK1 TASK3TASK2 TASK1 TASK3 TASK2 TASK3実⾏行行中は他タスクに プリエンプトされないため, 必要最⼤大スタックが下がる
  83. 83. スケジューリングへの影響 タスクID 起動時優先度度 実⾏行行時優先度度 TASK1 1 1 TASK2 2 2 TASK3 3 1 task3 開始 task1 task1 起動 task3 終了了 task1 開始 task3 起動 task2 起動 task1 終了了 task2 開始 task2 終了了 task3 開始 task3 終了了 task2 task3 実⾏行行開始が 待たされる 83 TASK3は 実⾏行行開始すると 優先度度1(最⾼高) として扱われる TASK3は 実⾏行行開始するまでは 優先度度3として扱われる. したがって開始順序は最後
  84. 84. DEF_̲EPR  の記述形式 •  静的API  の意味 – 対象タスクの実⾏行行優先度度を設定する – DEF_̲EPR  で設定していないタスクについて は,CRE_̲TSK  で指定した優先度度(起動優先 度度)の値と同じとする •  パラメータの意味 1. 対象タスクID 2. 実⾏行行時優先度度の値 *  起動優先度度よりも優先度度を⾼高くする必要がある DEF_̲EPR(TASK3  ,  {  2  });   84
  85. 85. •  基本的にできれば,あまり分割しない – 分割の根拠が明確でなければ. •  1つの考え⽅方:時間制約で考えてみる – もともとRTOSのタスクは異異なる時間制約を1 つのプロセッサで実現するためのもの – SSPでは1優先度度1タスクのため,1タスクに 複数機能が対応する場合もありえる •  検討例例 – 1つの機能項⽬目に時間制約が異異なるものがあ れば,それを分割する – 時間制約が同じものを同じタスクに割り当て タスクの分割 85
  86. 86. (例例)タスクマッピングリスト 参考:「組込みソフトウェア向け設計ガイド」P60 http://sec.ipa.go.jp/publish/tn12-003.html •  下図のような表形式で整理理する⽅方法もあ る 機能項⽬目 時間制約 タスクA タスクB 機能項⽬目1 10ms ◯ 機能項⽬目2 200ms ◯ 機能項⽬目3 10ms ◯ 機能項⽬目4 200ms ◯ 86
  87. 87. •  1つの考え⽅方:Rate  Monotonic  Scheduling –  相対デッドラインが短いタスクを⾼高優先度度にする –  相対デッドライン=周期とした場合,周期が短いタスク •  前提 –  システムの最⼤大負荷が⾒見見積もれること *  Σ(1回の最⼤大実⾏行行時間×頻度度) –  周期タスク(最⼩小軌道間隔)がわかっている –  シングルプロセッサである –  相対デッドラインが周期以下 –  タスク間に同期通信がない –  タスクは⾃自ら実⾏行行を中断しない –  タスク切切り替えのオーバーヘッドを考えない •  今回の内容の範囲外であるが,例例えばTOPPERS中級実 装セミナー教材の資料料が参考になる –  http://www.toppers.jp/edu-‐‑‒middle.html 優先度度設定 87
  88. 88. 最後に 88
  89. 89. •  新規ターゲットへの対応 •  MindstomsNXT  は動作確認済み •  MSP430(LaunchPad)は挑戦中だがちと厳しい •  8pin  ARM(LPC810,  Cortex-‐‑‒M0+)  へも挑戦中 •  現状,Lチカだけでメモリいっぱい •  RPi  への対応 •  Intel  Galileo  ボードへの対応 •  その他,今後もいろいろ予定しておりますのでよろ しくお願いします. 今後の予定 89
  90. 90. •  TOPPERS/SSPカーネルの基本的な使い⽅方 について,実際に触ってみた – タスクの利利⽤用,割込みからのタスク起動 – カーネルで⽤用意されているサービス – いくつかの排他制御⼿手段の利利⽤用 •  その他,同期通信機能や,スタック設定 などの機能を持っている •  現在も新規ターゲットの対応などを⾏行行っ ている まとめ 90

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