STM32 - Free RTOS dla dociekliwych.pdf - STM32 - zoobee

Free RTOS dla dociekliwych

PODZESPOŁY

Free RTOS dla dociekliwych

W EP5/09 zostało przedstawione zagadnienie systemu operacyjnego

FreeRTOS w odniesieniu do mikrokontrolerów STM32. Wykorzystując

te informacje, w niniejszym artykule przedstawiono sposób tworzenia

nieco bardziej zaawansowanych aplikacji z użyciem systemu FreeRTOS

i mikrokontrolerów STM32. Pokazano m. in. jak nawiązać wymianę

danych pomiędzy uruchomionymi w systemie zadaniami oraz jak

zabezpieczyć zasoby mikrokontrolera przed nieuprawnionym dostępem.

odpowiada oddzielne zadanie, a więc sumie

w systemie są uruchomione trzy zadania: vTa-

skLD1() , vTaskLD2() , vTaskLD3() . Kod zadania

vTaskLD1() został zamieszczony na list. 1 , na-

tomiast funkcja obsługi przerwania dla lewego

położenia joysticka znajduje się na list. 2 . Pozo-

stałe zadania i funkcje obsługi przerwań są róż-

nią się tylko sterowanymi lub monitorowany-

mi wyprowadzeniami. Pozycja lewa joysticka

jest podłączona do wyprowadzenia PE1, stąd

wykorzystana jest funkcja obsługi przerwania

EXTI1_IRQHandler() . Główna funkcja progra-

mu main() , która została zamieszczona na list.

3 , ma za zadanie skon ﬁ gurować mikrokontroler

wraz z wszystkimi wykorzystywanymi peryfe-

riami do pracy – funkcja prvSetupHardware() .

Ponadto następuje tutaj uruchomienie zadań

oraz planisty, ten ostatni jest aktywowany przez

wywołanie funkcji vTaskStartScheduler() .

Każdy semafor jest tworzony przed wej-

ściem danego zadania do nieskończonej pętli.

Zmienna xSemaphoreLD1 jest zadeklarowa-

na jako globalna, tak jak pozostałe semafory.

Sprawdzenie stanu semafora odbywa się wraz

z wywołaniem funkcji xSemaphoreTake() .

W nieco ściślejszym rozumowaniu wymieniona

funkcja próbuje „ wziąć ” semafor, co oznacza, że

jeśli jest on ustawiony to następuje wykonanie

dotychczas zablokowanej części zadania, a se-

mafor zostaje dezaktywowany (skasowany).

Jeśli funkcja xSemaphoreTake() zwróci war-

tość pdTRUE , to wtenczas następuje zmiana

stanu wyprowadzenia na przeciwny. Jako argu-

menty do funkcji należy przekazać nazwę se-

mafora oraz (pośrednio) czas, przez jaki zadanie

będzie oczekiwać, aż semafor stanie się aktyw-

ny. W omawianym przy-

padku wartość ta wynosi

0, ponieważ zadanie

zajmuje się tylko spraw-

dzaniem stanu semafora

i niczym więcej.

Głównym zadaniem

mikrokontrolera w funk-

cji obsługi przerwania

jest aktywowanie se-

mafora, dzięki czemu zadanie

będzie wiedziało, że należy

zmienić stan wyprowadzenia,

do którego podłączona jest dio-

da LED. Odpowiada za to funk-

cja xSemaphoreGiveFromISR() ,

której należy przekazać dwa

argumenty, pierwszy to uchwyt

(nazwa) semafora. Drugi, prze-

kazywany przez referencję,

System operacyjny czasu rzeczywistego

FreeRTOS udostępnia programistom w sumie

pięć mechanizmów wykorzystywanych do ko-

munikacji pomiędzy zadaniami (lub przerwa-

niami i zadaniami) oraz do zabezpieczania za-

sobów mikrokontrolera. Są to: semafory binar-

ne, kolejki, semaforów licznikowe, muteksy,

muteksy rekurencyjne. Każdy przedstawiony

w artykule mechanizm został poparty stosow-

nym przykładem, przygotowanym dla płytki

ewaluacyjnej STM3210B-EVAL, która jest

wyposażona w mikrokontroler STM32F103 .

Szczegółowych informacji na temat systemu

operacyjnego FreeRTOS należy szukać na jego

stronie internetowej www.freertos.org .

W praktyce systemów wbudowanych se-

mafory binarne są zazwyczaj wykorzystywane

od synchronizacji zadań lub zadania i prze-

rwania. Zagadnienie synchronizacji zadania

za pomocą przerwania przedstawiono na rys.

1 . Dopóty, dopóki w systemie nie jest zareje-

strowane przerwanie, zadanie pozostaje w sta-

nie „ ZABLOKOWANE ”. W chwili, gdy wystąpi

przerwanie, a w funkcji jego obsługi nastąpi

uaktywnienie semafora, system operacyjny

wprowadzi zablokowane zadanie w stan „ GO-

TOWE DO WYKONANIA ”. Od tego momentu

zadanie oczekuje na zwolnienie zasobów, a je-

śli to nastąpi, to zacznie być realizowane.

Aplikacja działająca w oparciu o identycz-

ny mechanizm została omówiona poniżej, jej

zadaniem jest reagowanie na zmiany stanów

przycisków zapalaniem lub gaszeniem diod

LED na płytce ewaluacyjnej. Sterowane mają

być diody LD1, LD2, LD3, za pomocą położe-

nia joysticka odpowiednio: lewo, góra, prawo.

Schemat działania programu został przedsta-

wiony na rys. 2 .

Do komunikacji pomiędzy funkcjami ob-

sługi przerwań i zadaniami wykorzystano trzy

semafory binarne, dla każdego zestawu, przy-

cisk i dioda, po jednym. Za stan każdej z diod

Semafory binarne

Semafory binarne, służą do sterowania

wykonywaniem zadań. Gdy semafor jest nie-

aktywny, to wykonywanie czynności (zadania)

jest zablokowane. Innymi słowy, aby zadanie,

którego działanie jest uzależnione od semafo-

ra, mogło się wykonać, to semafor musi zostać

aktywowany.

List. 1.

void vTaskLD1(void * pvParameters)

{

vSemaphoreCreateBinary(xSemaphoreLD1);

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

if(xSemaphoreTake(xSemaphoreLD1, 0) == pdTRUE)

{

vhToggleLD1();

}

mafora

Rys. 1.

List. 2.

void EXTI1_IRQHandler(void)

{

static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken;

xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET)

{

xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphoreLD1,

&xHigherPriorityTaskWoken);

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);

}

Rys. 2.

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009

109

STM32

PODZESPOŁY

List. 3.

int main( void )

{

// Konﬁ guracja sprzetu

prvSetupHardware();

// Uruchomienie zadan

vStartLDTasks( TASK_PRIORITY );

jakie można do niej wpisać, oraz rozmiar po-

jedynczego elementu. Obydwa parametry są

określane na etapie tworzenia (deklarowania)

kolejki.

Elementy w kolejce są umieszczane jako

kopie danych źródłowych, dzięki czemu ko-

munikujące się zadania nie mogą bezpośred-

nio uzyskać dostępu do pamięci, w której

znajdują się dane źródłowe. Mechanizm ko-

lejek w systemie FreeRTOS ma zaimplemen-

towaną obsługę wszystkich zagadnień zwią-

zanych z wzajemnymi wykluczeniami, zatem

programista nie musi już o to zabiegać.

Jeśli zaistnieje potrzeba kolejkowania da-

nych o większym rozmiarze, niż to przewi-

duje zadeklarowana kolejka, to wtedy można

użyć wskaźnika na element. W takich wypad-

kach należy się zawsze upewniać, kto (które

zadanie) jest właścicielem danej zmiennej,

oraz ostrożnie wykonywać operacje na otrzy-

manym adresie elementu tak, aby nie zdesta-

bilizować pracy całego systemu.

Niekiedy może się zdarzyć, że w kolejce

nie ma żadnych danych do odebrania przez

określone zadanie. W takich sytuacjach mocy

nabiera możliwość ustawienia czasu, a kon-

kretniej liczby taktów zegara systemu opera-

cyjnego, po jakim, jeśli żadne ważne dane nie

pojawią się w kolejce, zadanie przejdzie do

stanu „ ZABLOKOWANE ”. Sytuacja może być

również odwrotna: kolejka może być zapeł-

niona, wtenczas zadanie, które chce wpisać

dane do kolejki, oczekuje zadeklarowaną ilość

taktów zegara na zwolnienie się miejsca w ko-

lejce, gdy to nie nastąpi to również przechodzi

do stanu „ ZABLOKOWANE ”. Zasada działania

kolejki została omówiona w EP5/09.

Sposób użycia kolejek zostanie przed-

stawiony na przykładzie aplikacji, której za-

daniem będzie przetwarzanie A/C i pokazy-

wanie wyniku na gra ﬁ cznym wyświetlaczu

LCD zamontowanym na płytce ewaluacyjnej

STM3210B-EVAL. Mierzone napięcie pocho-

dzi od potencjometru podłączonego do wy-

prowadzenia PC4.

Kon ﬁ guracja ADC została dokładnie omó-

wiona w EP, zatem tutaj nie będziemy się tym

bliżej zajmować, podobnie jak w przypadku

aplikacji demonstrującej działanie semafo-

rów, również tutaj wszystkie czynności zwią-

zane z kon ﬁ guracją są umieszczone w funkcji

prvSetupHardware() .

W systemie są utworzone dwa zadania, na-

tomiast jedyna kolejka – xQueueLCD – została

utworzona jako zmienna globalna (uchwyt)

typu xQueueHandle . Na list. 4 został zamiesz-

czony kod zadania vTaskADC() , które tworzy

za pomocą wywołania funkcji xQueueCreate()

kolejkę. Następnie już w pętli nieskończonej

w 300 ms odstępach odczytuje wartość z prze-

twornika A/C, by w kolejnym kroku zapisać ją

do kolejki. Do tego celu użyta jest funkcja xQu-

eueSend() , której w argumentach należy podać

kolejno: nazwę kolejki, zmienną do wysłania,

oraz liczbę cykli systemowych, jakie będą od-

czekane w razie pełnej kolejki.

Drugie uruchomione w systemie zadanie

– vTaskLCD() – jest przedstawione na list. 5 .

Pierwszą czynnością, jaką zadanie wykonuje,

jest inicjalizacja wyświetlacza LCD, po czym

w pętli nieskończonej, również co 300 ms, na-

stępuje odbieranie danych z kolejki i wyświe-

tlanie ich na LCD.

Efektem pracy aplikacji jest pokazywanie

wyniku przetwarzania, którym jest liczba z za-

kresu od 0 do 4096. Czas odświeżania został

tak dobrany, aby można było dobrze zaobser-

wować efekt kolejkowania danych. Zmieniając

dość szybko położenie potencjometru P1 wi-

dać, jak dopiero po chwili wynik osiąga swoją

właściwą wartość.

// Uruchomienie planisty

vTaskStartScheduler();

return 0;

}

argument jest zmienną, która otrzyma wartość

pdTRUE , jeśli odblokowane przez semafor za-

danie będzie miało wyższy priorytet, niż aktu-

alnie wykonywane. Wszystkie nazwy funkcji

API systemu FreeRTOS, jakie są używane pod-

czas obsługi przerwań muszą kończyć się przy-

rostkiem „ ISR ”. Jest to niezbędne dla poprawnej

pracy mikrokontrolera.

Kolejki

Kolejki są głównym mechanizmem, jaki

jest wykorzystywany do wymiany informacji

pomiędzy zadaniami. Mogą być wykorzy-

stywane do przesyłania wiadomości między

zadaniami oraz pomiędzy przerwaniami i za-

daniami. W większości przypadków kolejki

są wykorzystywane jako bezpieczne bufory

FIFO.

Każda zde ﬁ niowana w systemie kolejka

ma ustaloną długość, czyli liczbę elementów,

List. 4.

void vTaskADC(void * pvParameters)

{

u16 wynik_adc;

xQueueLCD = xQueueCreate(10, sizeof(u16));

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

vTaskDelay(300 / portTICK_RATE_MS); // Odczekanie 300 ms

wynik_adc = ADC_GetConversionValue(ADC1);

xQueueSend(xQueueLCD, (void *) &wynik_adc, (portTickType) 10);

}

List. 5.

void vTaskLCD(void * pvParameters)

{

u16 wynik;

char wynik_lcd[5];

STM3210B_LCD_Init();

LCD_Clear(Blue);

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

xQueueReceive(xQueueLCD, &wynik, (portTickType) 10);

vTaskDelay(300 / portTICK_RATE_MS); // Odczekanie 300 ms

sprintf(wynik_lcd, „%4d”, wynik);

LCD_DisplayStringLine(0, (u8*) wynik_lcd);

}

Semafory licznikowe

Semafory licznikowe ( Counting Semapho-

res ) są hybrydą zwykłej kolejki i semafora binar-

nego, zatem nie niosą ze sobą więcej informacji

poza aktualną wartością semafora. Mechanizm

semaforów licznikowych jest wykorzystywany

przede wszystkim w implementacji zadań, któ-

re wymagają zliczania zdarzeń.

Od strony praktycznej wygląda to tak, że

np. Zadanie A „daje” ( give ), czyli inkrementuje

semafor licznikowy, natomiast Zadanie B „za-

biera” ( take ) ten sam semafor – dekrementuje

go. Tym sposobem wartość semafora liczniko-

List. 6.

void vTaskSemphr(void * pvParameters)

{

u8 wynik_sem = 0;

xQueueLCD = xQueueCreate(10, sizeof(xSemaphoreHandle));

xSemaphoreCnt = xSemaphoreCreateCounting( 50, 0 );

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

vTaskDelay(1000 portTICK_RATE_MS); //Odczekanie 1 sek

xQueueSend(xQueueLCD, (void *) &wynik_sem, 0);

if(xSemaphoreTake(xSemaphoreCnt,0) == pdPASS)

wynik_sem = 1;

else

wynik_sem = 0;

}

110

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009

110

Free RTOS dla dociekliwych

List. 7.

void vTask25PWM(void * pvParameters)

{

xSemaphoreMuteks = xSemaphoreCreateMutex();

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

if(xSemaphoreTake( xSemaphoreJoyUp, 0 ) == pdTRUE)

{

if(xSemaphoreTake(xSemaphoreMuteks, 0) == pdTRUE)

{

vhSetPWM();

vTaskDelay(500 / portTICK_RATE_MS);

xSemaphoreGive(xSemaphoreMuteks);

}

void vTask75PWM(void * pvParameters)

{

// Nieskonczona petla zadania

for(;;)

{

if(xSemaphoreTake( xSemaphoreJoyDown, 0 ) == pdTRUE)

{

if(xSemaphoreTake(xSemaphoreMuteks, 0) == pdTRUE)

{

vhSetPWM();

vTaskDelay(500 / portTICK_RATE_MS);

xSemaphoreGive(xSemaphoreMuteks);

}

w przypadku tego ostat-

niego. Dopiero podczas

tworzenia semafora

licznikowego należy

użyć innej funkcji API,

ściślej – xSemaphore-

CreateCounting() . Funk-

cji tej należy przekazać

dwa argumenty: pierw-

szy to maksymalna war-

tość semafora, a druga

wartość początkowa.

W omawianej aplika-

cji tworzenie semafora

odbywa się w zadaniu

vTaskSemphr() , przed-

stawionym na list. 6 .

W pętli nieskończonej

odczekuje 1 sekundę, po

czym sprawdza semafor

licznikowy xSemapho-

reCnt i wysyła do kolejki

jego wartość. Zawartość

kolejki jest odbierana przez za-

danie vTaskLCD() , które zajmuje

się obsługą wyświetlacza gra-

ﬁ cznego. Naciskając przycisk

użytkownika np. 10 razy widzi-

my na LCD, że przez czas około

10 sekund semafor będzie jesz-

cze ustawiony, a dopiero po tym czasie nastąpi

jego skasowanie.

lenie jakiegoś zasobu sprzętowego pomiędzy

kilka zadań.

Zasada działania muteksów została wyjaśnio-

na na rys. 4 . Zadanie A, w chwili, gdy potrze-

buje dostępu do chronionego zasobu, sprawdza

stan muteksa , jeśli jest ustawiony, to wtenczas

wiadomo, że zasób jest wolny i można z niego

skorzystać. W trakcie wykorzystywania chronio-

nego zasobu przez Zadanie A muteks jest „ pusty ”.

Jeśli w takiej sytuacji Zadanie B podejmie próbę

skorzystania z danego zasobu to z racji „ pustego ”

muteksa dostęp do zasobu nie będzie możliwy.

Dopiero po oddaniu muteksa przez Zadanie A,

Zadanie B może wykorzystać do swoich celów

chroniony zasób mikrokontrolera.

Przedstawimy teraz przykład aplikacji dzia-

łającej z wykorzystaniem muteksów do ochrony

zasobów. Załóżmy sytuację, w której dwa zada-

nia, jeśli zaistnieje taka potrzeba, zmieniają wy-

pełnienie generowanego przez mikrokontroler

sygnału PWM. Nowowprowadzony współczyn-

nik wypełnienia nie może się zmieniać przez

czas 500 ms, a jeśli zostanie zmieniony to może

to spowodować nieprawidłowe działanie całego

systemu. Aby zabezpieczyć timer TIM3 pracują-

cy w roli generatora PWM, przed nieuprawnio-

nym dostępem zostanie wykorzystany muteks.

W systemie uruchomione są dwa zadania:

vTask25PWM() oraz vTask75PWM() . Wychylnie

joysticka na płytce ewaluacyjnej w górę powo-

duje odblokowanie pierwszego zadania i, jak

nietrudno się domyślić, zmianę współczynnika

wypełnienia sygnału PWM na 25%. Przeciwna

pozycja joysticka (w dół) odblokowuje drugie

zadania, a tym samym ustawia wypełnienie

na 75%. Generator PWM – timer TIM3 – po

pełnym przemapowaniu steruje wyprowadze-

niem PC6, a więc diodą LD1. Efektem działania

aplikacji jest zmiana intensywności świecenia

diody w takt zmian położenia joysticka. Obec-

ność w systemie pracującego muteksa można

zaobserwować próbę zmian położenia joysticka

z częstotliwością większą niż 1 Hz. Muteks chro-

niący zasób w postaci timera TIM3 nie pozwoli

na częstsze zmiany intensywności świecenia

diody LED niż co 500 ms.

Kod zadań vTask25PWM() i vTask75PWM()

został zamieszczony na list. 7 . Do synchroni-

zacji z wyprowadzeniami mikrokontrolera wy-

korzystano omówione już wcześniej semafory

binarne. Muteks jest tworzony w zadaniu vTa-

sk25PWM() za pomocą wywołania funkcji xSe-

maphoreCreateMutex() , jeszcze przed wejściem

zadania do pętli nieskończonej. Sprawdzenie

i próba zabrania muteksa odbywa się wraz z wy-

wołaniem znanej już funkcji xSemaphoreTake() .

Wywołanie to następuje tylko wtedy, kiedy se-

mafor xSemaphoreJoyUp jest aktywny, co jest

jednoznaczne z położeniem górnym joysticka.

Jeśli muteks jest dostępny to wtenczas wypełnie-

nie generowanego przebiegu zostanie ustawione

na 25%, w przeciwnym wypadku współczynnik

wypełnienia pozostanie niezmieniony.

Krzysztof Paprocki

paprocki.krzysztof@gmail.com

kolejki j

Rys. 3.

wego określa różnicę w liczbie wystąpień zda-

rzenia i jego przetworzeń.

Sposób implementacji semaforów liczniko-

wych prezentuje niżej omówiona przykładowa

aplikacja. Jej zadaniem jest utworzenie w sys-

temie semafora licznikowego, który ma być in-

krementowany przez przerwanie pochodzące

od wyprowadzenia PB9, do którego podłączo-

ny jest przycisk użytkownika. Proces dekre-

mentowania semafora należy do uruchomione-

go w systemie zadania vTaskSemphr() . Zadanie

w odstępach 1 sekundowych sprawdza stan

semafora i jeśli nie jest zerowy to go dekremen-

tuje. Dodatkowo aplikacja wykorzystuje omó-

wione poprzednio kolejki do pokazywania na

LCD wartości semafora. Schematycznie sposób

pracy mikrokontrolera w tym przykładzie ilu-

struje rys. 3 .

Semafor licznikowy jest identycznym

typem zmiennej jak zwykły semafor binar-

ny, a więc jego deklaracja jest taka sama jak

Muteksy

Nazwa „muteks” jest określeniem angiel-

skim i raczej nieprzetłumaczalnym na język

polski. Słowo „ MUTEX” powstało z połączenia

wyrazów „ mutual ” oraz „ exclusion ”. Można,

zatem mechanizm działania muteksów okre-

ślić jako „wzajemne wykluczanie”, które dość

dobrze oddaje istotę ich działania. Muteksy są

nieco podobne do binarnych semaforów, wy-

korzystują te same funkcje API, lecz zostały

wzbogacone o system priorytetów. Najistot-

niejsze jest to, że wykorzystanie semaforów

i muteksów jest zupełnie różne. O ile semafory,

jak już to zostało wyżej napisane, służą naj-

częściej do synchronizacji zadań, to muteksy

zostały stworzone przede wszystkim z myślą

o implementacjach, w których występuje dzie-

Rys. 4.

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009

111

STM32 - Free RTOS dla dociekliwych.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: