Ethernet i AVR–y, cz.4.pdf

(988 KB) Pobierz

108-111_enut_cz4.indd

KURS

Ethernet i AVR–y

Ethernut od podstaw, część 4

Oprócz stosu TCP/IP NutOS wyposażono również

w podstawowe możliwości systemu operacyjnego

czasu rzeczywistego (RTOS). Najważniejszą z nich

jest wielowątkowość, czyli równoległe wykonywanie

kilku fragmentów programu. Jest ona bardzo

przydatna przy tworzeniu aplikacji sieciowych,

dlatego czwarty odcinek kursu będzie poświęcony

obsłudze wątków w systemie Ethernut.

Większość przeglądarek interne-

towych inicjuje jednocześnie kilka

połączeń z serwerem. Możliwe jest

wówczas równoległe pobieranie np.

tekstu (kod HTML) oraz graﬁki (pli-

ki GIF, JPG), dzięki czemu strony

WWW otwierają się szybciej. Opisa-

ny w poprzedniej części kursu ser-

wer WWW mógł obsługiwać w da-

nej chwili tylko jedno połączenie.

Wskutek tego, przeglądarka czasami

nie wyświetlała obrazka ze strony

testowej (logo EP), nie było rów-

nież możliwe jednoczesne otwarcie

strony przez kilku klientów. Nasz

serwer powinien więc obsługiwać

więcej niż jedno połączenie na raz.

Jednym z rozwiązań

tego problemu jest wyko-

rzystanie wielowątkowości ( multith-

reading od thread – wątek). Pozwa-

la ona na równoległe wykonywanie

określonych fragmentów programu,

zwanych wątkami. Wielowątkowość

można traktować w wielkim uprosz-

czeniu jako prymitywną formę wie-

lozadaniowości ( multitasking ), czyli

mechanizmu, dzięki któremu sys-

temy operacyjne mogą wykonywać

jednocześnie więcej niż jeden pro-

gram (zwany w terminologii infor-

matycznej procesem ). Zasadniczą

różnicą między procesami a wąt-

kami jest współdzielenie danych

globalnych przez wątki (różne wąt-

ki mogą korzystać ze wspólnych

zmiennych globalnych). Zmienne

lokalne (czyli stos) są oddzielne

dla każdego wątku/procesu.

Prosty przykład

Kod prostego programu pokazu-

jącego działanie wątków ( Simple-

Threads ) znajduje się na list. 6 .

Efektem jego działania jest wysyła-

nie przez port szeregowy tekstów:

Tu watek nr 1 (co 0,5 sekun-

dy) i Tu watek nr 2 (co 1 se-

kundę). Świadczy to o tym, że wąt-

ki watek1 i watek2 pracują rów-

nolegle, ale nie oznacza wcale, że

działają one w tym samym czasie.

Wykonywanie więcej niż jednego

fragmentu kodu w tej samej chwi-

li jest możliwe tylko w systemach

wieloprocesorowych lub z procesora-

mi wielordzeniowymi (np. kompu-

tery PC z Intel CoreDuo mogą wy-

konywać w tym samym czasie dwa

procesy lub wątki).

W praktyce „jednoczesne” wyko-

nywanie się wątków jest realizowa-

ne przez szybkie przełączanie się

procesora między nimi. Przełączanie

wątków polega na:

– przerwaniu obecnie pracujące-

go wątku i zapisaniu jego stanu

w strukturze nazywanej w języ-

ku angielskim switchframe . Każ-

dy wątek ma własną strukturę

switchframe , zawiera ona wszyst-

kie parametry procesora (zawar-

tości rejestrów, licznik rozkazów,

wskaźnik stosu, wartości ﬂag)

List. 6. Prosty przykład ilustrujący działanie wątków

THREAD(watek1, args)

{

int licznik = 0;

for(;;)

{

printf(„Tu watek nr 1 (licznik = %d)!\n”, licznik++);

NutSleep(500);// czekamy ok. pó? sekundy

}

}

THREAD(watek2, args)

{

int licznik = 0;

for(;;)

{

printf(„Tu watek nr 2 (licznik = %d)!\n”, licznik++);

NutSleep(1000);// czekamy ok. 1 sekundy

}

}

int main(void)

{

initialize();

int i;

printf(„Kurs EP Ethernut – czesc 4 – prosty przyklad uzywania watkow\n\r\

n\r”);

// tworzymy 2 watki – „Watek1” i „Watek2”

NutThreadCreate(„Watek1”, watek1, NULL, NUT_THREAD_MAINSTACK);

NutThreadCreate(„Watek2”, watek2, NULL, NUT_THREAD_MAINSTACK);

// watek „Main” idzie spac

for(;;)NutSleep(10000);

}

108

Elektronika Praktyczna 3/2007

682288728.117.png

682288728.128.png

KURS

jednoznacznie określające jego

stan.

– załadowaniu do rejestrów pro-

cesora wartości ze struktury

switchframe wątku, na który się

przełączamy.

Można tu zauważyć podobień-

stwo do obsługi przerwań – gdy

wystąpi przerwanie, stan procesora

jest zapisywany na stosie, a po za-

kończeniu jego obsługi do rejestrów

ładowane są uprzednio zapisane

wartości.

List. 7. Przykład – animacja tekstu wyświetlanego na LCD zestawu ZL9AVR

// tekst dla wyswietlacza LCD

static char lcd_text[128];

THREAD (lcd_scrolling, args) // wątek zajmujący się animacją tekstu na wy-

świetlaczu LCD.

{

int len, x=0, dx = 1, i;

printf(„Poczatek watku lcd_scrolling!\n\r”);

for(;;)

{

len = strlen(lcd_text);

if(len<16) // tekst krotszy niz 16 znakow? dopelniamy do 16 spacjami

{

for(i=len;i<16;i++) lcd_text[i] = ‚ ‚;

lcd_text[16] = 0;

}

if(x>len – 16) { x = 0; dx = 1; }

LCD_setpos(0);

LCD_putstringn(lcd_text + x, 16); // 16 – liczba znaków do wyświetlenia na

LCD

//przy koncu i poczatku tekstu czekamy troche dluzej

if(x==0 || x==(len–16)) NutSleep(2000);

x+=dx; // przesuwanie tekstu

if(x==(len–16) || x==0) dx = –dx;

Realizacja wielowątkowości

w systemie Nut/OS

Za przełączanie wątków w sys-

temie Nut/OS odpowiada funkcja

NutThreadSwitch() . Jej kod (dla

architektury AVR) wraz z odpo-

wiednią strukturą switchframe moż-

na znaleźć w pliku arch/avr/os/

context_gcc.c . Funkcja ta nie

jest wykorzystywana bezpośrednio

w aplikacjach, ale warto poznać za-

sadę jej działania.

Podział czasu procesora po-

między poszczególnymi wątkami

w programie z list. 6 przedstawio-

no na rys. 4 . Oprócz utworzonych

przez nas wątków watek1 i wa-

tek2 działają także zainicjowane

przez system wątki main (funkcja

main() ) oraz idle (wątek „jało-

wy” pracujący, gdy pozostałe wątki

są w stanie oczekiwania), a jeżeli

korzystamy z funkcji sieciowych –

jeszcze kilka wątków obsługujących

stos TCP/IP.

O kolejności wykonywania po-

szczególnych wątków przez pro-

cesor decyduje element systemu

operacyjnego nazywany planistą

( scheduler ). Za chwilę pokażę, jak

działa algorytm planisty w systemie

Nut/OS. Ale najpierw trochę deﬁ-

nicji: po pierwsze, każdy z wątków

w Ethernucie może znajdować się

w jednym z niżej wymienionych

stanów:

– TDS_RUNNING – obecnie pracu-

jący wątek,

– TDS_SLEEP – wątek oczekujący

na wystąpienie zdarzenia, za-

kończenie operacji wejścia–wyj-

ścia lub uśpiony na pewien

czas przez funkcję NutSleep() .

Po zakończeniu okresu uśpienia/

oczekiwania wątek przechodzi

w stan TDS_READY,

– TDS_READY – wątek gotowy do

wznowienia pracy.

Po drugie, każdy wątek ma

przypisany priorytet. Jest to liczba

NutSleep(300); // czekamy okolo 300 milisekund

}

}

int CGI_callback(FILE *f, REQUEST *r) // obsługa skryptu CGI – patrz EP

2/2007

{

(....)

if(!strcmp(name,”text”))

{

// parametr text – nowy tekst do wyswietlenia na LCD–ku, kopiujemy go do

zmiennej lcd_text

strcpy(lcd_text, value);

}

(....)

return 0;

}

// watek serwera HTTP – obsluga sterowania aplikacja przez przegladarke WWW

THREAD(http_server, args)

{

TCPSOCKET *s;

FILE *f;

printf(„Poczatek watku http_server!\n\r”);

for (;;) // pętla serwera HTTP – patrz EP 1, 2/2007.

{

(...)

}

}

int main(void)

{

(...) //inicjalizacja

// tworzymy watek serwera WWW

NutThreadCreate(„httpd”, http_server, NULL, NUT_THREAD_MAINSTACK);

// tworzymy watek obslugujacy wyswietlacz LCD

NutThreadCreate(„lcd”, lcd_scrolling, NULL, NUT_THREAD_MAINSTACK);

// ustawiamy najnizszy priorytet watku main

NutThreadSetPriority(254);

// watek main idzie spac...

for(;;) NutSleep(10000);

return 0;

}

z zakresu od 0 do 254, przy czym

wbrew logice: 0 oznacza najwyż-

szy, a 254 – najniższy priorytet.

Priorytet obecnie pracującego wątku

można ustawić za pomocą funkcji

NutThreadSetPriority() . Naj-

wyższe priorytety (od 0 do 31) są

zarezerwowane dla wątków systemu

operacyjnego i nie powinno się ich

ustawiać. Nowo utworzone wątki

mają priorytet równy 64.

Mechanizm działania planisty

w systemie Nut/OS jest następujący:

– jeśli pracujący w danej chwi-

li wątek zwolni procesor, sys-

tem operacyjny przełączy go na

Elektronika Praktyczna 3/2007

109

682288728.139.png

682288728.150.png

KURS

nego z wątków

( list. 6 ). Wów-

czas pracować

będzie tylko ten

wątek, z które-

go usunęliśmy

NutSleep() .

Taka im-

plementacja

wielowątkowo-

ści jest nazywana kooperatywną

( cooperative multithreading ), poza

systemem Nut/OS można ją spo-

tkać w starych Windowsach (wer-

sja 3.x) oraz MacOS do wersji 9.

W nowszych systemach stosuje się

wielowątkowość (wielozadaniowość)

z wywłaszczaniem ( preemptive mul-

titasking ) – wówczas system ope-

racyjny może przerwać aktualnie

pracujący wątek (proces) w dowol-

nej chwili, aby umożliwić pra-

cę innemu. Dzięki temu, system

może działać stabilniej (zawiesze-

nie się jednego procesu nie powo-

duje „zwisu” całego systemu), ale

ceną za to jest mniejsza wydaj-

ność, bardziej skomplikowane jądro

systemu oraz konieczność częstego

stosowania skomplikowanych me-

chanizmów synchronizacji wątków

(muteksy, sekcje krytyczne).

jak w aplikacjach na komputery

PC. Należy przy tym pamiętać,

że mamy do dyspozycji niecałe

32 kB pamięci RAM. Ilość pamię-

ci dostępnej w danej chwili zwraca

funkcja NutHeapAvailable.

Rys. 4. Podział czasu procesora między poszczególnymi

wątkami w programie z list. 6

Wątki w praktyce

Wątki są szczególnie przydatne,

gdy budujemy urządzenie, które ma

wykonywać pewną cykliczną czyn-

ność (np. monitorowanie wejść)

i jednocześnie mieć możliwość ob-

sługi przez sieć Ethernet. Ilustruje

to przykład z list. 7 ( LCD_scroll ).

Jest to program, który wyświetla na

wyświetlaczu LCD zestawu ZL9AVR

animowany tekst, o treści ustawia-

nej za pomocą przeglądarki inter-

netowej. Program tworzy dwa wąt-

ki (patrz rys. 5 ): lcd_scrolling

zajmujący się animacją napisu oraz

http_server – serwer WWW (taki

sam jak w poprzednim odcinku kur-

su) obsługujący stronę umożliwiają-

cą zmianę wyświetlanego tekstu.

wątek znajdujący się w stanie

TDS_READY o najwyższym prio-

rytecie,

– jeśli żaden z wątków nie jest

gotowy (stan TDS_SLEEP ), sys-

tem przełączy się na wątek

idle o najniższym prioryte-

cie.

Zastosowanie takiego algorytmu

ma jedną bardzo poważną konse-

kwencję – przełączenie wątków

jest możliwe tylko gdy obecnie

wykonujący się wątek dobrowolnie

zwolni procesor. Możemy to zro-

bić przez wywołanie jednej z na-

stępujących funkcji (dokładny opis

w ramce):

– NutSleep(),

– NutThreadYield(),

– NutEventWait(),

– NutTcpConnect(), NutTc-

pAccept(), NutTcpRece-

ive(), NutTcpSend() lub

innej blokującej operacji wej-

ścia–wyjścia na gnieździe sie-

ciowym.

Jeżeli o tym zapomnimy, do-

prowadzimy do zawieszenia się

programu – aby się o tym prze-

konać, możemy usunąć wywołanie

funkcji NutSleep() w kodzie jed-

Zarządzanie pamięcią w Nut/

OS

Interfejs programistyczny (API)

systemu Nut/OS udostępnia stan-

dardowe funkcje języka C umoż-

liwiające dynamiczną alokację pa-

mięci – malloc oraz free . Moż-

na je używać w taki sam sposób

Rys. 5. Wykorzystanie wątków w pro-

gramie z list. 7

Ważniejsze funkcje używane w przykładach

void NutThreadYield(void);

Wywołanie tej funkcji powoduje natychmiastowe przełączenie bieżącego

wątku zgodnie z algorytmem planisty systemu Nut/OS.

THREAD(nazwa_funkcji, nazwa_parametru)

Makro generuje deklarację funkcji (wraz z odpowiednimi atrybutami dla

kompilatora) mającej pracować jako wątek. Na przykład wywołanie:

THREAD(moj_watek, argumenty) { kod funkcji }

utworzy funkcję o postaci:

// atrybut noreturn jest podpowiedzia dla kompilatora C, ze funkcja nigdy

sie nie konczy

void moj_watek(void *argumenty) __attribute__ ((noreturn));

void moj_watek(void *argumenty) { kod funkcji }

void NutSleep(u_long ms);

Przerywa działający wątek na czas co najmniej ms milisekund i przełącza

go zgodnie z algorytmem planisty. Rzeczywisty czas, na jaki wątek

zostanie uśpiony zależy od rozdzielczości timera systemowego (domyślnie

62,5 milisekundy). Funkcji NutSleep nie wolno używać do odmierza-

nia precyzyjnych opóźnień!

void NutDelay(u_long ms);

Czeka dokładnie ms milisekund. Bieżący wątek nie jest przełączany.

Funkcję można stosować do precyzyjnych opóźnień.

HANDLE NutThreadCreate(char *name, void (*fn)

(void *), void *arg, size_t stackSize);

Tworzy nowy wątek o nazwie name. Wątek zaczyna swoją pracę od

wywołania funkcji fn z parametrem arg . Przez arg można przekazać

funkcji fn dowolny wskaźnik jako argument (lub podać NULL, jeżeli

go nie potrzebujemy). Wartość stackSize określa rozmiar stosu dla

tworzonego wątku. Domyślna wartość to 768 bajtów (makrodeﬁnicja

NUT_THREAD_MAINSTACK ). Nowo utworzony wątek ma priorytet 64.

void *malloc(size_t), free(void *);

Funkcje alokujące i zwalniające pamięć zgodne ze standardową biblioteką

języka C.

void *NutHeapAlloc(size_t), NutHeapFree(void

*);

Ethernutowe odpowiedniki funkcji malloc() i free() . Można uży-

wać zamiennie z malloc() i free().

u_char NutThreadSetPriority(u_char level);

Ustawia priorytet obecnie pracującego wątku na wartość level . Należy

pamiętać o tym, że wątki tworzone przez użytkownika mogą mięć priory-

tety z przedziału 32…254, przy czym mniejsza wartość oznacza większy

priorytet. Funkcja zwraca wartość priorytetu wątku przed zmianą.

size_t NutHeapAvailable();

Zwraca ilość dostępnej pamięci sterty w bajtach.

110

Elektronika Praktyczna 3/2007

682288728.001.png

682288728.012.png

682288728.023.png

682288728.034.png

KURS

Wielowątkowy serwer WWW

Po stosunkowo długim wykła-

dzie na temat wątków, pokażę

wspomniany we wstępie ulepszo-

ny serwer WWW ze styczniowego

odcinka kursu ( HTTPServerMT ),

umożliwiający monitorowanie sta-

nu przycisków oraz sterowanie wy-

świetlaczem i diodami LED w ze-

stawie ZL9AVR. Istotne fragmenty

jego kodu przedstawiono na list. 8.

Program tworzy wątek obsługujący

animację napisu na LCD (taki jak

w poprzednim przykładzie) oraz pięć

identycznych wątków, rozpoczyna-

jących swoją pracę od wywołania

funkcji httpd_thread . Każdy

z nich wykonuje opisany w poprzed-

nich odcinkach kursu kod serwera

WWW. Jedyną różnicą jest spraw-

dzanie ilości wolnej pamięci przed

wywołaniem funkcji NutHttpPro-

cessRequest – funkcja ta wymaga

co najmniej 8 kB wolnego RAM–u.

Dzięki równoległej pracy kilku wąt-

ków serwera możliwa jest jednocze-

sna obsługa wielu połączeń.

List. 8. Najistotniejsze fragmenty kodu wielowątkowego serwera WWW

// watek serwera HTTP. Uruchamiamy 5 takich na raz ;)

THREAD(httpd_thread, arg)

{

for (;;) // petla serwera WWW

{

(...)// oczekiwanie na polaczenie (NutTcpAccept)

f = _fdopen((int) s, „r+b”);

// Sprawdzamy, czy mamy dostatecznie duzo dostepnej pamieci aby obsluzyc za-

pytanie HTTP – wymagane jest

// co najmniej 8 kB. Jesli nie – czekamy az pozostale watki zwolnia troche

pamieci

while(NutHeapAvailable() < 8192)

{

printf(„Za malo pamieci... czekam az ktos inny ja zwolni :(\n”);

NutSleep(1000);

}

(...) // obsluga zapytania HTTP

}

}

int main(void)

{

char str[10];

int i;

(...) // inicjalizacja

// tworzymy watek obslugujacy animowany napis na LCD

NutThreadCreate(„lcds”, lcd_scrolling, NULL, 256);

// tworzymy 5 watkow serwera WWW.

for(i=0;i<5;i++)

{

sprintf(str,”httpd%d”,i);

NutThreadCreate(str, httpd_thread, NULL, NUT_THREAD_MAINSTACK);

}

NutThreadSetPriority(254);// zmniejszamy priorytet watku main

for(;;) NutSleep(10000); // i idziemy spac

Co dalej?

Niestety ramy tego artykułu nie

pozwalają na wyjaśnienie wszyst-

kich zagadnień związanych z wie-

lowątkowością i wielozadaniowością.

Więcej informacji na temat realizacji

wielowątkowości w Nut/OS można

znaleźć np. na stronie http://www.

ethernut.de/pdf/entet100.pdf . Zainte-

resowanym polecam także lekturę

książki A. Silberschatza „Podstawy

systemów operacyjnych”.

return 0;

}

Za miesiąc wracamy do zagad-

nień stricte sieciowych, czyli Ether-

nut jako klient protokołu TCP/IP.

Tomasz Włostowski, EP

tomasz.wlostowski@ep.com.pl

Kody źródłowe przykładowych programów

znajdują się na płycie CD–EP oraz na stronach

http://ethernut.ep.com.pl oraz

http://wlostowski.ep.com.pl .

arm.ep.com.pl

arm.ep.com.pl

arm.ep.com.pl arm.ep.com.pl

arm.ep.com.pl

Elektronika Praktyczna 3/2007

111

682288728.045.png

682288728.056.png

682288728.067.png

682288728.074.png

682288728.075.png

682288728.076.png

682288728.077.png

682288728.078.png

682288728.079.png

682288728.080.png

682288728.081.png

682288728.082.png

682288728.083.png

682288728.084.png

682288728.085.png

682288728.086.png

682288728.087.png

682288728.088.png

682288728.089.png

682288728.090.png

682288728.091.png

682288728.092.png

682288728.093.png

682288728.094.png

682288728.095.png

682288728.096.png

682288728.097.png

682288728.098.png

682288728.099.png

682288728.100.png

682288728.101.png

682288728.102.png

682288728.103.png

682288728.104.png

682288728.105.png

682288728.106.png

682288728.107.png

682288728.108.png

682288728.109.png

682288728.110.png

682288728.111.png

682288728.112.png

682288728.113.png

682288728.114.png

682288728.115.png

682288728.116.png

682288728.118.png

682288728.119.png

682288728.120.png

682288728.121.png

682288728.122.png

682288728.123.png

682288728.124.png

682288728.125.png

682288728.126.png

682288728.127.png

682288728.129.png

682288728.130.png

682288728.131.png

682288728.132.png

682288728.133.png

682288728.134.png

682288728.135.png

682288728.136.png

682288728.137.png

682288728.138.png

682288728.140.png

682288728.141.png

682288728.142.png

682288728.143.png

682288728.144.png

682288728.145.png

682288728.146.png

682288728.147.png

682288728.148.png

682288728.149.png

682288728.151.png

682288728.152.png

682288728.153.png

682288728.154.png

682288728.155.png

682288728.156.png

682288728.157.png

682288728.158.png

682288728.159.png

682288728.160.png

682288728.002.png

682288728.003.png

682288728.004.png

682288728.005.png

682288728.006.png

682288728.007.png

682288728.008.png

682288728.009.png

682288728.010.png

682288728.011.png

682288728.013.png

682288728.014.png

682288728.015.png

682288728.016.png

682288728.017.png

682288728.018.png

682288728.019.png

682288728.020.png

682288728.021.png

682288728.022.png

682288728.024.png

682288728.025.png

682288728.026.png

682288728.027.png

682288728.028.png

682288728.029.png

682288728.030.png

682288728.031.png

682288728.032.png

682288728.033.png

682288728.035.png

682288728.036.png

682288728.037.png

682288728.038.png

682288728.039.png

682288728.040.png

682288728.041.png

682288728.042.png

682288728.043.png

682288728.044.png

682288728.046.png

682288728.047.png

682288728.048.png

682288728.049.png

682288728.050.png

682288728.051.png

682288728.052.png

682288728.053.png

682288728.054.png

682288728.055.png

682288728.057.png

682288728.058.png

682288728.059.png

682288728.060.png

682288728.061.png

682288728.062.png

682288728.063.png

682288728.064.png

682288728.065.png

682288728.066.png

682288728.068.png

682288728.069.png

682288728.070.png

682288728.071.png

682288728.072.png

682288728.073.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin