Agenda Sistemas de tiempo Real y Sistemas embebidos Introducción a los RTOS embebidos y a FreeRTOS Ports, manejo de Memoria y configuración Control del Kernel y de la Tarea Sincronización y Comunicación entre tareas El por qué del Driver Partes de un Driver Desarrollo de un Driver Tipos de Drivers Drivers desarrollados Ejemplo de uso – audio player con FreeRTOS Conclusiones Bibliografía Preguntas
Sistemas de tiempo Real y Sistemas embebidos /2 Problemas específicos de los sistemas de tiempo real Tiempos de respuesta estrictos Impredictibilidad del comportamiento del entorno Necesidad de accion rapida ante errores
Problemas específicos de los sistemas de software Atomicidad Estancamiento Sincronizacion Concurrencia Condiciones de carrera Secciones criticas Desbordes de memoria Paralelismo Tiempos de desarrollo del sistema Mantenimiento del sistema
Problema específicos de los sistemas embebidos Parte integral de un sistema mas grande Heterogeneidad de dispositivos Memoria de datos y de programa reducida Alto acoplamiento del código con el Hardware Baja potencia de computo Monoliticos
Introducción a los RTOS embebidos /1 Variante de un sistema operativo, donde se asegura un resultado computacional en un periodo predecible de tiempo. RTOS para sistemas embebidos! No sistemas complejos de tiempo real * Dominio total del algoritmo de scheduling Acceso rápido al hardware Tiempos reducidos de reaccion (ms vs ns) Capacidad de priorización Generalmente diseñados para funcionar con memoria reducida y baja potencia de computo. Suelen ser monolíticos,en una sola imagen binaria se alberga el kernel y las aplicaciones Drivers simples de una sola capa,lo que los hace mas rápidos comparado con kernels que usan drivers multicapa.
Introducción a Especificaciones:
Micro kernel que provee un sistema operativo en tiempo real priorizable, tanto cooperativo, “preventivo” o mixto.
Pensado para microcontroladores , cuenta con mas de 23 ports avalados para las diferentes arquitecturas y compiladores.
API totalmente documentada y con ejemplos.
Escrito en su mayoria en C, es liviano en tamaño de codigo y en uso de memoria RAM.
Ambiente de desarrollo multiplataforma, de codigo abierto y de libre uso.
Ports /1 Un port, es una porcion específica del codigo del sistema operativo. Se lo conoce tambien como Board Support Package Conecta la logica del RTOS con el hardware especifico del procesador. Debe tener en cuenta las especificaciones del compilador que se usa. El diseño de un port de un RTOS no es trivial.
Configuración FreeRTOSConfig.h Modifica en tiempo de compilación el modo de ejecucion del RTOS. configUSE_PREEMPTION configCPU_CLOCK_HZ configTICK_RATE_HZ configMAX_PRIORITIES configMINIMAL_STACK_SIZE configTOTAL_HEAP_SIZE configMAX_TASK_NAME_LEN configUSE_USE_MUTEXES configUSE_CO_ROUTINES #define INCLUDE_vTaskDelete 1
Control en ejecución del kernel /1 Metodos de distribución del procesador: Subdivision en el tiempo Basado en eventos FreeRTOS soporta AMBOS Algoritmos de administracion de tareas: Cooperativo (la tarea relega el procesador) Preventivo (el OS administra el procesador) Priorizacion de tareas: FreeRTOS permite controlar el numero de prioridades La tarea de mas alta prioridad es la que se ejecuta Posibilidad de inversion de prioridades en el modelo cooperativo FreeRtos permite prioridades iguales Round Robin
Control en ejecucion del kernel /2 Modifican el manejador de tareas del RTOS en tiempo de ejecucion. taskYIELD() taskENTER_CRITICAL() taskEXIT_CRITICAL() taskDISABLE_INTERRUPTS() taskENABLE_INTERRUPTS() vTaskStartScheduler() vTaskEndScheduler() vTaskSuspendAll() xTaskResumeAll()
Control de la tarea /1 Una TAREA es la unidad basica de ejecucion de un RTOS. Las tareas se ejecutan con su propio contexto independiente de cualquier otra instancia, con lo que su consumo de memoria es alto y su tiempo de ejecucion considerable. Pueden existir multiples instancias de la misma tarea. Las co-rutinas comparten el mismo contexto entre diferentes instancias (consumen una sola pila), son de ejecucion rapida pero tienen restricciones en cuanto a donde y como se pueden ejecutar y solo funcionan en modo cooperativo. Si no esta instanciada no ocupa memoria ni tiempo de procesador
Control de la tarea /2
Es interrumpible por: IRQ de Hardware Cambio de prioridades Cambio de contexto del RTOS Cambios de estado forzados desde la tarea
APIs que modifican el flujo de control de la tarea e indirectamente del kernel: XtaskCreate / VtaskDelete VtaskDelay / vTaskDelayUntil UxTaskPriorityGet / vTaskPrioritySet VtaskSuspend / vTaskResume / vTaskResumeFromISR
Control de la tarea /3 Arranque del RTOS y de una Tarea “Demo” y destruccion: static void vDemo( void *pvParameters ) { for ( ; ; ) { vTaskDelay( 1000 ); vTaskDelete(xHandle); } }
/*Main Program*/ int main( void ) { prvSetupHardware(); xTaskCreate( vDemo, "Demo", STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, xHandle ); vTaskStartScheduler(); return 0; }
Control de la tarea /4 Uso del Stack de Memoria: static void vDemo( void *pvParameters ) { portLONG lData[1000]; for ( ; ; ) { func_1(); } }
void func_1(void) { portCHAR cData_1[1000]; func_2(); }
void func_2(void) { portCHAR cData_2[1000]; process(); }
STACK_SIZE vdemo()
lData[]
func_2()
cData_2[]
func_1()
cData_1[]
Sincronización de la tarea /1 Una tarea no es util si no interactúa con otros procesos. Se requiere que permita sincronizar, proteger y compartir. FreeRTOS ofrece Semaforos y Mutex. Pueden correr en una tarea o en código de interrupciones. Los semaforos permiten la sincronización entre dos tareas, siendo una la que espera (Take) y otra que la dispara o libera(give) Los semaforos pueden ser binarios o contadores. Dar incrementa Si esta en su maximo no incrementa Tomar decrementa Si es cero y se lo toma bloquea Los Mutex son una especializacion de los semaforos binarios, permiten la proteccion para el acceso de un recurso comun serializado.
Sincronización de la tarea /2 API's de sincronización: VsemaphoreCreateBinary VsemaphoreCreateCounting XsemaphoreCreateMutex XsemaphoreCreateRecursiveMutex XsemaphoreTake XsemaphoreTakeRecursive XsemaphoreGive XsemaphoreGiveRecursive xSemaphoreGiveFromISR
Sincronización de la tarea /3 Ejemplo de captura de recurso compartido: Creación de recurso: vSemaphoreCreateBinary(sem1);
Captura y liberación de recurso (2 procesos iguales): if (xSemaphoreTake(sem1, (portTickType) 1000 ) != pdTRUE) { return ERROR; }
doProcess();
xSemaphoreGive(sem1);
Sincronización de la tarea /4 Ejemplo de sincronización, productor y consumidor: Creación de recurso: VsemaphoreCreateCounting(sem1, 0);
Consumidor: if (xSemaphoreTake(sem1, (portTickType) portMAX_DELAY ) != pdTRUE) { return ERROR; } processData();
Productor: feedData(); xSemaphoreGive(sem1);
Comunicación entre tareas /2 Colas de mensajes: Creacion de una cola: xQueue = xQueueHandle xQueueCreate(lenght, size);
Envio de datos por cola: xQueueSend(xQueue, itemToQueue, timeOut);
Recepcion de datos por cola: xQueueReceive(xQueue, itemToDeQueue, timeOut);
Resumen Tarea no instanciada no ocupa tiempo en el manejador (scheduler) ni RAM. Tarea en demora o en espera de eventos (semaforo o cola) no consume tiempo de procesador (Idle waiting) Evitar busy waiting!! While ( !done ) { }; Crear objetos del RTOS consume tiempo y memoria, usar con criterio!!!
El por qué del Driver Abstraen la logica del dispositivo de la funcionalidad genérica. Permite la reusabilidad del driver en diferentes aplicaciones Permite la independencia de la aplicacion en diferentes arquitecturas Permite sincronizar eventos del hardware con eventos del RTOS Permite considerar al procesamiento del hardware como una tarea mas del sistema Los periféricos son lentos comparados a la CPU
Partes de un Driver/2 Hardware Driver Capa de Abstracción del hardware (HAL)
Virtualiza el hardware de la plataforma para que diferentes drivers puedan ser portados facilmente en diferentes hardwares.
Puede ser tan simple como define en un archivo de cabeceras (header file) hasta una capa completa de código a la cual se interfacea.
HAL
Desarrollo de un driver Código en espacio de aplicación: Llamadas a la interface del driver (APIs) Usan el hilo del programa que lo llama Previamente instanciado (como un servicio) Usan su propio hilo Pueden ser instanciados y/o removidos del scope del kernel La mayoria del procesamiento se encuentra aqui Código en interrupciones: Es irremovible, se ubica en tiempo de compilación Es simple y corto Solo se toman los datos KISS (Keep it simple Silly)
Desarrollo de un driver /1 Puntos importantes: Requerimientos para el driver Tiempo de respuesta Capacidades de direccionamiento Especificaciones del hardware Encuestado (Polled) Basado en IRQs Basado en DMA Mixtos
Desarrollo de un driver /2 Secciones Criticas: Porción de código que debe ser tratada atómicamente Una vez entrado en sección critica no se interrumpe Generalmente acceden a un recurso de HW Deben ser serializables Tipos de secciones criticas En espacio de aplicación En espacio del kernel En espacio de interrupciones Métodos de protección según severidad Baja: Mutex () Media: evitar cambio de contexto Alta: Evitar cierto tipo de interrupciones Evitar interrupciones dentro de interrupciones Mas Alta!: Deshabilitar interrupciones globales
Tipos de drivers /1 Interface humana Entrada Teclados matriciales Pulsadores Touch pads Mouse Salida Pantallas LCD de caracteres LCD Graficas VGA Sonido DACs Codecs De comunicaciones Usart SPI I2C I2S USB De temporizacion Timers Counters PWM / CCP De entrada salida Controladores de memoria Controladores de puertos
Tipos de drivers /2 Sincrónicos Tambien llamados bloqueantes. Por diseño la tarea que llama al driver esperara el resultado de la operación por la cual consulto. No significa que otras tareas no puedan ocupar el tiempo del procesador. Una vez completado se despertara a la tarea en espera y consumira su resultado. Son mas simples que otro tipo de drivers. Suelen utilizarse semáforos binarios para tal fin. Se utilizan al menos 2 semáforos: Uno para garantizar la captura del recurso (mutex) Otro para informar la conclusion de la tarea.
Tipos de drivers /3 Ejemplo driver sincrónico Tarea 1 Tarea 2 T T Tarea 2
Tipos de drivers /4 Ejemplo driver sincronico unsigned portCHAR cSendFrame(pI2sSendData pData) { unsigned portCHAR errCode; if (xSemaphoreTake(xMutex, (portTickType) xBlockTime ) != pdTRUE) //Intento tomar mutex { return ERR_SEM_TIMEOUT; } DoBgProcess(); //Proceso del HW en segundo plano if (xSemaphoreTake(xSem, (portTickType) xBlockTime ) == pdTRUE) //Espero que complete { errCode = SUCCESS; } else { errCode = ERR_TASK_TIMEOUT; } xSemaphoreGive(xMutex); //Libero Mutex return errCode; }
void vI2sISR(void) { if (completed) { takeData(); xSemaphoreGiveFromISR(xSem, &xN); //Señalo evento de finalización } }
Tipos de drivers /5 Asincrónicos Por diseño la tarea que llama al driver puede continuar ejecutando sin esperar el resultado de la operación que pidio. Oportunidad para avanzar tareas hasta que la operación este lista. Mucho mas complejos de diseñar y a veces innecesarios Mas impredecibles en su comportamiento Metodos: Poll Señales / Slots Callback
Tipos de drivers /6 Tarea 1 Driver IRQ Soft Hardware Cola Ejemplo de driver asincrónico (Polled):
Tipos de drivers /7 Tarea 1 A Driver Ejemplo de driver asincrónico (Callback): Tarea 1 B Tarea 1 B T
Drivers desarrollados Lista de drivers desarrollados para FreeRTOS Puerto serie SPI I2S Fat LCD gráfico Timer
Ejemplo de uso – audio player con FreeRTOS FreeRTOS
Hardware SPI Driver SPI SD/MMC I2S AUDIO CODEC I2S Driver Servicio RTC diskio Chan’s FATFS Aplicativo reproductor de archivos WAV TIMER PORT Consulta RTC Hardware externo SOC
Conclusiones Los RTOS: Consumen mas tiempo de procesador Consumen mas memoria Reducen la incertidumbre Reducen el tiempo de desarrollo Mejoran la mantenibilidad Mejoran la Abstraccion Mejoran la independencia de tareas Mejoran la escalabilidad Son menos suceptible a errores Permiten facilemente la priorizacion Facilitan la portabilidad
Bibliografía Using the FreeRTOS Real time Kernel, a Practical Guide – Richard Barry http://freertos.org Architecture of Device I/O Drivers" – David Kalinsky, Ph.D. Linux Device Drivers, Third Edition – Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, and Greg Kroah-Hartman An embedded Software Primer – David E. Simon http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html http://www.cs.brown.edu/courses/csci1600/handouts/notes/ipc.pdf http://sistemasembebidos.com.ar/foro
Placa ARM7TDMI adaptada de LQFP64 a PDIP (XTAL, USB y JTAG)
Ejemplo de uso para medicion de acelerometros