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がんまこけい
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1 マルチタスクプログラミング本晋也名古屋学学院情報科学研究科最終更新 2016 年

2 概要アジェンダシングルタスクプログラミングの問題を解決するマルチタスクプログラミングについて学ぶマルチタスクプログラミング環境 R2CA のインストールマルチタスクプログラミング 2

3 マルチタスクプログラミング環境 R2CA のインストール 3

TOPPERS/R2CA (RTE/RTOS compatible with Arduino libraries) ASP

ベースのデバッガを使可能 TOPPERS の問題点の解決開発環境の導や使の敷居がい Arduino IDE

マクロの定義によるタスクの成ライブラリミドルウェアが少ない多くの Arduino ライブラリが使可能 Task1

4 TOPPERS/R2CA (RTE/RTOS compatible with Arduino libraries) ASP カーネルと Arduino ライブラリを組み合わせた環境マルチタスク環境で Arduino ライブラリを使可能 GUI ベースのデバッガを使可能 TOPPERS の問題点の解決開発環境の導や使の敷居がい Arduino IDE をインストールするだけでビルド可能バッチファイルによるビルドが可能安価で性の良い Arduino ボードで実可能マクロの定義によるタスクの成ライブラリミドルウェアが少ない多くの Arduino ライブラリが使可能 Task1 Task2 Task3 Arduino 準拠ライブラリ Arduinoコアライブラリ ASP カーネル Arduino ボード 4

5 R2CA の使法インストールビルド実デバッグプログラミングモデルについて説明 Qiita にもチュートリアル記事がある (R2CA で検索すると出てくる ) 基本的な使い通信インストールとサンプルの実, マルチタスク, 優先度スケジューリング, デバッグ Wifi 通信,Wifi 通信 ( マルチタスク ),CAN 通信 IoT Milkcocoa への接続,ThingSpeak への接続 Shield Zumo,NCES IoT Base Shield MacOSX での使法 TOPPERS/R2CA を MacOSX で動かす 5

必要な機材ホスト PC Windows or Mac OS 本チュートリアルでは Windows で説明 Linux でも動作するはず NCES Arduino M0 Pro 6000 円程度秋,Amazon, Switch Science, マルツパーツ等で購可能 Cortex-M0+ 48MHz/ROM 256KB/RAM 32KB デバッガ機能あり

6 必要な機材ホスト PC Windows or Mac OS 本チュートリアルでは Windows で説明 Linux でも動作するはず NCES Arduino M0 Pro 6000 円程度秋,Amazon, Switch Science, マルツパーツ等で購可能 Cortex-M0+ 48MHz/ROM 256KB/RAM 32KB デバッガ機能あり (EDBG(Atmelʼs Embedded Debugger)) デバッガ機能なしの Arduino M0 もあるが推奨しない ü Arduino UNO との互換性が低いためプログラムの書き換えが必要般的な Arduino ボード (Arduino UNO) との違い ARM(Cortex-M0) を搭載 (UNO 等は AVR) IO が 3.3V (UNO 等は 5V) Nagoya Univ. 6

ツールのインストール Arduino IDE Arduino.org(http://www.arduino.org/downloads) からダウンロード動作確認済みバージョン : 1.7.10!!Arduino.cc ではないため注意!

7 ツールのインストール Arduino IDE Arduino.org( からダウンロード動作確認済みバージョン : !!Arduino.cc ではないため注意!! インストーラによりインストール GCC/Make/GDB/OpenOCD がインストールされるターミナルエミュレータ Teraterm 等をインストール以下のツールはオプション Atmal Studio GUI によるデバッグ 7.0 で確認済み 7

8 R2CA パッケージのダウンロード TOPPERS の Contributed Software から公開 trac svn ダウンロード法 ZIP ファイルをダウンロード rev=245&format=zip SVN クライアントをインストールしてチェックアウト TortoiseSVN, Cygwin の SVN クライアントパッケージの更新頻度がいのでこの法を推奨 8

9 フォルダ構成パッケージのフォルダ覧./arduino_lib : Arduino ライブラリ hardware : コアライブラリ libraries : Arduino 準拠ライブラリ./asp_1.9.2 : Arduino M0 依存部を含む ASP ソースコード./examples./lib : サンプルプロジェクト : R2CA ライブラリ Arduino ライブラリについて Arduino IDE に付属のライブラリがベースバグフィックスやマルチタスク対応のための排他制御をれているライセンスは GPL や MIT libraries には Arduino IDE 付属以外のライブラリも含まれている ESP8266_Arudino_AT, Milkcocoa_Arduino_SDK, ZumoShield, NcesCan 9

10 セットアップ Arduino IDE のインストールパスの設定以下のファイルの C:\Program Files (x86)\arduino の箇所を書き換える example/do_path.bat ü SET ARDUINO_DIR=C:\Program Files (x86)\arduino asp_1.9.1/target/arduino_m0_gcc/makefile.target ボードの接続 ü ARDUINO_BASE_DIR_WIN = C:\Program Files (x86)\arduino M0 の PROGRAMMING ポートと PC を USB ケーブルで接続ドライバがインストールされ,COM ポートと EDBG が認識される COM ポートの番号を確認して,Teraterm 等で bps で接続 10

11 プログラムの覧フォルダ : \examples\multitasktext シングルタスクプログラム (SingleTask) プログラム 1,2,3,4 をマクロで選択して実可能プログラム 5R(LEDBlink_CLEDBlink) プログラム 5 をマルチタスクで実現プログラム 8R(Interrupt) プログラム 8 をマルチタスクで実現 ( タスク起動を使 ) プログラム 9(Exclusion) プログラム 8 にカウンタをクリアする処理を追加 11

12 プログラムの実シングルタスクプログラムをビルド & 実するフォルダ : \examples\multitasktext\singletask ユーザープログラム等 Makefile rca_app.h : ライブラリやファイルの指定 : ユーザープログラムヘッダーファイル rca_app.cpp : ユーザープログラムプログラムファイル rca_app.cfg : コンフィギュレーションファイル ( 静的 API を記述 ) pitches.h バッチファイル do_make.bat : ビルド do_run.bat : プログラムで使するヘッダファイル : ビルド & 書き込み & 実 do_clean.bat : ファイルのクリーン do_debug.bat : ビルド & 書き込み & デバッグ AtmelStudio ファイル rca.atsln,rca.componentinfo.xml,rca.cproj 12

13 サンプルの実 : プログラムの選択 \examples\multitasktext\singletask\rca_app.cpp には, シングルタスクプログラミングのプログラム 1,2,3,4 のいずれかを選択可能有効にするプログラムのマクロのコメントアウトを外す同時に有効可能なプログラムは 1 個まで #define LED_BLINK プログラム 1 : 1000m 周期で LED を点滅 #define CLED_BLINK プログラム 2 : 250ms 周期で Change LED のを変更 #define TOUCH_SENSE プログラム 3 : Touch センサの検知による LED の ON/OFF 切り替え #define LUX_SENSE プログラム 4 : 光センサの値の OLED への出 13

$h #define LED_PIN 4 void setup() { pinmode(led_pin, OUTPUT); void loop() { digitalwrite(led_pin, HIGH); delay(1000); digitalwrite(led_pin, LOW);$

14 サンプルの実 : プログラムの内容 R2CA ヘッダ (rca.h) のインクルード以外は Arduino と同等のプログラムを実可能 setup() : 起動時に度だけ実される関数 loop() : 繰り返し実される関数 #include "rca.h #define LED_PIN 4 void setup() { pinmode(led_pin, OUTPUT); void loop() { digitalwrite(led_pin, HIGH); delay(1000); digitalwrite(led_pin, LOW); delay(1000); 14

15 サンプルの実 : ビルド do_make.bat をダブルクリックするとビルドが開始される ASP カーネル &Arduino ライブラリ & ユーザープログラムがビルドされてダウンロードファイルが成される check complete が出ればビルドは成功 rca.elf が出来ている 15

16 サンプルの実 : 実 do_run.bat をダブルクリックすると書き込みがわれる OpenOCD による書き込み書き込み後に実される書き込み 16

17 マルチタスクプログラミング 17

18 プログラム 5R(LEDBlink_CLEDBlink) プログラム 5 をマルチタスクで実現 1000m 周期で LED を点滅させる 250m 周期で Change LED のを変更 LED 1000ms 1000ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms CLED LED タスク 1000ms 1000ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms 250ms CLED タスク 18

$LED_PIN 4 void setup() { pinmode(led_pin, OUTPUT); void loop() { digitalwrite(led_pin, HIGH); delay(1000);$ $task1_setup() { leds.init(); void task1_loop() { int i; for(i = 0; i < 25; i++){ leds.$

19 プログラム 5R : プログラミングタスク構成 setup()/loop() を実するタスクをメインタスクと呼ぶ task1_setup()/task1_loop() はタスク 1 と呼ばれるタスクにより実される起動時は両のタスク共に実可能状態優先度は等しい起動時の優先順位はメインタスクがい両タスク共にシングルタスクと同じコードを実タスクの実メインタスク実状態になり delay() により待ち状態となると, タスク 1 を実状態として再び delay() により待ち状態となるその後は待ち状態がタイムアウトしたタスクを起床させ, 実可能状態として処理を継続する #define LED_PIN 4 void setup() { pinmode(led_pin, OUTPUT); void loop() { digitalwrite(led_pin, HIGH); delay(1000); digitalwrite(led_pin, LOW); delay(1000); #define NUM_LEDS 1 ChainableLED leds(8, 9, NUM_LEDS); void task1_setup() { leds.init(); void task1_loop() { int i; for(i = 0; i < 25; i++){ leds.setcolorrgb(0, i*10, 0, 0); delay(10);. 19

20 プログラム 8R(Interrupt) プログラム 8 をマルチタスクで実現 ( タスク起動を使 ) LED タスクは起動後, 起床待ち API を呼び出して待ち状態へ Touch センサが OFF-ON-OFF すると割込みハンドラから起床 API を呼び出して起床させ, 実可能状態へ LEDタスクはLEDを点灯させた後, 時間経過待ちAPIにより,2 秒間の待ち状態となる ON Touchセンサ OFF OFF OFF 検出状況割込みハンドラ LED LED タスク OFF ON 起床待ち起床 OFF 点灯処理 2000ms 時間経過待ち消灯処理 NCES センサタスク Nagoya Univ. 20

$ID(RCA_TASK1) を指定 void CheckTouch(){ int TouchValue = digitalread(touch_pin); if ((PreTouchValue == 0) && (TouchValue == 1) &&$ $iwup_tsk(rca_task1); PreTouchValue = TouchValue; 起床 void setup() { Wire.$ $begin(); attachinterrupt(touch_pin, CheckTouch, CHANGE); void loop() { int lux; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.$

21 プログラム 8R(Interrupt): プログラムタスク構成メインタスク : センサタスクタスク 1 : LED タスクタスク起床待ち API : slp_tsk(); タスク起動 API : iwup_tsk() タスク 1 の ID(RCA_TASK1) を指定 void CheckTouch(){ int TouchValue = digitalread(touch_pin); if ((PreTouchValue == 0) && (TouchValue == 1) && (TouchState = 0)) { TouchState = 1; if ((PreTouchValue == 1) && (TouchValue == 0) && (TouchState = 1)) { TouchState = 0; iwup_tsk(rca_task1); PreTouchValue = TouchValue; 起床 void setup() { Wire.begin(); attachinterrupt(touch_pin, CheckTouch, CHANGE); void loop() { int lux; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); SeeedOled.putNumber(OLEDCount++); SeeedOled.putString(" "); void task1_setup() { void task1_loop() { slp_tsk(); digitalwrite(led_pin, HIGH); dly_tsk(2000); digitalwrite(led_pin, LOW); 21

22 プログラム 9 プログラム 8 に光センサ表カウンタ (OLEDCount) をクリアする処理を追加センサタスク : OLEDに表する毎にインクリメント LEDタスク : 割込みハンドラから起動されたら0クリアする NCES Touch センサ検出状況割込みハンドラ LED LED タスク OLEDCount センサタスク OFF OFF Nagoya Univ. 3 ON ON 起床待ち起床 OFF OFF 点灯処理 2000ms 時間経過待ち OFF 消灯処理クリア 22

$プログラム 9 : プログラムセンサタスク OLCD への表前にローカル変数に読み込み, 表後にインクリメントして書き戻す LED タスク起床した後 (slp_tsk() からリターン )OLEDCount を 0 にする void setup() {$ $putString(" "); OLEDCount = lcount; void task1_setup() { void task1_loop() { slp_tsk(); OLEDCount = 0; digitalwrite(led_pin, HIGH);$

23 プログラム 9 : プログラムセンサタスク OLCD への表前にローカル変数に読み込み, 表後にインクリメントして書き戻す LED タスク起床した後 (slp_tsk() からリターン )OLEDCount を 0 にする void setup() { Wire.begin(); attachinterrupt(touch_pin, CheckTouch, CHANGE); void loop() { int lux; int lcount; lcount = OLEDCount; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); SeeedOled.putNumber(lcount++); SeeedOled.putString(" "); OLEDCount = lcount; void task1_setup() { void task1_loop() { slp_tsk(); OLEDCount = 0; digitalwrite(led_pin, HIGH); dly_tsk(2000); digitalwrite(led_pin, LOW); 23

24 プログラム 9 : 問題カウンタがクリアされない場合があるセンサタスクが値をローカル変数に保持している間に LED タスクが OLEDCount を更新した場合, その結果がセンサタスクによって上書きされる割込みハンドラ LED タスク起床待ち時間経過待ち OLEDCount クリア 0 5 lcount センサタスク 24

プロセッサレベルでは複数の処理となるためその間で割り込まれる可能性がある (1)

25 プログラム 9 : 問題の解決ローカル変数を使わず C 語 1 で記述する発頻度は下がるが本質的な解決にならないプロセッサレベルでは複数の処理となるためその間で割り込まれる可能性がある (1) メモリのレジスタへの読みこみ, (2) 計算, (3) レジスタのメモリへの書き戻し void loop() { int lux; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); SeeedOled.putNumber(OLEDCount++); SeeedOled.putString(" "); (1) ldr r2, [r, #0] (2) adds r2, #1 (3) str r2, [r3,#0] OLEDCount レジスタ 3 (1) (2) (3)

26 プログラム 9 : 問題の解決排他制御機構をいる OLEDCount を更新する場合には排他制御をい, 他の処理がアクセスしないようにする割込みハンドラ LED タスク OLEDCount 3 起床待ち 4 排他待ち 5 0 クリア 0 1 センサタスク 26

27 プログラム 9 : 問題の解決使する排他制御機構を選択する割込み禁 I2C 通信が割込みを使するため今回は使出来ないディスパッチ禁 I2C 通信が時間待ちを伴うため今回は使出来ない優先度を上げる使可能だが動的な優先度変更は可能な限り使わないがよいセマフォ今回はこれを使する 27

28 セマフォ (Semaphore) 使されていない資源の有無や数量をセマフォの資源数として管理することにより排他制御を実現資源を使する前にセマフォ資源を獲得し, 資源を使した後にセマフォ資源を返却する. 資源が全て使されていれば, セマフォ資源獲得の時点で待ち状態になるプログラムの実複数のタスクで使するセマフォの獲得資源の使セマフォの返却クリティカルセクション競合するタスク間で排他制御が必要な区間 28

29 セマフォ (Semaphore): サービスコールサービスコール CRE_SEM sig_sem, isig_sem wai_sem, pol_sem, twai_sem セマフォの成セマフォ資源の返却セマフォ資源の獲得語源鉄道の単線区間で進制御にいていた輪. 単線区間にる場合は, この輪 ( セマフォ ) を取る輪 : セマフォ列 : タスク単線区間 : 資源 29

30 セマフォ (Semaphore): セマフォ操作セマフォ獲得 : セマフォ資源があれば獲得して実を継続. なければ, 資源が解放されるまで待つセマフォ返却 : セマフォ資源を返却し, その時点で待っているタスクがあれば, そのタスクに資源を渡し待ちを解除するタスク1 セマフォタスク2 ( 優先度 : 低 ) (SID1) ( 優先度 : ) 時間共有資源の操作ディスパッチ wai_sem(sid1) セマフォ獲得要求セマフォ獲得 sig_sem(sid1) セマフォ返却資源数 =1 資源数 =0 wai_sem(sid1) セマフォ獲得要求セマフォ獲得起動共有資源の操作待ち状態 ( セマフォ獲得待ち ) 待ち解除, ディスパッチ 30

${ int lux; int lcount; wai_setm(count_sem); lcount = OLEDCount; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.$ $putString(" "); OLEDCount = lcount; sig_setm(count_sem); セマフォの宣 (rca_app.cfg) void loop() { int lux; lux = TSL2561.$ readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); wai_setm(count_sem); SeeedOled.

readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); wai_setm(count_sem); SeeedOled.

31 プログラム 9 : セマフォの使 OLEDCount のアクセスの前にセマフォを取得 OLEDCount の更新後セマフォを返却センサタスク ( ローカル変数版 ) センサタスク ( グローバル変数版 ) LED タスク ) void loop() { int lux; int lcount; wai_setm(count_sem); lcount = OLEDCount; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); SeeedOled.putNumber(lcount++); SeeedOled.putString(" "); OLEDCount = lcount; sig_setm(count_sem); セマフォの宣 (rca_app.cfg) void loop() { int lux; lux = TSL2561.readVisibleLux(); SeeedOled.setTextXY(0, 0); wai_setm(count_sem); SeeedOled.putNumber(OLEDCount++); sig_setm(count_sem); SeeedOled.putString(" "); CRE_SEM(COUNT_SEM, { TA_TPRI, 1, 1 ); void task1_loop() { slp_tsk(); wai_setm(count_sem); OLEDCount = 0; sig_setm(count_sem); digitalwrite(led_pin, HIGH); dly_tsk(2000); digitalwrite(led_pin, LOW); 31

32 まとめ 32

33 まとめシングルタスクプログラミングの問題を解決するマルチタスクプログラミングについて学ぶ独した処理の並列実時間的な処理順序は OS が決定して実処理内容を独させることが出来る割込みからのタスクの起動割込み発後に待ち状態を伴う処理を実可能排他制御共有する変数の更新で不整合の発を抑制排他の状況により使する機構を選択する 33

SpeC記述のC記述への変換（SpecCによるソフトウェア記述の実装記述への変換）

SpeC記述のC記述への変換（SpecCによるソフトウェア記述の実装記述への変換）シングルタスクプログラミング本田晋也名古屋大学大学院情報科学研究科准教授 TOPPERSプロジェクトシニアテクニカルエキスパート honda@ertl.jp 最終更新 2016/6/27 1 自己紹介所属名古屋大学情報科学研究科組込みリアルタイムシステム研究室 TOPPERSプロジェクト TOPPERS/R2CA 設計開発メンテ最近注力している内容 TOPPERS/ASP GR-PEACH