será compatível com CMSIS-RTOS ?

(1)

26 e 27 de Agosto, 2014

Transamérica Expo Center, São Paulo/SP

Por que o seu próximo RTOS

será compatível com CMSIS-RTOS ?

Douglas Renaux

eSysTech (sócio – Engenharia)

(2)

Porque usar um RTOS ?

^(1/5)

1. Aumento da complexidade das aplicações ao longo dos anos:

– Comparar 80’s 90’s 00’s 10’s

(3)

80’s - 8051

Controlador de

impressora de cheque

• 8032

• 256 bytes RAM

• 24K EPROM

• Serial – Timer - I/O

• Assembly

• Bare-metal

(4)

90’s – 80186

Módulo de

central telefônica

• 80186

• 16K RAM

• 32K EPROM

• SDLC

• C/C++ (DOS)

• PET (library)

(5)

2000’s – ARM7TDMI

Sistema Telemetria

• ARM7TDMI

• 1 M RAM

• 16 M Flash

• Conectividade

• X Real-Time Kernel (lib)

• C++

USB/Eth/3G/Prot. Rádio

(6)

10’s - Cortex

Automação Predial

• Cortex-M4

• 128K RAM

• 512K Flash

• USB/Eth/WiFi/…

• RTOS (muitas opções)

Telemedicina

• Cortex-A8

• 512M DDR2

• 16 G Flash

• Android

(7)

Porque usar um RTOS ?

^(2/5)

• Aumento da Complexidade do SW

– Aplicações recentes seriam

extremamente difíceis de desenvolver em um RTOS.

– Uso intensivo de bibliotecas:

USB – TCP/IP – WiFi – 3/4G – gráfica Cada biblioteca tem seus requisitos temporais para operação.

Necessidade de um gerenciador da operação/temporização dos diversos módulos de SW

(8)

Porque usar um RTOS ?

^(3/5)

2. Bibliotecas prontas:

– TCP/IP, WiFi, 3/4G – USB

– CAN

– Gráfica

3. Reduzir TTM

-> aumentar equipe/paralelismo

Divisão da tarefa de desenvolvimento de SW entre vários programadores que trabalham concorrentemente

(9)

Porque usar um RTOS ?

^(4/5)

4. Modularidade da solução

Tarefas com finalidades específicas

• Facilita reuso

• Facilita teste

• Facilita integração

• Facilita gerenciamento (tempo-

periodicidade, deadline, prioridade)

• Facilita a divisão de atividades de desenvolvimento

(10)

Porque usar um RTOS ?

^(5/5)

5. Separation of Concerns

(Separação de Preocupações)

– Lógica de cada atividade (função) – Temporização

– Inter-relacionamento

6. Ferramentas de depuração

Visualizador de execução

(11)

O que é um RTOS ?

• Sem RTOS:

– Empresa individual = 1 pessoa faz tudo

• Telefone, visitantes, adm (banco, contabilidade,

fisco, contas a pagar, receber), vendas, divulgação, compras, …

Como seria o treinamento desta pessoa (programa) ?

• Regras do que fazer

+Regras de como priorizar

(12)

O que é um RTOS ?

1 pessoa para cada tipo de atividade

Treinamento

(programação) muito mais simples.

Reuso !

• Com RTOS:

– Trabalho em equipe

• Muitas pessoas, cada qual com seu papel específico.

(13)

• Em um time de pessoas (equipe) é

menos complexo definir o trabalho de cada um.

• Não há necessidade de uma pessoa ficar mudando sua atividade o tempo todo

– Modularidade

– Separation of Concerns

– Separação atividade x controle atividade – Reuso

(14)

Problema real

• Sistema embarcado com:

– 3 portas seriais 115kbps = 1 char / 100u – USB = 1 pacote de 1K a cada 125us

– IHM – touch – IHM – LCD – 5 atividades:

• A1: 2 ms leitura touch

• A2: 7 ms processamento numérico dados USB

• A3: 500 us protocolo USB

• A4: 100 ms – sistema de menus

• A5: …

Como seria o fluxo de controle num algoritmo único para tratar de todas

estas atividades ?

(15)

Problema real

• Sistema embarcado com:

– 3 portas seriais 115kbps = 1 char / 100u – USB = 1 pacote de 1K a cada 125us

– IHM – touch – IHM – LCD – 5 atividades:

• A1: 2 ms leitura touch

• A2: 7 ms processamento numérico dados USB

• A3: 500 us protocolo USB

• A4: 100 ms – sistema de menus

• A5: …

Como seria o fluxo de controle num algoritmo único para tratar de todas

estas atividades ?

(16)

Implementando Concorrência

(17)

Multithreading

(múltiplas linhas de execução)

PV1 PV2 … PVn RTOS

HW

Proc.

Mem. Perif

Proc 1

Memória Compartilhada Periféricos Compartilhados

Proc n

…

(18)

Multithreading

(múltiplas linhas de execução)

PV1 PV2 … PVn RTOS

HW

(19)

Mas afinal, qual a mágica por trás do RTOS ?

• Cria processadores virtuais idênticos

– Cada qual com seus registradores e sua pilha

• Soma da capacidade de

processamento de todos eles é igual ao do MCU

• Multicore

– Muito mais proc. Virtuais do que cores

(20)

Regiões de Memória

Flash

CODE (.text) (.const)

RAM

HEAP

STACK

DATA (.data)

(.bss)

CPU

Registradores

para um programa sequencial:

(21)

Flash

CODE (.text) (.const)

RAM

HEAP DATA (.data)

(.bss)

CPU

Registradores

RAM

Multithreading

(múltiplas linhas de execução)

STACK 1 Regs 1

RAM

STACK n Regs n

…

(22)

Estados das Tarefas

(23)

Olhando no tempo:

granularidade grossa

Thread 1 Thread 2 Thread 3 Thread 4

t₀ t₀ +1s t₀ +2s t₀ +3s

(24)

Olhando no tempo:

granularidade fina

t₀ t₀ +1ms t₀ +2ms t₀ +3ms

(25)

RTOS

• A área de Engenharia de Sistemas Embarcados já descobriu há

décadas a importância de se usar um RTOS (70s)

• Nestes 40 anos, inúmeros RTOS surgiram no mercado

– Comerciais

– FOSS (Free and Open Source SW) – Silicon vendor

(26)

Cenário Atual

2013 Embedded Market Study – UBM Tech POSIX

Android / Linux Windows CE Other RTOS

8/16/32 bits (Cortex-M)

(27)

Cenário Atual

2013 Embedded Market Study – UBM Tech POSIX

Android / Linux Windows CE Other RTOS

8/16/32 bits (Cortex-M)

(28)

Cenário Atual

• Case 1:

Update de produto existente

Mais funcionalidade (WiFi / USB / GLCD) Trocar ARM7TDMI por um Cortex-M4

Mudar o Silicon Vendor Usar o RTOS do SV

Reuso ??

(29)

Cenário Atual

• Case 2: (middleware provider)

– Desenvolvemos uma biblioteca de funções de navegação usando GPS.

– Roda sobre RTOS

• Temporização

• Comunicação com GPS

– Para qual plataforma (arquitetura+RTOS) devemos fornecer ?

(30)

Cenário Atual

• Case 3: (treinamento)

– Nova alternativa de RTOS no mercado.

– Muito interessante dos pontos de vista técnico e mercadológico.

– Toda nossa equipe de engenharia treinada para o RTOS antigo !!!

(31)

ARM

(32)

Mas qual o problema afinal ?

1. ARM

2. Si Vendor

3. Desenvolvedores

(DesignHouse/Integrator)

4. Consumidor Final

(33)

• v 1.0 (2008)

– Drivers API

• v 2.0

– DSP Lib

• v 3.0 (2012)

– API RTOS

– DAP (Debug)

• V 4.0 (2014)

– CMSIS-Driver – CMSIS-Pack

CMSIS

(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)

(34)

• Task Management

• Timing (delay, timers)

• Signals

• Semaphore / Mutex

• Memory Pool

• Message Queue

• Mail Queue

CMSIS-RTOS Funcionalidades

(35)

CMSIS-RTOS Evaluation

CMSIS POSIX VxWorks FreeRTOS X Real-Time

Kernel Process x Thread

Single Threaded Process Multiple Threaded Process Multi Threaded

Preemption

Priority Levels 7 ≥ 32 256 config.(typ. 5) 32

Multiple tasks at same priority level

Static x Dynamic priorities both both both both both

Timers

Resolution / Precision 1ms/1tick - config. config.(typ. 4ms) 1ns/1clk

Single-Shot x Periodic both single-shot single-shot both both

Notification Callback Signal Signal Callback Callback / IRQ /

Assync. Msg Timing services

Delay (Resolution / Precision) 1ms/1tick ticks ticks ticks 1ns/1clk

Microseconds Delay Semaphore / Mutex

Binary/ Counter both both both both both

Mutex

Priority Inheritance (PIP) Priority Ceiling Protocol (PCP) Posix Signals

Flags

(*) implemented with signals

(*) (*) (*)

Memory Pool Malloc/Free only

Message Queue (integers) (*) implemented with Mail Queue

(*) (*) (*) (*)

Douglas Renaux – ESC 2014

(36)

Então só funciona para Cortex ?

• A ARM propôs com esta intenção

• Tem a funcionalidade esperada de um RTOS para MCU no segmento 1

• Se fabricantes de RTOS usarem esta API para os RTOS de todos as

arquiteturas, o mercado só tem a ganhar.

(37)

Porque é bom para o mercado ?

• Desenvolvedores

– Interface padronizada

• Facilita reuso

• Portabilidade

• Treinamento / Cultura

• Middleware vendors

– Uma biblioteca para todos os RTOS ! – Redução de custo de portabilidade – Mercado tem mais opções a melhor

preço

(38)

Planejando uma Aplicação

com RTOS

(39)

CMSIS-RTOS: Overview 1/4

• Kernel Information and Control

• osKernelInitialize : Initialize the RTOS kernel.

• osKernelStart : Start the RTOS kernel.

• osKernelRunning : Query if the RTOS kernel is running.

• osKernelSysTick $ : Get RTOS kernel system timer counter.

• osKernelSysTickFrequency $ : RTOS kernel system timer frequency in Hz.

• osKernelSysTickMicroSec $ : Convert microseconds value to RTOS kernel system timer value.

• Thread Management

• osThreadCreate : Start execution of a thread function.

• osThreadTerminate : Stop execution of a thread function.

• osThreadYield : Pass execution to next ready thread function.

• osThreadGetId : Get the thread identifier to reference this thread.

• osThreadSetPriority : Change the execution priority of a thread function.

• osThreadGetPriority : Obtain the current execution priority of a thread function.

(40)

CMSIS-RTOS: Overview 2/4

• Generic Wait Functions

• osDelay : Wait for a specified time.

• osWait $ : Wait for any event of the type Signal, Message, or Mail.

• Timer Management $

• osTimerCreate : Define attributes of the timer callback function.

• osTimerStart : Start or restart the timer with a time value.

• osTimerStop : Stop the timer.

• osTimerDelete : Delete a timer.

(41)

CMSIS-RTOS: Overview 3/4

• Signal Management

• osSignalSet : Set signal flags of a thread.

• osSignalClear : Reset signal flags of a thread.

• osSignalWait : Suspend execution until specific signal flags are set.

• Mutex Management $

• osMutexCreate : Define and initialize a mutex.

• osMutexWait : Obtain a mutex or Wait until it becomes available.

• osMutexRelease : Release a mutex.

• osMutexDelete : Delete a mutex.

• Semaphore Management $

• osSemaphoreCreate : Define and initialize a semaphore.

• osSemaphoreWait : Obtain a semaphore token or Wait until it becomes available.

• osSemaphoreRelease : Release a semaphore token.

• osSemaphoreDelete : Delete a semaphore.

(42)

CMSIS-RTOS: Overview 4/4

• Memory Pool Management $

• osPoolCreate : Define and initialize a fix-size memory pool.

• osPoolAlloc : Allocate a memory block.

• osPoolCAlloc : Allocate a memory block and zero-set this block.

• osPoolFree : Return a memory block to the memory pool.

• Message Queue Management $

• osMessageCreate : Define and initialize a message queue.

• osMessagePut : Put a message into a message queue.

• osMessageGet : Get a message or suspend thread execution until message arrives.

• Mail Queue Management $

• osMailCreate : Define and initialize a mail queue with fix-size memory blocks.

• osMailAlloc : Allocate a memory block.

• osMailCAlloc : Allocate a memory block and zero-set this block.

• osMailPut : Put a memory block into a mail queue.

• osMailGet : Get a mail or suspend thread execution until mail arrives.

• osMailFree : Return a memory block to the mail queue.

•

(43)

1. Definição de estruturas de dados como acessar ?

2. Inicialização destas estruturas 3. Operação

Yield GetId

SetPriority

4. Término (opcional)

Ciclo de Vida dos Elementos

do Kernel – exemplo: Thread

(44)

Yield GetId

SetPriority

osThreadCreate(osThread(job1),NULL);

- Ponteiro para a struct com configuração da tarefa - Ponteiro para argumento da função job1

osThreadDef(job1, osPriorityAboveNormal, 1, 0);

macro

Cria uma struct com:

-nome da função principal desta thread -prioridade

-número máximo de instâncias

-tamanho da pilha (em bytes) obs: 0 = tamanho default

osThread(job1):

uma macro que é substituida por um ponteiro para a estrutura acima

Ciclo de Vida dos Elementos

do Kernel – exemplo: Thread

(45)

Yield GetId

SetPriority

osThreadCreate(osThread(job1),NULL);

- Ponteiro para a struct com configuração da tarefa - Ponteiro para argumento da função job1

Ciclo de Vida dos Elementos do Kernel – exemplo: Thread

osThreadYield( );

- Libera o processador para a próxima tarefa osThreadGetId( );

- Retorna o identificador desta tarefa (ThreadId) osThreadSetPriority( id, priority);

- Altera o nível de prioridade de uma tarefa osThreadTerminate( id );

- Destrói o TCB eliminando esta tarefa do sistema

(46)

Ciclo de Vida dos Elementos do Kernel

Thread Timer Mutex Semaphore ^Memory

Pool

Message Queue

Mail Queue Definição

osThreadDef osTimerDef osMutexDef osSemaphoreDef osPoolDef osMessageQDef osMailQDef

Acesso

osThread osTimer osMutex osSemaphore osPool osMessageQ osMailQ

Inicializ.

osThreadCreate osTimerCreate osMutexCreate osSemaphoreCreate osPoolCreate osMessageCreate osMailQCreate

Operação

osThreadYield osThreadGetId

osTimerStart osTimerStop

osMutexWait osMutexRelease

osSemaphoreWait osSemaphoreRelease

osPoolAlloc osPoolFree

osMessagePut osMessageGet

osMailAlloc osMailFree osMailPut osMailGet

Término

osThreadTerminate osTimerDelete osMutexDelete osSemaphoreDelete

(47)

#include "cmsis_os.h" // CMSIS RTOS header file

void job1 (void const *argument) { // thread function 'job1' while (1) {

: // execute some code

osDelay (10); // delay execution for 10 milliseconds }

}

osThreadDef(job1, osPriorityAboveNormal, 1, 0); // define job1 as thread function

: // execute some code }

}

osThreadDef(job2, osPriorityNormal, 1, 0); // define job2 as thread function int main (void) { // program execution starts here

osKernelInitialize (); // initialize RTOS kernel : // setup and initialize peripherals

osThreadCreate (osThread(job1),NULL); // higher priority osThreadCreate (osThread(job2),NULL);

osKernelStart (); // start kernel with job1 execution }

Duas tarefas independentes

(48)

Exemplo:

Acesso a recurso compartilhado

(49)

Duas tarefas que

compartilham um recurso

#include "cmsis_os.h" // CMSIS RTOS header file osMutexDef (mutLCD);

osMutexWait (mutLCDid,osWaitForever);

: // resource usage osMutexRelease (mutLCDid);

} }

osThreadDef(job1, osPriorityNormal, 1, 0); // define job1 as thread function

void job2 (void const *argument) { // thread function 'job2' }

osThreadDef(job2, osPriorityNormal, 1, 0); // define job2 as thread function int main (void) { // program execution starts here

osMutexId mutLCDid = osMutexCreate (osMutex(mutLCD));

osThreadCreate (osThread(job1),NULL);

osThreadCreate (osThread(job2),NULL);

osKernelStart (); // start kernel

(50)

Exemplo:

Comunicação por Mensagem

(51)

Comunicação ISR -> Tarefa

#include "cmsis_os.h" // CMSIS RTOS header file

enum JoystickMovement {Up, Down, Left, Right, Center, Last = 0x12345678};

osMessageQDef (MsgBox, 2, JoystickMovement ); // Define message queue osMessageQId MsgBox;

void JoySt_ISR(void) {

JoystickMovement JS_value = ReadJoyStick( );

osMessagePut(MsgBox, &JS_value, 0);

}

void PacMan (void const *argument) {

osEvent evt; // osEventMessage,valor, id da MsgBox :

evt = osMessageGet(MsgBox, 5); // timeout 5 ms if (evt == ...) {

: }

osThreadDef(PacMan, osPriorityNormal,1,0); //define PacMan as thread function

int main (void) { // program execution starts here

MsgBox = osMessageCreate(osMessageQ(MsgBox), NULL);

osThreadCreate (osThread(PacMan));

osKernelStart (); // start kernel with execution of PacMan

(52)

Alocação de Memória

• Mesmo papel de malloc e free

• A biblioteca padrão do C não foi concebida para tolerar

chaveamento de contexto, ou seja, não é thread-safe.

(53)

Alocação de Memória

void th_alloc_ex (void const *argument) {

uint32_t *address;

osStatus status; // códigos de retorno osPoolId MemPool_Id; // ponteiro para o Pool

osPoolDef(MemPool,8,uint32_t); // Pool para 8 inteiros

MemPool_Id = osPoolCreate(osPool (MemPool)); // NULL = erro address = (uint32_t *) osPoolAlloc(MemPool_Id); //aloca 1

*address = 0xffaabbcc; // acesso escrita status = osPoolFree(MemPool_Id, address); // libera

// osOK, osErrorValue, osErrorParameter osThreadTerminate(osThreadGetId());

}

(54)

Conclusão

^(1/2)

• Por que usar um RTOS ?

• O que se pretende com o CMSIS-RTOS ?

• O papel do CMSIS-RTOS.

• Vários exemplos de uso.

(55)

Conclusão

^(2/2)

• Positivo:

– Agrega a funcionalidade da maioria dos RTOS – Apropriado para diversas arquiteturas

(architecture agnostic)

– Oferece uma API comum para todos os middleware (incentivo ao mercado de middleware)

– Oferece uma API comum para o

desenvolvedor de aplicação embarcada (incentivo a portabilidade, quebra barreiras de mudança de RTOS/plataforma)

• Futuro:

– Interessados devem cobrar.