EL68E Sistemas Embarcados Prof. Douglas RENAUX

(1)

EL68E Sistemas Embarcados

Prof. Douglas RENAUX

(2)

Programação Concorrente

1 – Infra-estrutura

• Prog. Sequencial x Prog Concorrente

• Pessoa x Equipe

• Processadores Virtuais

• Regiões de Memória de Prog. Sequencial

• Regiões de Memória de Prog. Concorrente

• Multi-processo / MMU / mem. Virtual

• Multi-threaded

(3)

Problema da Exclusão Mútua

• Soluções em SW

• Soluções com Semáforos

• Soluções com Mensagens

(4)

Problema da Exclusão Mútua – Soluções em SW

1. Porta

2. Porta 1 e Porta 2

1. Duas ordens de acesso possíveis

3. Vez

4. Porta 1, Porta 2 e Vez

(5)

Semáforos

Definição

Tipos: binário, contador, mutex

Conceito de propriedade – só a tarefa “dona” do semáforo pode liberá-lo

Suporte em HW Ciclos RMW

Solução no Cortex – instruções de LD/ST exclusivo

(6)

Comunicação e Sincronização via Mensagens

• Assíncrono

• Síncrono

• Síncrono com Resposta

(7)

Comunicação Assíncrona

Tarefa 1

Executando

Receive

Bloqueado em receive

Tarefa 2

Executando Pronto

Pronto

Put

(8)

Comunicação Síncrona

(9)

Comunicação Síncrona com Resp

Bloqueado em receive

Tarefa 1

Executando

Receive

Tarefa 2

Executando Pronto

Pronto Send

Bloqueado em send Executando

Reply

(10)

Por que o seu próximo RTOS

será compatível com CMSIS-RTOS ?

)

(11)

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 ?

Douglas Renaux – ESC 2014

(12)

Implementando Concorrência

PVPVPV

(13)

Multithreading

(múltiplas linhas de execução)

PV1 PV2 … PVn

RTOS HW

Proc.

Mem

. Perif

Proc 1

Memória Compartilhada

Periféricos Compartilhados

Proc n

…

(14)

Multithreading

(múltiplas linhas de execução)

PV1 PV2 … PVn

RTOS HW

(15)

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

(16)

Regiões de Memória

Flash

CODE(.text) (.const)

RAM

HEAP

STACK

(.data)DATA (.bss)

CPU

Registradores

para um programa sequencial:

(17)

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

…

(18)

Estados das Tarefas

(19)

Olhando no tempo:

granularidade grossa

Thread 1 Thread 2 Thread 3 Thread 4

t₀ t₀ +1s t₀ +2s t₀ +3s

(20)

Olhando no tempo:

granularidade fina

t₀ t₀ +1ms t₀ +2ms t₀ +3ms

(21)

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

(22)

• 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

• V 5.0 (2016)

CMSIS

(Cortex Microcontroller Software Interface Standard)

(23)

CMSIS-RTOS

http://www.keil.com/pack/doc/cmsis/rtos/html/index.html www.arm.com

(24)

CMSIS-RTOS RTX

http://www.keil.com/pack/doc/cmsis_rtx/index.html www.arm.com

(25)

CMSIS-RTOS

www.arm.com

(26)

CMSIS-RTOS

www.arm.com

(27)

Task Management

Timing (delay, timers) Signals

Semaphore / Mutex Memory Pool

Message Queue Mail Queue

CMSIS-RTOS Funcionalidades

(28)

CMSIS-RTOS - Prioridades

http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.kui0049a/gs_ma_rtos.htm

enum osPriority {

osPriorityIdle = -3, osPriorityLow = -2,

osPriorityBelowNormal = -1, osPriorityNormal = 0,

osPriorityAboveNormal = +1, osPriorityHigh = +2,

osPriorityRealtime = +3, osPriorityError = 0x84 }

(29)

Planejando uma Aplicação com RTOS

<<mutex>>

(30)

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.

(31)

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.

(32)

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.

(33)

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.

•

(34)

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

(35)

3. Operação Yield

GetId

SetPriority

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

(36)

3. Operação 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

(37)

3. Operação Yield

GetId

SetPriority

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

(38)

3. Operação Yield

GetId

SetPriority

Ciclo de Vida dos Elementos do Kernel – exemplo: Thread

osThreadTerminate( id );

- Destrói o TCB eliminando esta tarefa do sistema

(39)

Ciclo de Vida dos

Elementos do Kernel

Thread Timer Mutex Semaphore ^Memory

Pool Message Queue

Mail Queue Tipos (*) ôsThreadId_{os_pthread} ôsTimerId_{os_ptimer} ôsMutexId osSemaphoreId osPoolId osMessageQId osMailQId

Definição osThreadDef osTimerDef osMutexDef osSemaphoreDef osPoolDef osMessageQDef osMailQDef

Acesso ôsThread ôsTimer ôsMutex 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

(*) os Id são ponteiros para structs

(40)

Exercício 1

• Familiarização com o exemplo de CMSIS- RTOS

• Apresente um diagrama de classes com as tarefas deste exemplo

(41)

#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

(42)

Exercício 2

• Implementar um programa utilizando o CMSIS- RTOS RTX que acione as 3 cores do LED

RGB da placa base em intervalos de tempo ligeiramente diferentes.

– tR = 500ms, tG = 550ms, tB = 600ms

1. Utilizar osDelay em cada tarefa.

2. Utilizar 3 tarefas independentes, uma para cada cor do LED RGB.

(43)

Exemplo:

Acesso a recurso compartilhado

<<mutex>>

(44)

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) { // main thread

: // setup and initialize peripherals

osMutexId mutLCDid = osMutexCreate (osMutex(mutLCD));

osThreadCreate (osThread(job1),NULL);

osThreadCreate (osThread(job2),NULL);

}

(45)

Exemplo:

Comunicação por Mensagem

<<mutex>>

(46)

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) { // main thread

: // setup and initialize peripherals

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

osThreadCreate (osThread(PacMan));

}

(47)

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.

(48)

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());

}

(49)

CMSIS-RTOS - Temporizadores

www.arm.com

Macro de definição de temporizador: osTimerDef

Macro para acesso ao temporizador: osTimer

Tipos de dados: os_timer_type, osTimerId, osStatus

Funções: osTimerCreate, osTimerStart, osTimerStop, osTimerDelete

Função de Callback

(50)

one-shot x repetitivo

(51)

Exercício 3 - repetir com temporizadores

• Implementar um programa utilizando o CMSIS- RTOS RTX que acione as 3 cores do LED

RGB da placa base em intervalos de tempo ligeiramente diferentes.

– tR = 500ms, tG = 550ms, tB = 600ms

1. Utilizar timers do CMSIS-RTOS em cada tarefa.

2. Utilizar 3 tarefas independentes, uma para cada cor do LED RGB.

(52)

CMSIS-RTOS

www.arm.com

(53)

CMSIS-RTOS

www.arm.com

(54)

CMSIS-RTOS - Eventos

Eventos são de 3 tipos:

Sinais – um flag (setado ou resetado)

Mensagens – um int de 32 bits / ponteiro Mail – um bloco de memória

osEvent status osStatus

(osEventSignal / osEventMessage / osEventMail) value int / ptr / grupo flags

def id (do mail ou da msg)

(55)

CMSIS-RTOS - Eventos

void Thread_2 (void const *arg);

osThreadDef(Thread_2, osPriorityHigh, 1, 0);

static void EX_Signal_1 (void) { int32_t signals;

uint32_t exec;

osThreadIdthread_id;

thread_id = osThreadCreate(osThread(Thread_2), NULL);

if (thread_id == NULL) {

// Failed to create a thread.

} else {

signals = osSignalSet(thread_id, 0x00000005); // Send signals to the created thread }

}

void Thread_3 (void const *arg);

osThreadDef(Thread_3, osPriorityHigh, 1, 0);

static void EX_Signal_1 (void) { osThreadIdthread_id;

osEventevt;

thread_id = osThreadCreate(osThread(Thread_2), NULL);

if (thread_id == NULL) {

// Failed to create a thread.

} else {

// wait for a signal

evt = osSignalWait(0x01, 100); // espera pelo sinal 0x1 por até 100 ms if (evt.status== osEventSignal) {

// handle event status }

} }

ver RTX_Conf_CM.C pela def do número max de sinais

(56)

CMSIS-RTOS - Semáforos

• osSemaphore - para sincronização entre tarefas e/ou tarefa/ISR

• osMutex - para exclusão Mútua. Apenas a tarefa que fez osMutexWait pode fazer

osMutexRelease

(57)

osSemaphoreWait osSemaphoreWait

osSemaphoreRelease

(58)

Mutex

// 1 – definição da estrutura de dados do Mutex (em geral é uma variável global) osMutexDef(mut_GLCD);

// 2 – definição de um ponteiro para o Mutex (também costuma ser uma var global) osMutexId mut_lcd;

// 3 – Inicialização do Mutex (em geral na função main) mut_lcd = osMutexCreate(osMutex(mut_GLCD));

// 4 – Uso do Mutex sem timeout (a partir de uma thread) osMutexWait(mut_lcd, osWaitForever);

...

osMutexRelease(mut_lcd);

obs:

osMutex(mut_GLCD) é uma chamada de MACRO

esta chamada retorna o endereço da estrutura

(59)

Projeto – Arquitetura da Solução

Elementos que compõem a arquitetura da solução:

• objetos/classes passivas

• Tarefas (threads) – objetos/classes ativas

• Tarefas Periódicas

• Message Queue – envia

• Event Queue – envia

• Temporizador – objeto passive + callback

• Semáforos (binário, contador e mutex)

• ISR – objeto/classe ativa

(60)

Projeto - Detalhamento

O que cada Tarefa faz ?

O que cada objeto/classe faz ?

• Diagramas de Estado

• Diagramas de atividades

• Estrutura de controle de cada tarefa

• Loop infinito com temporização

• Loop infinito com recebimento de msg/evento

• Função com final de execução