FreeRTOS Курниц

Введение

3)Как обработчики прерываний связаны

на прерывание обработчик прерывания вы-

с остальным кодом и как организовать

полняет только первичные действия, напри-

Шестая часть статьи посвящена взаимо-

программу, чтобы обеспечить наибы-

мер считывает данные. Затем львиную долю

действию прерываний с остальной частью

стрейшую обработку асинхронных собы-

обработки берет на себя задача-обработчик

программы и поможет читателям ответить

тий внешнего мира?

прерывания. Такая организация обработки

на следующие вопросы:

FreeRTOS не предъявляет никаких требо-

прерываний называется отложенной обра-

1)Какие API-функции и макросы можно ис-

ваний к организации обработки событий,

боткой. При этом обработчик прерывания

пользовать внутри обработчиков преры-

однако предоставляет удобные возможности

выполняет только самые «экстренные» дей-

ваний?

для такой организации.

ствия, а основная обработка «откладывает-

2)Как реализовать отложенную обработку

Прерывание (interrupt) — это событие

ся», пока ее не выполнит задача-обработчик

прерываний?

(сигнал), заставляющее микроконтроллер

прерывания.

3)Как создавать и использовать двоичные

изменить текущий порядок исполнения ко-

и счетные семафоры?

манд. При этом выполнение текущей после-

Двоичные семафоры

4)Как использовать очереди для передачи

довательности команд приостанавливается,

Двоичные семафоры предназначены для

информации в обработчик прерывания

и управление передается обработчику пре-

эффективной синхронизации выполне-

и из него?

рывания — подпрограмме, которую можно

ния задачи с возникновением прерывания.

5)Каковы особенности обработки вложен-

представитьфункциейязыкаСи.Обработчик

Они позволяют переводить задачу из со-

ных прерываний во FreeRTOS?

прерывания реагирует на событие и обслу-

стояния блокировки в состояние готовности

События и прерывания

живает его, после чего возвращает управле-

к выполнению каждый раз, когда происходит

ние в прерванный код [6]. Прерывания ини-

прерывание. Это дает возможность перене-

циируются периферией микроконтроллера,

сти бóльшую часть кода, отвечающего за об-

Встраиваемые микроконтроллерные си-

например прерывание от таймера/счетчика

работку внешнего события, из обработчика

стемы функционируют, отвечая действиями

или изменение логического уровня на выво-

прерывания в тело задачи, выполнение кото-

на события внешнего мира. Например, полу-

де микроконтроллера.

рой синхронизировано с соответствующим

чение Ethernet-пакета (событие) требует обра-

Следует заметить, что во FreeRTOS все

прерыванием. Внутри обработчика прерыва-

ботки в задаче, которая реализует TCP/IP-стек

API-функции и макросы, имена которых

ния останется лишь небольшой, быстро вы-

(действие). Обычно встраиваемые системы

заканчиваются на FromISR или FROM_ISR,

полняющийся фрагмент кода. Говорят, что

обслуживают события, которые приходят

предназначены для использования в обра-

обработка прерывания отложена и непосред-

от множества источников, причем каждое со-

ботчиках прерываний и должны вызываться

ственно выполняется задачей-обработчиком.

бытие имеет свое требование по времени ре-

только внутри них.

Если прерывание происходит при возник-

акции системы и расходам времени на его об-

Отложенная обработка

новении особенно критичного к времени ре-

работку. При разработке встраиваемой

акции внешнего события, то имеет смысл на-

микроконтроллерной системы необходимо

прерываний

значить задаче-обработчику достаточно вы-

подобрать свою стратегию реализации обслу-

сокий приоритет, чтобы при возникновении

живания событий внешнего мира. При этом

При проектировании встраиваемой

прерывания она вытесняла другие задачи

перед разработчиком возникает ряд вопросов:

микроконтроллерной системы на осно-

в системе. Это произойдет, когда завершит

1)Каким образом события будут регистриро-

ве FreeRTOS необходимо учесть, насколько

свое выполнение обработчик прерывания.

ваться? Обычно применяют прерывания,

долго продолжается процесс обработки пре-

Выполнение задачи-обработчика начинается

однако возможен и опрос состояния вы-

рывания. В самом простом случае, когда при

сразу же после окончания выполнения об-

водов микроконтроллера.

обработке прерывания повторные прерыва-

работчика прерывания. Создается впечатле-

2)В случае использования прерываний необ-

ния запрещены, временные задержки в об-

ние, что весь код, отвечающий за обработку

ходимо решить, какую часть программного

работчике прерываний могут существенно

внешнего события, реализован внутри об-

кода, реализующего обработку события, по-

ухудшить время реакции системы на собы-

работчика прерывания (рис. 1).

местить внутри обработчика прерывания,

тия. Тогда для выполнения продолжитель-

На рис. 1 видно, что прерывание преры-

а какую — вне обработчика. Обычно стара-

ных действий по обработке прерывания

вает выполнение одной задачи и возвращает

ются сократить размер обработчика преры-

вводится так называемый «отложенный» ре-

управление другой. В момент времени (1)

вания настолько, насколько это возможно.

жим их выполнения [5]. В процессе реакции

выполняется прикладная задача, когда про-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2011

www.kit e.ru

Все API-функции работы с семафора-

ми сосредоточены в заголовочном файле

/Source/Include/semphr.h, поэтому следует

а

убедиться, что этот файл находится в списке

включенных (#include) в проект.

Доступ ко всем семафорам во FreeRTOS

(а не только к двоичным) осуществляется

с помощью дескриптора (идентификато-

ра) — переменной типа xSemaphoreHandle.

Создание двоичного семафора

б

Семафор должен быть явно создан перед

первым его использованием. API-функция

vSemaphoreCreateBinary() служит для созда-

ния двоичного семафора.

void vSemaphoreCreateBinary( xSemaphoreHandle xSemaphore );

Рис. 3. Результат вызова xSemaphoreGiveFromISR():

а) без принудительного переключения контекста; б) с принудительным переключением контекста

Единственным аргументом является де-

скриптор семафора, в него будет возвращен

дескриптор в случае успешного создания

portMAX_DELAY приведет к тому, что вы-

1. xSemaphore — дескриптор семафора, ко-

семафора. Если семафор не создан по при-

хода из блокированного состояния по ис-

торый должен быть в явном виде создан

чине отсутствия памяти, вернется значение

течении времени тайм-аута не произойдет.

до первого использования.

NULL. Так как vSemaphoreCreateBinary()

Задача будет сколь угодно долго «ожидать»

2. pxHigherPriorityTaskWoken — значение

представляет собой макрос, то аргумент

возможности захватить семафор, пока та-

по адресу pxHigherPriorityTaskWoken

xSemaphore следует передавать напрямую,

кая возможность не появится. Для этого

устанавливает сама API-функция

то есть нельзя использовать указатель на де-

макроопределение INCLUDE_vTaskSuspend

xSemaphoreGiveFromISR() в зависимости

скриптор и операцию переадресации.

в файле FreeRTOSConfig.h должно быть

от того, разблокирована ли более высоко-

равно «1».

приоритетная задача в результате выдачи

Захват семафора

• Возвращаемое значение — возможны два

семафора. Подробнее об этом будет сказа-

О с у щ е с т в л я е т с я A P I - ф у н к ц и е й

варианта:

но далее.

xSemaphoreTake() и может вызываться толь-

– pdPASS — свидетельствует об успешном

3. Возвращаемое значение — возможны два

ко из задач. В классической терминологии

захвате семафора. Если определено вре-

варианта:

[1] соответствует функции P() или wait().

мя тайм-аута (параметр xTicksToWait

– pdPASS —вызовxSemaphoreGiveFromISR()

Чтобы задача смогла захватить семафор, он

не равен 0), то возврат значения pdPASS

был успешным, семафор отдан.

должен быть отдан другой задачей или об-

говорит о том, что семафор стал досту-

– pdFAIL — означает, что семафор в мо-

работчиком прерывания. Все типы семафо-

пен до истечения времени тайм-аута

мент вызова xSemaphoreGiveFromISR()

ров за исключением рекурсивных (о них —

и был успешно захвачен.

уже был доступен, то есть ранее отдан

в следующей публикации) могут быть

– pdFALSE — означает, что семафор недо-

другой задачей или прерыванием.

захвачены с помощью xSemaphoreTake().

ступен (никто его не отдал). Если опре-

Если после выдачи семафора в теле обра-

API-функцию xSemaphoreTake() нельзя вы-

делено время тайм-аута (параметр

ботчика прерывания была разблокирована

зывать из обработчиков прерываний.

xTicksToWait не равен 0 или portMAX_

более высокоприоритетная задача, чем та, что

Прототип:

DELAY), то возврат значения pdFALSE

была прервана обработчиком прерывания,

говорит о том, что время тайм-аута ис-

то API-функция xSemaphoreGiveFromISR()

portBASE_TYPE xSemaphoreTake( xSemaphoreHandle xSemaphore,

текло, а семафор так и не стал доступен.

установит *pxHigherPriorityTaskWoken рав-

portTickType xTicksToWait );

ным pdTRUE. В противном случае значение

Выдача семафора

*pxHigherPriorityTaskWoken останется без

Назначение параметров и возвращаемое

из обработчика прерывания

изменений.

значение:

Все типы семафоров во FreeRTOS, исклю-

Значение *pxHigherPriorityTaskWoken

• xSemaphore — дескриптор семафора.

чая рекурсивные, могут быть выданы из тела

необходимо отслеживать для того, чтобы

Должен быть получен с помощью API-

обработчика прерывания при помощи API-

«вручную»выполнитьпереключениеконтекста

функции создания семафора.

функции xSemaphoreGiveFromISR().

задачи в конце обработчика прерывания, если

• xTicksToWait — максимальное количество

API-функция xSemaphoreGiveFromISR()

в результате выдачи семафора была разблоки-

квантов времени, в течение которого за-

представляет собой специальную версию

рована более высокоприоритетная задача. Если

дача может пребывать в блокированном

API-функции xSemaphoreGive(), которая

этого не сделать, то после выполнения обра-

состоянии, если семафор невозможно

предназначена для вызова из тела обработчи-

ботчика прерывания выполнение продолжит

захватить (семафор недоступен). Для

ка прерывания.

та задача, выполнение которой были прервано

представления времени в миллисекундах

П р о т о т и п A P I - ф у н к ц и и

этим прерыванием (рис. 3). Ничего «страшно-

следует использовать макроопределение

xSemaphoreGiveFromISR():

го» в этом случае не произойдет: текущая за-

portTICK_RATE_MS [2, КиТ № 4]). Задание

дача будет выполняться до истечения текущего

xTicksToWait равным 0 приведет к тому,

portBASE_TYPE xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphoreHandle

кванта времени, после чего планировщик вы-

что задача не перейдет в блокированное

xSemaphore, portBASE_TYPE *pxHigherPriorityTaskWoken );

полнит переключение контекста (которое он

состояние, если семафор недоступен,

выполняет каждый системный квант), и управ-

а продолжит свое выполнение сразу же.

Назначение параметров и возвращаемое

ление получит более высокоприоритетная за-

Установка xTicksToWait равным константе

значение:

дача (рис. 3а). Единственное, что пострадает, —

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2011

www.kit e.ru

микроконтроллеры

27

второе свое сообщение на дисплей и блокиру-

а

ется на время 0,5 с. Система снова переходит

в состояние бездействия.

Если не выполнять принудительного пе-

реключения контекста, то есть исключить

из программы строку:

portSWITCH_CONTEXT();

б

то можно наблюдать описанный ранее эф-

фект (рис. 6).

В этом случае можно видеть, что сообще-

ния, выводимые низкоприоритетной пе-

риодической задачей, следуют друг за дру-

гом, то есть высокоприоритетная задача-

обработчик не получает управления сразу

после того, как обработчик прерывания от-

дает семафор.

в

Подведя итоги, можно представить такую

последовательность действий при отложен-

ной обработке прерываний с помощью дво-

ичного семафора:

• Происходит событие внешнего мира,

вследствие него — прерывание микро-

контроллера.

• Выполняется обработчик прерывания,

который отдает семафор и разблокирует

г

таким образом задачу — обработчик пре-

рывания.

• Задача-обработчик начинает выполняться,

как только завершит выполнение обработ-

чик прерывания. Первое, что она делает, —

захватывает семафор.

• Задача-обработчик обслуживает событие,

связанное с прерыванием, после чего пыта-

ется снова захватить семафор и переходит

д

в блокированное состояние, пока семафор

снова не станет доступен.

Счетные семафоры

Организация обработки прерываний с по-

мощью двоичных семафоров — отличное

решение, если частота возникновения одно-

го и того же прерывания не превышает неко-

е

торый порог. Если это же самое прерывание

возникнет до того, как задача-обработчик за-

вершит его обработку, то задача-обработчик

не перейдет в блокированное состояние по за-

вершении обработки предыдущего прерыва-

ния, а сразу же займется обслуживанием сле-

дующего. Предыдущее прерывание окажется

потерянным. Этот сценарий показан на рис. 7.

Таким образом, с использованием двоич-

ных семафоров из цепочки быстро следую-

Рис. 7. «Потеря» прерывания при обработке с помощью двоичного семафора

щих друг за другом событий может быть об-

служено максимум одно событие.

Решить проблему обслуживания серии

работчик которого начинает выполняться

переключению контекста задача-обработчик

быстро следующих друг за другом событий

сразу же (2). Обработчик прерывания отда-

получает управление (3). Задача-обработчик

можно используя счетные семафоры.

ет семафор, поэтому разблокируется задача-

выводит свое сообщение на дисплей и пы-

В отличие от двоичных семафоров со-

обработчик, которая ожидала возможности

тается снова захватить семафор, который

стояние счетного семафора определяется

захватить этот семафор. Приоритет у задачи-

уже недоступен, поэтому она блокируется.

не значениями отдан/захвачен, а представ-

обработчика выше, чем у периодической за-

Управление снова получает низкоприоритет-

ляет собой целое неотрицательное число —

дачи, поэтому благодаря принудительному

ная периодическая задача (4). Она выводит

значение счетного семафора. И если двоич-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2011

www.kit e.ru

28

микроконтроллеры

ный семафор — это, по сути, очередь дли-

ной в 1 элемент, то счетный семафор можно

а

представить очередью в несколько элемен-

тов. Причем текущее значение семафора

представляет собой длину очереди, то есть

количество элементов, которые в данный

момент находятся в очереди. Значение эле-

ментов, хранящихся в очереди, когда она ис-

пользуется как счетный (или двоичный) се-

мафор, не важно, а важно само наличие или

отсутствие элемента.

б

Существует два основных применения

счетных семафоров:

1. Подсчет событий. В этом случае обработчик

прерывания будет отдавать семафор, то есть

увеличивать его значение на единицу, ког-

да происходит событие. Задача-обработчик

будет захватывать семафор (уменьшать его

значение на единицу) каждый раз при обра-

ботке события. Текущее значение семафора

в

будет представлять собой разность между

количеством событий, которые произошли,

и количеством событий, которые обрабо-

таны. Такой способ организации взаимо-

действия показан на рис. 8. При создании

счетного семафора для подсчета количества

событий следует задавать начальное его зна-

чение, равное нулю.

2. Управление доступом к ресурсам. В этом

г

случае значение счетного семафора пред-

ставляет собой количество доступных ре-

сурсов. Для получения доступа к ресурсу

задача должна сначала получить (захва-

тить) семафор — это уменьшит значение

семафора на единицу. Когда значение се-

мафора станет равным нулю, это означает,

что доступных ресурсов нет. Когда задача

завершает работу с данным ресурсом, она

д

отдает семафор — увеличивает его значе-

ние на единицу. При создании счетного се-

мафора для управления ресурсами следует

задавать начальное его значение равным

количеству свободных ресурсов. В даль-

нейших публикациях будет более подроб-

но освещена тема управления ресурсами

во FreeRTOS.

Работа со счетными семафорами

е

Создание счетного семафора

Как и другие объекты ядра, счетный сема-

фор должен быть явно создан перед первым

его использованием:

xSemaphoreHandle xSemaphoreCreateCounting( unsigned portBASE_

TYPE uxMaxCount,

unsigned portBASE_TYPE uxInitialCount );

Рис. 8. Подсчет событий с помощью счетного семафора

Назначение параметров и возвращаемое

значение:

ступных ресурсов, если семафор использу-

чать, что ни одного события еще не про-

1. uxMaxCount — задает максимально воз-

ется для управления ресурсами.

изошло. Если семафор используется для

можное значение семафора. Если проводить

2. uxInitialCount — задает значение сема-

управления доступом к ресурсам, то сле-

аналогию с очередями, то он эквивалентен

фора, которое он принимает сразу после

дует установить uxInitialCount равным

размеру очереди. Определяет максимальное

создания. Если семафор используется для

максимальному значению — параметру

количество событий, которые может обра-

подсчета событий, следует установить

uxMaxCount. Это будет означать, что все

ботать семафор, или общее количество до-

uxInitialCount равным 0, что будет озна-

ресурсы свободны.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2011

www.kit e.ru

ния еще не завершился, а возникает высоко-

приоритетноепрерывание,ипроцессорначи-

нает выполнять его программу-обработчик.

Большинство портов FreeRTOS допу-

скает вложение прерываний. Эти порты

требуют задания одного или двух конфи-

гурационных макроопределений в файле

FreeRTOSConfig.h:

1. configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY —

задает приоритет прерывания, исполь-

зуемого для отсчета системных квантов

FreeRTOS. Если порт не использует ма-

кроопределение configMAX_SYSCALL_

Рис. 11. Результаты выполнения учебной программы № 2

INTERRUPT_PRIORITY, то для обеспече-

ния вложенности прерываний все прерыва-

ния, в обработчиках которых встречаются

API-функции FreeRTOS, должны иметь

этот же приоритет.

2. conf igMAX_SYSCALL_INTERRUPT_

PRIORITY — задает наибольший приоритет

прерывания, из обработчика которого мож-

но вызывать API-функции FreeRTOS (чтобы

прерывания могли быть вложенными).

Получить модель вложенности прерыва-

ний без каких-либо ограничений можно задав

значение configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_

Рис. 12. Последовательность выполнения задач и прерываний в учебной программе № 2

PRIORITY выше, чем configKERNEL_

INTERRUPT_PRIORITY.

Рассмотрим пример. Пусть некий микро-

xStringQueue будет хранить переменные типа char* –

редь № 2 разблокирует высокоприоритетную

контроллер имеет 7 возможных приоритетов

указатели на нуль-терминальные строки.

задачу-принтер (3). Задача-принтер считыва-

прерываний. Значение приоритета 7 соответ-

Обе очереди создаются размером 10 элементов.

Реальная программа должна проверять значения xIntegerQueue,

ет указатели на строки из очереди № 2, пока

ствует самому высокоприоритетному пре-

xStringQueue, чтобы убедиться, что очереди успешно созданы. */

они там есть, и выводит соответствующие

рыванию, 1 — самому низкоприоритетному.

xIntegerQueue = xQueueCreate(10, sizeof(unsigned long));

xStringQueue = xQueueCreate(10, sizeof(char *));

строки на экран. Как только очередь № 2 опу-

Зададим значение configMAX_SYSCALL_

/* Связать прерывание MS-DOS с обработчиком прерывания

стошится, задача-принтер переходит в бло-

INTERRUPT_PRIORITY = 3, а значение

vExampleInterruptHandler(). */

_dos_setvect(0x82, vExampleInterruptHandler);

кированное состояние (4). Управление снова

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY = 1

/* Создать задачу — генератор чисел с приоритетом 1. */

xTaskCreate(vIntegerGenerator, “IntGen”, 1000, NULL, 1, NULL);

получает низкоприоритетная задача — ге-

(рис. 13).

/* Создать задачу-принтер с приоритетом 2. */

нератор чисел, которая также блокируется

Прерывания с приоритетом 1–3 не будут

xTaskCreate(vStringPrinter, “String”, 1000, NULL, 2, NULL);

/* Запуск планировщика. */

на время ~200 мс, так что система снова пере-

выполняться, пока ядро или задача выпол-

vTaskStartScheduler();

ходит в состояние бездействия (5).

няют код, находящийся в критической сек-

/* При нормальном выполнении программа до этого места

“не дойдет” */

ции, но могут при этом использовать API-

for (;;)

Вложенность прерываний

функции. На время реакции на такие преры-

;

}

вания будет оказывать влияние активность

Во многих архитектурах микроконтролле-

ядра FreeRTOS.

Заметьте, что для эффективного распреде-

ров прерывания имеют приоритеты, которые

На прерывания с приоритетом 4 и выше

ления ресурсов памяти данных (как и реко-

могут быть жестко заданы, но может суще-

не влияют критические секции, так что ниче-

мендовалось в [2, КиТ № 6]) очередь № 2 хра-

ствовать возможность и конфигурировать

го, что делает ядро в данный момент, не поме-

нит не сами строки, а лишь указатели на стро-

уровни приоритетов прерываний.

шает выполнению обработчика такого пре-

ки, которые содержатся в отдельном массиве.

Важно различать приоритет задач и прио-

рывания. Обычно те прерывания, которые

Такое решение вполне допустимо, так как со-

ритет прерываний. Приоритеты прерываний

имеют самые строгие временны′е требования

держимое строк в программе не изменяется.

аппаратно фиксированы в архитектуре микро-

(например, управление током в обмотках

По результатам выполнения (рис. 11) вид-

контроллера (или определены при его кон-

двигателя), должны иметь приоритет выше,

но, что в результате возникновения прерыва-

фигурации), а приоритеты задач — это про-

чем configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_

ния была разблокирована высокоприоритет-

граммная абстракция на уровне ядра FreeRTOS.

PRIORITY, чтобы гарантировать, что ядро

ная задача-принтер, после чего управление

Приоритет прерываний задает преимущество

не внесет дрожание (jitter) во время реакции

снова возвращается низкоприоритетной за-

на выполнение того или иного обработчика

на прерывание.

даче — генератору чисел (рис. 12).

прерыванияпривозникновениисразунесколь-

И наконец, прерывания, которые не вы-

Задача-бездействие выполняется бóльшую

ких прерываний. Задачи не выполняются

зывают никаких API-функций, могут иметь

часть времени. Каждые 200 мс она вытесняет-

во время выполнения обработчика прерыва-

любой из возможных приоритетов.

ся задачей — генератором чисел (1). Задача —

ния, поэтому приоритет задач не имеет ника-

Критическая секция в FreeRTOS — это уча-

генератор чисел записывает в очередь № 1

кого отношения к приоритету прерываний.

сток кода, во время выполнения которого за-

пять целых чисел, после чего принудитель-

Под вложенностью прерываний понима-

прещены прерывания процессора и, соответ-

но вызывает прерывание (2). Обработчик

ется корректная работа FreeRTOS при одно-

ственно, не происходит переключение кон-

прерывания считывает числа из очереди

временном возникновении сразу нескольких

текста каждый квант времени [7]. Подробнее

№ 1 и записывает в очередь № 2 указатели

прерываний с разными приоритетами, когда

о критических секциях — в следующей пу-

на соответствующие строки. Запись в оче-

обработчик низкоприоритетного прерыва-

бликации.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2011

www.kit e.ru