[ARM] STM32_FreeRTOS, Shared Memory

1.  OS

Process = 프로그램

Thread = Process 내부에서 동작하는 프로그램

Process → Process Direct Access 불가능 ⇒ IPC(Inter Process Communication) 사용

 

Windows, Linux : 범용 OS ← 8GB 이상

임베디드용 OS : 제한된 기능(스케줄링, 메모리 제어) ← 10kB 이하

• 종류 : RTOS, Micrium OS, …

 

 

OS 필수 기능

⇒ 스케줄링

• 프로세스가 실행되는 순서를 결정

 

• FCFS(선착순)

        : 프로세스는 준비 대기열에 도착한 순서대로 실행. 비선점형 스케줄링 알고리즘

• 우선순위 스케줄링

        : 각 프로세스에 우선순위 할당

• Round Robin(RR) ← 대부분의 OS에서 사용

        : 각 프로세스에 실행할 시간 할당, 프로세스 순환하여 순서대로 실행

          프로세스가 해당 시간 내에 완료되지 않으면 선점되어 대기열 뒤로 이동

 

 

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2.  RTOS(Real Time OS)

 

: 실시간 OS

(실시간 == 정해진 시간내에 thread가 동작)

 

 

CMSIS RTOS

: Cortex-M 마이크로컨트롤러용으로 설계된 실시간 운영 체제용 API

• CMSIS
  • Cortex-M 프로세서를 위한 하드웨어 추상화 계층
  • 하드웨어 주변장치 접근, 소프트웨어 구성을 용이하게 함
  • 예시) HAL 라이브러리, NVIC, Systick 타이머, RTOS, …
• API
  • OS와 프로세스가 통신하기 위한 프로토콜
  • 특정 프로세스에서 메모리에 접근하기 위해서는 API가 필요
  • 기본적이 메모리 접근은 malloc() 과 같은 함수를 사용할 수 있지만 복잡한 메모리 작업에서는 OS의 API를 사용해야 함.

 

(1) : freeRTOS setup   /   (2) :  타이머용 타이머 Systick → TIM11 변경

scheduling 의 시간은 timer를 이용해서 계산

→ STM32에서는 Systick 기능 이용

 

`osDelay()` 대신 `HAL_Delay()` 를 사용하면 Block 이벤트가 발생하지 않아 Runing ↔ Ready state에서만 움직임

 

 

매개변수

1. `defaultTask` : Task 이름
2. `StartDefaultTask` : 함수 이름
3. `osPriorityNormal` : 우선 순위
4. `128` : stack Memory size
5. `osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL)` 메모리에 Task 생성

 

`osKernelStart()` 함수가 실행되면 scheduling이 실행되며 이 아래있는 코드는 실행되지 않음

 

 

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2-1.  RTOS 사용 LED toggle

 

void StartDefaultTask(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    osDelay(50);
  }
  /* USER CODE END 5 */
}

void StartTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask02 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_8);
    osDelay(100);
  }
  /* USER CODE END StartTask02 */
}

void StartTask03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask03 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_6);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartTask03 */
}

void StartTask04(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask04 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_5);
    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END StartTask04 */
}

⇒ Task를 Thread라고 생각하면 됨

 

 

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2-2.  RTOS 사용 버튼 누르면 LED toggle

 

/* USER CODE BEGIN 0 */
int state = 0;             // 전역변수
/* USER CODE END 0 */



/* USER CODE BEGIN Header_StartDefaultTask */
/**
  * @brief  Function implementing the defaultTask thread.
  * @param  argument: Not used
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    osDelay(50);
  }
  /* USER CODE END 5 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_ButtonTask */
/**
* @brief Function implementing the Task2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_ButtonTask */
void ButtonTask(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN ButtonTask */

	Button_t Button1, Button2, Button3;
	button_init(&Button1, GPIOC, GPIO_PIN_10);
	button_init(&Button2, GPIOC, GPIO_PIN_11);
	button_init(&Button3, GPIOC, GPIO_PIN_12);
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	if(button_getState(&Button1) == ACT_RELEASED)
  		state = 1;
  	if(button_getState(&Button2) == ACT_RELEASED)
  		state = 2;
  	if(button_getState(&Button3) == ACT_RELEASED)
  		state = 3;
    osDelay(50);
  }
  /* USER CODE END ButtonTask */
}

/* USER CODE BEGIN Header_ledTask */
/**
* @brief Function implementing the Task3 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_ledTask */
void ledTask(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN ledTask */
	LED_t LED1, LED2, LED3;
	LED_init(&LED1, GPIOC, GPIO_PIN_8);
	LED_init(&LED2, GPIOC, GPIO_PIN_6);
	LED_init(&LED3, GPIOC, GPIO_PIN_5);
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	if(state == 1)
  	{
			LED_toggle(&LED1);
			state = 0;
  	}
  	else if(state == 2)
  	{
			LED_toggle(&LED2);
			state = 0;
  	}
  	else if(state == 3)
  	{
			LED_toggle(&LED3);
			state = 0;
  	}
    osDelay(200);
  }
  /* USER CODE END ledTask */
}

 

 

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3.  Shared Memory

 

Thread는 독립적으로 프로그램이 동작하는 것처럼 보인다.

공유자원 Shared Memory를 사용하여 각 쓰레드가 상호작용할 수 있다.

 

⇒ 2개의 쓰레드에서 동시에 Shared Memory에 Write하면? ← 중요

 

/* USER CODE END Header_LCDTask01 */
void LCDTask01(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LCDTask01 */
	int lcdCounter1 = 0;
	char buff[30];
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	sprintf(buff, "Task1 : %d            ", lcdCounter1++);
  	LCD_writeStringXY(0, 0, buff);
    osDelay(200);
  }
  /* USER CODE END LCDTask01 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_LCDTask02 */
/**
* @brief Function implementing the lcdTask02 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_LCDTask02 */
void LCDTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LCDTask02 */
	int lcdCounter2 = 0;
	char buff[30];
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	sprintf(buff, "Task2 : %d            ", lcdCounter2++);
  	LCD_writeStringXY(1, 0, buff);
    osDelay(300);
  }
  /* USER CODE END LCDTask02 */
}

위 결과와 같이 제대로 출력이 안됨

 

 

Critical Section(임계 구역)

• Race Condition이 발생하는 시간, 구간

Race Condition : 여러개의 Thread가 동시에 같은 공유 자원을 사용하려고 하는 상황

 

공유 자원 처리방법

⇒ 상호배제(Mutual exclusion)

: key가 있어야 공유메모리에 접근할 수 있다 → 한번에 하나의 스레드만 접근 가능 → 사용 후 key를 다른 thread에 넘겨줌

• Mutex : key 1개
• Semephore : key 여러개

 

 

MUTEX 사용하기

STM32 freeRTOS Mutex setup

`osMutexWait()` : 공유자원 사용하기 위해 key를 기다림 + 공유 자원에 접근하게되면 Lock

• Lock 상태에서는 다른 thread가 접근하지 못함
• scheduling 상태에서 Block 상태로 넘어감 → key 넘어오면 Ready로 이동

`LCD_writeStringXY()` : 공유 자원

`osMutexRelease()` : key를 넘겨줌

 

 

/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END 5 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_LCDTask01 */
/**
* @brief Function implementing the lcdTask01 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_LCDTask01 */
void LCDTask01(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LCDTask01 */
	int lcdCounter1 = 0;
	char buff[30];
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	sprintf(buff, "Task1 : %d            ", lcdCounter1++);
  	if(osMutexWait(LCDMutexHandle, osWaitForever) == osOK)
  	{
  		LCD_writeStringXY(0, 0, buff);
    	osMutexRelease(LCDMutexHandle);
  	}
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END LCDTask01 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_LCDTask02 */
/**
* @brief Function implementing the lcdTask02 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_LCDTask02 */
void LCDTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LCDTask02 */
	int lcdCounter2 = 0;
	char buff[30];
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	sprintf(buff, "Task2 : %d            ", lcdCounter2++);
  	if(osMutexWait(LCDMutexHandle, osWaitForever) == osOK)
  	{
  		LCD_writeStringXY(1, 0, buff);
    	osMutexRelease(LCDMutexHandle);
  	}
    osDelay(300);
  }
  /* USER CODE END LCDTask02 */
}

정상 출력

 

 

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Made By Minseok KIM