STM32のFreeRTOSを使ってみる

タスクのスケジューリング

STM32のFreeRTOSでタスクを複数同時に起動したときの動作を確認してみました。

まずは同じ優先度のタスクを4つ連続して起動してみました。
以下のコードをビルドしてSTM32に書き込みます。
ConsumptionTick()は指定したTick数、時間稼ぎをする関数です。

#include <STM32FreeRTOS.h>

              #include <stdarg.h>

              

              SemaphoreHandle_t xSemaphore;

              

              void _printf(const char *format, ...) {

                  xSemaphoreTake(xSemaphore,
              portMAX_DELAY);

                  va_list va;

                  va_start(va, format);

              //    TickType_t _nowTick =
              xTaskGetTickCount();

              //    char * _taskName = pcTaskGetTaskName(
              NULL );

              //    printf("[%s:%d] ",_taskName,
              _nowTick);    

                  vprintf(format, va); 

                  va_end(va);

                  xSemaphoreGive(xSemaphore);

              }

              

              // 時間稼ぎ(Gain time)

              void ConsumptionTick(int delay) {

                  TickType_t startTick;

                  TickType_t endTick;

                  TickType_t nowTick;

                  startTick = xTaskGetTickCount();

                  endTick = startTick + delay;

                  //printf("startTick=%d
              endTick=%d\n",startTick,endTick);

                  while(1) {

                    nowTick =
              xTaskGetTickCount();

                    if (nowTick > endTick)
              break;

                  }

              }

              

              // Task Body

              void task(void *pvParameters)

              {

                  UBaseType_t prio;

                  TickType_t nowTick;

              

                  prio = uxTaskPriorityGet( NULL );

                  nowTick = xTaskGetTickCount();

              //    printf("[%s:%d] start
              Priority=%d\n",pcTaskGetName(0),nowTick,(int)prio);

                  _printf("[%s:%d] start
              Priority=%d\n",pcTaskGetName(0),nowTick,(int)prio);

                  ConsumptionTick(200);

                  nowTick = xTaskGetTickCount();

              //    printf("[%s:%d]
              end\n",pcTaskGetName(0),nowTick);

                  _printf("[%s:%d]
              end\n",pcTaskGetName(0),nowTick);

                  vTaskDelete( NULL );

              }

              

              

//------------------------------------------------------------------------------

              void setup() {

                portBASE_TYPE xTask1, xTask2, xTask3, xTask4;

              

                Serial.begin(115200);

                Serial.println("setup() start");

                Serial.print("configTICK_RATE_HZ:");

                Serial.println(configTICK_RATE_HZ);

                Serial.print("portTICK_PERIOD_MS:");

                Serial.println(portTICK_PERIOD_MS);

                Serial.print("freeRTOS version:");

                Serial.println(tskKERNEL_VERSION_NUMBER);

              

              #if 1

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=2

              // Task3 is started in priority=2

              // Task4 is started in priority=2

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

              #endif

              

              #if 0

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=3

              // Task3 is started in priority=4

              // Task4 is started in priority=5

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 3, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 4, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 5, NULL);

              #endif

              

                /* Check everything was created. */

                configASSERT( xTask1 );

                configASSERT( xTask2 );

                configASSERT( xTask3 );

                configASSERT( xTask4 );

              

                /* Create Mutex for printf */

                xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();

                /* Check everything was created. */

                configASSERT( xSemaphore );

                

                // start scheduler

                Serial.println("Start Scheduler.....");

                vTaskStartScheduler();

                while (1) {

                  Serial.println("Insufficient RAM");

                  delay(1000);

                }

              }

              

//------------------------------------------------------------------------------

              // WARNING loop() called from vApplicationIdleHook(), so
              don't use this function.

              // loop must never block

              void loop() {

                // Not used.

              }

結果は以下の様になりました。
こちらに FreeRTOSのタスク・スケジューリングの詳細が公開されていますが、pre-empteve方式を採用しています。
全てのタスクは同じ優先度で実行可能状態になりますが、全てのタスクに「公平な」割合のプロセッサ時間を与えているので
ほぼ同時にタスクが完了します。

setup() start

              configTICK_RATE_HZ:1000

              portTICK_PERIOD_MS:1

              freeRTOS version:V9.0.0

              Start Scheduler.....

              [Task1:0] start Priority=2

              [Task2:1] start Priority=2

              [Task3:1] start Priority=2

              [Task4:1] start Priority=2

              [Task1:211] end

              [Task2:214] end

              [Task3:222] end

              [Task4:233] end

次に、後から起動するタスクの優先度を上げてみました。
以下の部分を変更し、ビルドしてSTM32に書き込みます。

#if 0

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=2

              // Task3 is started in priority=2

              // Task4 is started in priority=2

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

              #endif

              

              #if 1

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=3

              // Task3 is started in priority=4

              // Task4 is started in priority=5

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 3, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 4, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 5, NULL);

              #endif

結果は以下の様になりました。
優先度の高いタスクが終わると、次の優先度のタスクが動き始めます。
優先度の高いタスクにCPU実行権を与えるのは、RTOSの基本です。

setup() start

              configTICK_RATE_HZ:1000

              portTICK_PERIOD_MS:1

              freeRTOS version:V9.0.0

              Start Scheduler.....

              [Task4:0] start Priority=5

              [Task4:209] end

              [Task3:210] start Priority=4

              [Task3:414] end

              [Task2:415] start Priority=3

              [Task2:619] end

              [Task1:620] start Priority=2

              [Task1:824] end

FreeRTOSではprintf()を使うことができますが、現在の実装には一部不具合(??)が有ります。
_printf()の代わりにprintf()を使うように変更して、ビルドしてSTM32に書き込みます。

{前略}

              

              // Task Body

              void task(void *pvParameters)

              {

                  UBaseType_t prio;

                  TickType_t nowTick;

              

                  prio = uxTaskPriorityGet( NULL );

                  nowTick = xTaskGetTickCount();

                  printf("[%s:%d] start
              Priority=%d\n",pcTaskGetName(0),nowTick,(int)prio);

              //    _printf("[%s:%d] start
              Priority=%d\n",pcTaskGetName(0),nowTick,(int)prio);

                  ConsumptionTick(200);

                  nowTick = xTaskGetTickCount();

                  printf("[%s:%d]
              end\n",pcTaskGetName(0),nowTick);

              //    _printf("[%s:%d]
              end\n",pcTaskGetName(0),nowTick);

                  vTaskDelete( NULL );

              }

              

              {中略}

              

              #if 1

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=2

              // Task3 is started in priority=2

              // Task4 is started in priority=2

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

              #endif

              

              #if 0

              // Task1 is started in priority=2

              // Task2 is started in priority=3

              // Task3 is started in priority=4

              // Task4 is started in priority=5

                xTask1 = xTaskCreate(task, "Task1",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);

                xTask2 = xTaskCreate(task, "Task2",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 3, NULL);

                xTask3 = xTaskCreate(task, "Task3",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 4, NULL);

                xTask4 = xTaskCreate(task, "Task4",
              configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 5, NULL);

              #endif

              

              {後略}

結果は以下の様になります。
各タスクが一斉に始まり、一斉にプリントしますが、Serialオブジェクトがスレッドセーフではないので、表示が混じります。
これはとっても深刻な問題で、Arduno core for STM32が提供するIOオブジェクトがスレッドセーフではないので、
IOを行うタスクが同時に動くことが出来ないことを示しています。
_printf()はprintf()のラップ関数ですが、MUTEXを使ってSerialオブジェクトを排他制御しています。
IOを行うタスクでは、このようにオブジェクトを排他制御する必要が有ります。

setup() start

              configTICK_RATE_HZ:1000

              portTICK_PERIOD_MS:1

              freeRTOS version:V9.0.0

              Start Scheduler.....

              0] start Priority=2

              rity=2

              0] start Priority=2

              rity=2

              0] start Priority=2

              0] start Priority=2

              rity=2

              rity=2

              [Task3:218] end

              [Task4:225] end

              [Task1:230] end

              [Task2:238] end

続く．．．