ReAl

Як працює цей приклад scmRTOS і що взагалі там відбувається?
Ілюстроване пояснення.

Пояснення базується на avr-gcc (WinAVR) порті системи для мікроконтролерів AVR, але може бути корисним для розуміння будь-якого порта системи.

Для детальної демонстрації процесів, що відбуваються в системі, приклад 1-EventFlag дещо розширено. В функції Exec() процесів, IdleProcessUserHook(), SystemTimerUserHook(), TIMER1_COMPA_vect() (файл main.cpp) а також в код перемикання контекстів (файл OS_Target_asm.S) додано команди зміни стану виводів мікроконтролера.

Виводи, що керуються з коду користувача scmRTOS, призначаються у файлі main.cpp:

Вивід контролера для керування з перемикача контекстів визначається в makefile:

Виводи підключено до логічного аналізатора. Контролер тактується від внутрішнього RC-генератора на 8 МГц, один тік системного таймера відповідає приблизно двом мілісекундам.

Приклади в репозиторії scmRTOS та її код можуть змінюватися. Крім того, перемикач контекстів в робочому коді не може містити команд керування виводами мікроконтролера, їх прибрано з коду в репозиторії. Звідси можна завантажити архів 1-EventFlag-explanation.zip з модифікованою scmRTOS та прикладом, які відповідають пропонованому тексту.
Приклад розраховано на компілятор avr-gcc (WinAVR) та на мікросхему з лінійки ATmega48/ATmega88/ATmega168/ATmega328, для інших мікроконтролерів може знадобитися внести зміни відповідно до використовуваних таймерів та виводів.

Розподіл входів аналізатора

Взаємна робота Proc2 та Proc3 — з пташиного польоту

Параметри компіляції прикладу:

main.cpp

Proc2 генерує імпульс довжиною в один тік системного таймера. Всі інші параметри компіляції при вивченні системи в такому масштабі неважливі.

1. Сигнал IDLEHOOK, який є меандром з періодом в декілька мікросекунд з короткими перервами на роботу процесів, в цьому масштабі відображається суцільною смугою.
2. Оскільки значення сигналу TIMERHOOK інвертується в функції OS::SystemTimerUserHook(), на відповідній лінії спостерігається меандр з періодом в два тіки системного таймера, близько чотирьох мілісекунд. Події на лініях PROC2 та PROC3 відбуваються синхронно зі зіміною стану на лінії TIMERHOOK.
3. В функції TProc2::Exec() є два виклики функції засинання просесу: Sleep(1) визначає довжину імпульса на лінії PROC2, Sleep(9) визначає час між імпульсами. Таким чином, Proc2 є мультивібратором з періодом імпульсів 10 тіків системного таймера (20 мс) та довжиною імпульсу 1 тік (2 мс).
4. Перед опусканням лінії PROC2 та засинанням на десять тіків Proc2 викликом ef.Signal(); пробуджує Proc3. Отримавши керування, TProc3::Exec() піднімає рівень на лінії PROC3 та знову засинає, тепер по виклику Sleep(). Час сну вибирається виходячи з стану біту 9 лічильника системних тіків, отриманого викликом OS::GetTickCount();. Протягом 512 тіків таймера (близько секунди) процес спить два тіки таймера, протягом іншої секунди сон триває три тіки таймера.
5. Прокидаючись після сну по системному таймеру Proc3 опускає сигнал на лінії PROC3 та викликом ef.Wait(); знову засинає в очікуванні сигналу від Proc2. Фактично Proc3 є одновібратором, що запускається по спаду імпульса на лінії PROC2.
6. Імпульси на лінії T1PROC1 не синхронізовані з системним таймером, бо вони породжуються в прериванні TIMER1_COMPA_vect(), яке активується з частотою, не кратною системному таймеру. Детальніше робота таймера 1 та Proc1 розглянута нижче.
7. На лінії SWITCH бачимо маркери перемикання процесів. Частина з них відповідає перепадам на лініях PROC2 та PROC3, частина — на лінії T1PROC1.

Перемикання з Proc2 на Proc3 — під мікроскопом

Параметри компіляції OC та прикладу (спільна частина для обох варантів розвитку подій):

scmRTOS_CONFIG.h

Перемикання контекстів виконується за допомогою переривання найнижчого рівня пріоритету, запит якого формується програмно. Перемикання, заплановане в результаті обробки інших преривань, починає працювати після виходу з цих преривань.

main.cpp

Для детального розгляду з коду Proc2 видалено затримку в один тік системного таймера при генерації імпульсу на лінії PROC2. Довжина імпульсу тепер визначається часом роботи функції ef.Signal() та, у варіанті 2, часом перемикання задач та роботи Proc3.

Варіант 1

Додаткові параметри компіляції:

main.cpp

Пріоритет Proc2 вищий, ніж Proc3.

1. При переході на підпрограму переривання від системного таймера припиняється генерація меандру на лінії IDLEHOOK в функції IdleProcessUserHook().
2. Після закінчення роботи системної частини підпрограми переривання викликається функція користувача SystemTimerUserHook(), в якій інвертується стан лінії TIMERHOOK.
3. Відбувається вихід з підпрограми переривання системного таймеру та вхід в переривання перемикання контексту. Між двома перериваннями може виконатися одна команда з коду перерваного процесу. На цій осцилограмі трапилося так, що цією командою було інвертування стану лінії IDLEHOOK.
4. Перемикання контексту, яке передає керування Proc2 в точку виходу з виклику Sleep(9). На початку перемикання піднімаєтьcя рівень на лінії SWITCH, по закінченні перемикання лінія SWITCH повертається до низького рівня. Довжина імпульсу показує час, необхідний власне для перемиканя контексту, без врахування витрат часу на диспетчеризацію.
5. В функції TProc2::Exec() піднімається лінія PROC2, викликається ef.Signal() і опускається лінія PROC2. По довжині імпульсу можна визначити час, необхідний для виконання функції Signal(). Тепер TProc2::Exec() робить виклик Sleep(10) і засинає, планувальник scmRTOS шукає готовий до виконання процес. Таким процесом є TProc3, який щойно отримав сигнал.
6. Відбувається чергове перемикання процесів (другий імпульс на лінії SWITCH), керування отримує TProc3::Exec().
7. Proc3 піднімає лінію PROC3, зчитує значення системного лічильника тіків і засинає на відповідний час, як це описано в розділі «Взаємна робота Proc2 та Proc3 — з пташиного польоту».
8. Знову перепланування процесів і, оскільки інших готових до виконання процесів немає, керування передається на IdleProcess (третій імпульс на лінії SWITCH).
9. Керування отримала функція TIdleProcess::Exec(), відновлюється перекидання лінії IDLEHOOK. Довжина паузи в меандрі показує повний час на обробку апаратного переривання, перепланування процесів, перемикання контекстів та виконання процесами своєї роботи, перемикання назад на процес IdleProcess.

Перемикання процесів відбувається по шляху IdleProcess → Proc2 → Proc3 → IdleProcess, разом три перемикання процесів.

Варіант 2

Додаткові параметри компіляції:

main.cpp

Пріоритет Proc2 нижчий, ніж у Proc3. Події розгортаються схожим на «Варіант 1» чином, але є відмінності після виклику ef.Signal() в TProc2::Exec().
Осцилограми змінюються наступним чином:

1. При переході на підпрограму переривання від системного таймера припиняється генерація меандру на лінії IDLEHOOK в функції IdleProcessUserHook().
2. Після закінчення роботи системної частини підпрограми переривання викликається SystemTimerUserHook(), в якій інвертується значення лінії TIMERHOOK.
3. Перше переривання перемикання контексту передає керування Proc2 в точку виходу з виклику Sleep(9).
4. В функції TProc2::Exec() піднімається лінія PROC2, викликається ef.Signal(). І тут, на відміну від першого варіанту, повернення з викликаної системної функції дещо затримується. В даному варіанті пріоритет Proc3 вищий, ніж Proc2, тому перепланування в кінці ef.Signal() активує перемикання на Proc3.
5. Перемикання процесів (другий імпульс на лінії SWITCH), керування отримує TProc3::Exec().
6. Proc3 піднімає лінію PROC3, зчитує значення системного лічильника тіків і засинає.
7. Залишається ще один активний процес — Proc2, контекст перемикається назад на TProc2::Exec() (третій імпульс на лінії SWITCH).
8. І от лише тепер відбувається «повернення» в TProc2::Exec() з функції ef.Signal(). Нарешті опускається лінія PROC2. На цій осцилограмі довжина імпульсу на лінії PROC2 набагато більша, ніж для попереднього варіанту, в нього ввійшли робота Proc3 та два перемикання процесів.
   Тепер TProc2::Exec() знову робить виклик Sleep(9), scmRTOS шукає готовий до виконання процес. Але для даного варіанту ним є не Proc3, він вже свою роботу зробив, а фоновий процес IdleProcess.
9. Останнє перемикання контекстів, керування передається на TIdleProcess::Exec().
10. Керування отримала функція TIdleProcess::Exec(), відновлюється перекидання лінії IDLEHOOK.

При такому співвідношенні пріоритетів виконання іде по шляху
IdleProcess → Proc2 → Proc3→ Proc2 → IdleProcess
Маємо чотири перемикання процесів.

З одного боку, роботу IdleProcess було перервано на довший час. В реальній системі перерваним міг би бути процес, який виконував би кориснішу роботу, ніж перекидання стану IO-ніжки у високому темпі.
З іншого боку, Proc3 отримав керування дещо раніше. Знову ж таки, в реальній системі, де між відправкою сигналу за допомогою ef.Signal() та засинанням Proc2 робив би більше роботи, в першому варіанті затримка до початку роботи Proc3 була б ще більша.
Який варіант кращий, залежить від конкретних умов, від логіки роботи системи. Цей приклад лише показує, що від вибору пріоритетів процесів залежатимуть затримки від подій до передачі керування потрібному процесові та час роботи процесів.

Передача сигналу від переривання таймера 1 до процесу 1

Ця частина прикладу відрізняється від попередніх лише тим, що передача сигналу через OS::TEventFlag Timer1_Ovf; відбувається не від одного процесу до іншого, а від підпрограми обробки переривання до процесу.

1. Як і на попередніх осцилограмах, меандр на лінії IDLEHOOK припиняється при виникненні переривання.
2. На вході в підрограму обробки переривання TIMER1_COMPA_vect() піднімається лінія T1PROC1, після чого викликом Timer1_Ovf.SignalISR(); посилається сигнал Proc1. Планувальник бачить необхідність перемикання процесів і активує запит переривання перемикання контекстів.
3. Після виходу з переривання TIMER1_COMPA_vect() відпрацьовує переривання перемикання контекстів, керування отримує TProc1::Exec().
4. Proc1 опускає рівень на лінії T1PROC1 і знову засинає викликом Timer1_Ovf.Wait(); до приходу сигналу. Довжина імпульсу на лінії T1PROC1 дає уявлення про мінімальний час затримки від апаратної події до того моменту, коли почне працювати код високопріоритетного процесу, що чекав на цю подію.
5. В даному випадку інших готових до виконання процесів нема і другим перемиканням контекстів керування повертається до IdleProcess.
6. TIdleProcess::Exec() відновлює роботу і на лінії IDLEHOOK знову з’являється меандр.