قليلا عن تعدد المهام في ميكروكنترولر

قليلا عن تعدد المهام

كل من يشارك يوما بعد يوم ، أو من حالة إلى أخرى ، يشارك في برمجة أدوات التحكم الدقيقة ، سوف يواجه السؤال عاجلاً أم آجلاً: هل يجب أن أستخدم نظام تشغيل متعدد المهام؟ يوجد الكثير منهم على الشبكة ، والكثير منهم مجاني (أو شبه مجاني). فقط اختر.

تنشأ شكوك مماثلة عندما تصادف مشروعًا يجب على المتحكّم المتحكم فيه تنفيذ عدة إجراءات مختلفة في وقت واحد. البعض منهم غير متصلين بالآخرين ، بينما الباقي ، على العكس من ذلك ، لا يمكن أن يخلو من بعضهم البعض. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون هناك الكثير من الاثنين. ما هو "أكثر من اللازم" يعتمد على من سيقيم عملية التطوير أو من سيقوم بتنفيذها. حسنا ، إذا كان هو نفس الشخص.

بدلاً من ذلك ، فهي ليست مسألة كمية ، ولكن مسألة اختلاف نوعي في المهام فيما يتعلق بسرعة التنفيذ ، أو بعض المتطلبات الأخرى. قد تنشأ مثل هذه الأفكار ، على سبيل المثال ، عندما يحتاج المشروع إلى مراقبة جهد الإمداد بانتظام (هل هو مفقود؟) ، غالبًا ما يقرأ ويحفظ قيم كميات المدخلات (لا تعطي راحة) ، ومراقبة درجة الحرارة أحيانًا والتحكم في المروحة (لا يوجد شيء للتنفس) ، تحقق من شاهد مع شخص تثق به (من الجيد لك أن تتولى أمره) ، والبقاء على اتصال مع المشغل (حاول ألا تهيجه) ، والتحقق من المجموع الاختباري للذاكرة الدائمة للبرنامج بحثًا عن الخرف (عند تشغيله ، أو مرة واحدة في الأسبوع ، أو في الصباح).

يمكن أن تكون هذه المهام غير المتجانسة مبرمجة وذات مغزى كبيرًا ، معتمدة على مهمة خلفية واحدة وقاطع مؤقت. في معالج هذه المقاطعات ، في كل مرة يتم تنفيذ واحدة من "قطع" المهمة التالية. اعتمادًا على الأهمية أو الإلحاح أو الاعتبارات المماثلة ، غالبًا ما تتكرر هذه التحديات في بعض المهام ، ولكن نادرًا ما تكون لبعض المهام الأخرى. ومع ذلك ، يجب علينا التأكد من أن كل مهمة تقوم بجزء قصير من العمل ، ثم تستعد للجزء الصغير التالي من العمل ، وما إلى ذلك. هذا النهج ، إذا اعتدت عليه ، لا يبدو معقدًا للغاية. يحدث الإزعاج عندما تريد إنشاء مشروع. أو ، على سبيل المثال ، نقل فجأة إلى آخر. تجدر الإشارة إلى أن الثانية غالبا ما تكون أكثر صعوبة ودون أي مهمة وهمية كثيرة.

ولكن ماذا لو كنت تستخدم نظام تشغيل جاهز لأدوات التحكم الدقيقة؟ بالتأكيد ، كثير يفعلون ذلك. هذا خيار جيد. لكن مؤلف هذه السطور ، حتى الآن ، كان ولا يزال مستمراً بسبب فكرة أنه سيكون من الضروري فهم ذلك ، بعد قضاء الكثير من الوقت ، اختر من بين ما تمكنا من الحصول عليه واستخدام ما هو مطلوب بالفعل فقط من هذا. وافعل كل هذا ، مانع لك ، الخوض في رمز شخص آخر! وليس هناك يقين من أنه في غضون ستة أشهر لن يتكرر هذا الأمر ، لأنه سيتم نسيانه.

بمعنى آخر ، لماذا تحتاج إلى مجموعة كاملة من الأدوات والتركيبات إذا تم تخزين دراجة واستخدامها هناك؟

لذلك ، كانت هناك رغبة في إجراء مهام "تبديل" بسيطة من أجل Cortex-M4 فقط (ربما ، حتى بالنسبة إلى M3 و M7). لكن الرغبة القديمة الجيدة في عدم توتير الكثير لم تختف.

لذلك ، نحن نفعل أبسط. يشارك عدد صغير من المهام وقت التنفيذ بالتساوي. كما في الشكل 1 أدناه ، تقوم أربع مهام بذلك. دع العنصر الرئيسي صفراً ، لأنه من الصعب تخيل الآخر.

من خلال العمل بهذه الطريقة ، يتم ضمان حصولهم على الفاصل الزمني أو الفترة الزمنية (القراد) ولا يُطلب منهم معرفة وجود مهام أخرى. ستحصل كل مهمة بالضبط بعد 3 علامات على فرصة للقيام بشيء ما.

ولكن ، من ناحية أخرى ، إذا كانت أي من المهام مطلوبة لانتظار حدث خارجي ، على سبيل المثال ، الضغط على زر ، فسوف تضيع بغباء وقتًا ثمينًا من متحكمنا. لا يمكننا أن نتفق مع هذا. ولدينا الضفدع (الضمير) - أيضا. يجب القيام بشيء ما.

ودع المهمة ، إذا لم يكن لديها ما تفعله حتى الآن ، إعطاء الوقت المتبقي من القراد إلى رفاقها ، الذين على الأرجح يحرثون بكل قوتهم.

بمعنى آخر ، المشاركة ضرورية. دع المهمة 2 تفعل ذلك تمامًا ، كما في الشكل 2.

ولماذا لا يُسمح للمهمة الأساسية في الخلفية بالتخلي عن بقية الوقت ، إذا ظل عليك الانتظار؟ لنسمح بذلك. كما هو مبين في الشكل 3.

وإذا كنت تعرف أن بعض المهام لن تتطلب منك قريبًا التحقق من شيء ما أو العمل فقط؟ وقد تسمح لنفسها بقلة نومها ، وبدلاً من ذلك ستضيع وقتها وتحت قدمها. ليس أمر ، فإنه يحتاج إلى إصلاح. دع المهمة 3 تفوت قطعة واحدة من وقتها (أو ألف). كما هو مبين في الشكل 4.

حسنًا ، كما نرى ، حددنا التعايش العادل بين المهام أو شيء من هذا القبيل. يجب علينا الآن جعل مهامنا الفردية تتصرف على النحو المنصوص عليه. وإذا حاولنا تقييم الوقت ، فيجب أن نتذكر لغة ذات مستوى منخفض (لست خائفًا من تجميع الكلمات) ولا أثق تمامًا في المترجم من أي لغة أو مستوى عالٍ أو مرتفع جدًا. في الواقع ، في أعماق قلوبنا ، نحن بحزم ضد كل التبعية. بالإضافة إلى ذلك ، حقيقة أننا لسنا بحاجة إلى أي أداة تجميع ، ولكن فقط من Cortex-M4 ، تعمل على تبسيط حياتنا.

بالنسبة للمكدس ، نختار منطقة واحدة مشتركة من ذاكرة الوصول العشوائي تملأ ، أي في اتجاه تقليل عناوين الذاكرة. لماذا؟ فقط لأنه لا يعمل بشكل مختلف. سنقسم هذه المنطقة الهامة عقلياً إلى أقسام متساوية وفقًا لعدد الحد الأقصى المعلن لمهامنا. يوضح الشكل 5 هذا لأربع مهام.

بعد ذلك ، نختار المكان الذي سنخزن فيه نسخ من مؤشرات المكدس لكل مهمة. الآن ، من خلال المقاطعة من المؤقت ، والتي نأخذها كجهاز توقيت للنظام ، نقوم بحفظ جميع سجلات المهمة الحالية في منطقة مكدسها (سجل SP يشير الآن إلى هناك) ، ثم نحفظ مؤشر مكدسه في مكان خاص (نحفظ قيمته) ، نحصل على مؤشر مكدس المهمة التالية ( إرسال قيمة جديدة إلى السجل SP) من مكاننا الخاص واستعادة جميع سجلاته. يشار الآن نسخهم من قبل سجل SP مهمتنا القادمة. حسنا ، نحن نخرج من المقاطعة ، بالطبع. علاوة على ذلك ، يظهر السياق الكامل للمهمة التالية في القائمة في السجلات.

ربما ، سيكون من غير الضروري القول أن التالي بعد المهمة 3 في قائمة الانتظار سيكون رئيسيًا. وليس من الضروري ، بالطبع ، أن نتذكر أن Cortex-M4 يحتوي بالفعل على مؤقت SysTick ومقاطعة خاصة منه ، ويعرف الكثير من مصنعي متحكم دقيق عن ذلك. سوف نستخدمها وهذا الانقطاع على النحو المنشود.

من أجل بدء مؤقت النظام هذا ، وكذلك إجراء جميع الأعمال التحضيرية والتحققات اللازمة ، يجب عليك استخدام الإجراء المخصص لهذا الغرض.

U8 main_start_task_switcher(void); 

يُرجع هذا الروتين 0 في حالة مرور جميع عمليات التحقق أو رمز خطأ في حالة حدوث خطأ ما. يتم تحديده ، بشكل أساسي ، ما إذا كان الكومة محاذاة بشكل صحيح وما إذا كانت هناك مساحة كافية لذلك ، وكذلك تمتلئ جميع الأماكن الخاصة بنا بالقيم الأولية. باختصار ، الملل.

إذا أراد شخص ما إلقاء نظرة على نص البرنامج ، فسيتمكن من القيام بذلك في نهاية السرد ، على سبيل المثال ، من خلال البريد الشخصي.

نعم ، لقد نسيت تمامًا عندما نأخذ سجلات المهمة التالية من التخزين لأول مرة في حياتها ، فمن الضروري أن تحصل على قيم أصلية ذات معنى. وحيث إنها ستقوم بإحضارهم من قسم المكدس الخاص بها ، فأنت بحاجة إلى وضعهم مسبقاً وتحريك مؤشر مكدسها بحيث يكون ملائمًا. لهذا نحن بحاجة إلى إجراء

  U8 task_run_and_return_task_number(U32 taskAddress); 

إلى هذا الروتين الفرعي ، نقوم بالإبلاغ عن عنوان 32 بت لبداية مهمتنا التي نريد تشغيلها. وهي (الروتين الفرعي) تخبرنا بعدد المهمة ، التي تحولت في جدول عام خاص ، أو 0 إذا لم يكن هناك مساحة في الجدول. بعد ذلك ، يمكننا تشغيل مهمة أخرى ، ثم مهمة أخرى ، على الرغم من أن الثلاثة جميعهم إضافة إلى مهمتنا الرئيسية التي لا تنتهي أبدًا. لن تعطيها أي رقم صفري لأي شخص.

بضع كلمات عن الأولويات. كانت الأولوية الرئيسية ولا تزال عدم زيادة تحميل القارئ بتفاصيل غير ضرورية.

ولكن على محمل الجد ، يجب أن نتذكر أن هناك انقطاعات من المنافذ التسلسلية ، من عدة اتصالات SPI ، من محول تمثيلي إلى رقمي ، ومن مؤقت آخر ، بعد كل شيء. وماذا سيحدث إذا كنا ننتقل إلى مهمة أخرى (سياق التبديل) عندما نكون في نوع من المقاطعة. بعد كل شيء ، لن تكون هذه مهمة مشروعة ، ولكن تكتل مؤقت للبرنامج. وسوف نحافظ على هذا السياق الغريب كنوع من المهمة. سيكون هناك ارتباك: طوق لا يربط ، لا يصلح الغطاء. توقف ، لا ، هذا من قصة مختلفة.

في حالتنا ، هذا ببساطة لا يمكن السماح به. يجب ألا نسمح لنا بتبديل السياق أثناء معالجة المقاطعة غير المخطط لها. فيما يلي أولويات هذا. علينا فقط الانتظار قليلاً ، وعندها فقط ، عندما تنتهي هذه الجرأة غير المسبوقة ، انتقل بهدوء إلى مهمة أخرى. باختصار ، يجب أن تكون أولوية مقاطعة تبديل المهام الخاصة بنا أضعف من أولوية أي من المقاطعات الأخرى المستخدمة. هذا ، بالمناسبة ، يتم أيضًا في إجراء بدء التشغيل الخاص بنا ، وهناك يتم تثبيته ، وهو الأكثر عدم أولوية على الإطلاق.

لم أكن أرغب في التحدث ، لكن كان علي أن أتحدث. يشتمل معالجنا على وضعين للتشغيل: متميز وغير متميز. وأيضًا سجلين لمؤشر المكدس:
SP الرئيسية وعملية SP. لذلك ، لن نتبادل التافه ، سنستخدم الوضع المميز فقط ومؤشر المكدس الرئيسي فقط. علاوة على ذلك ، تم إعطاء كل هذا بالفعل في بداية وحدة التحكم. لذلك ، نحن لسنا فقط تعقيد حياتنا.

يبقى أن نتذكر أن كل مهمة ، بالتأكيد ، ترغب في أن تكون قادرة على إلقاء كل شيء على الجحيم وكيفية الاسترخاء. وهذا يمكن أن يحدث في أي وقت خلال يوم العمل ، أي خلال القراد. يوفر Cortex-M4 لمثل هذه الحالات أمر تجميع خاص SVC ، والذي سوف نتكيف مع موقفنا. إنه يؤدي إلى مقاطعة تؤدي بنا إلى الهدف. وسنسمح للمهمة ليس فقط بمغادرة مكان العمل بعد الغداء ، ولكن ليس للمجيء غدا. لماذا ، دعها تأتي بعد العطلة. وإذا لزم الأمر ، فدعه يأتي عندما ينتهي الإصلاح أو لا يأتي على الإطلاق. للقيام بذلك ، هناك إجراء يمكن أن تسببه المهمة نفسها.

  void release_me_and_set_sleep_period(U32 ticks); 

يحتاج هذا الروتين فقط للإشارة إلى عدد القراد المخطط للراحة. إذا كانت القيمة 0 ، فيمكنك فقط استراحة بقية العلامة الحالية. إذا كانت 0xFFFFFFFF ، فإن المهمة "تنام" حتى يستيقظ شخص ما. تشير جميع الأرقام الأخرى إلى عدد العلامات التي ستكون خلالها المهمة في حالة نوم.

حتى يتسنى لشخص آخر أن يستيقظ المهمة من الجانب أو يجعله ينام ، اضطررت إلى إضافة مثل هذه الإجراءات.

  void task_wake_up_action(U8 taskNumber); void set_task_sleep_period(U8 taskNumber, U32 ticks); 

و ، فقط في حالة ، حتى مثل هذا الروتين الفرعي.

  void task_remove_action(U8 taskNumber); 

تحدث تقريبًا ، تشطب مهمة من قائمة الموظفين. بصراحة ، لا أعرف حتى الآن سبب كتابتها. فجأة تأتي في متناول اليدين؟

لقد حان الوقت لإظهار كيف يبدو المكان الذي يتم فيه استبدال مهمة ما بمهمة أخرى ، أي التبديل نفسه.

فقط في الحالة ، دعنا نتذكر أن بعض السجلات ، عند الدخول إلى المقاطعة ، يتم حفظها على المكدس دون مشاركتنا ، تلقائيًا (كما هو معتاد في Cortex-M4). لذلك ، نحن بحاجة فقط لإنقاذ الباقي. هذا يمكن أن ينظر إليه أدناه. لا تنزعج مما تراه ، فهذه هي إرشادات مجمّع Cortex-M4 (M3 ، M7) ، كما هو موضح في طاولة عمل IAR Embedded.

أولئك الذين لم يواجهوا بعد تعليمات التجميع ، فقط صدقوني ، هم يبدون هكذا بالفعل هذه هي الجزيئات التي تشكل أي برنامج تحت ARM Cortex-M4.

 SysTick_Handler STMDB SP!,{R4-R11} ;   LDR R0,=timersTable ;    LDR R1,=stacksTable ;    LDR R2,[R0] ;R2   ()  STR SP,[R1,R2,LSL #2] ;   SP (R2 * 4) __st_next_check ADD R2,R2,#1 ;   CMP R2,#TASKS_LIMIT ;R2-TASKS_LIMIT  BLO __st_no_border_yet ;   MOV R2,#0 ;    (main) LDR R3,[R1] ; main SP MOV SP,R3 B __st_timer_ok __st_no_border_yet ;; LDR SP,[R1,R2,LSL #2] ;    (errata Cortex M4) ;; CMP SP,#0 ; LDR R3,[R1,R2,LSL #2] ;  SP      CMP R3,#0 ; =0     BEQ __st_next_check MOV SP,R3 LDR R3,[R0,R2,LSL #2] ;  suspend timer CBZ R3,__st_timer_ok ; 0    ,   ; CMP R3,#0xFFFFFFFF ; ,   BEQ __st_next_check SUB R3,R3,#1 ;  1 STR R3,[R0,R2,LSL #2] ;  suspend timer B __st_next_check __st_timer_ok STR R2,[R0] ;     LDMIA SP!,{R4-R11} ;  R4-R11 BX LR 

تبدو معالجة المقاطعة التي طلبتها المهمة نفسها عندما تُرجع بقية علامة التجزئة متشابهة. الفرق الوحيد هو أنه لا يزال عليك القلق بشأن الحصول على القليل من النوم لاحقًا (أو النوم تمامًا). هناك دقة واحدة. يجب القيام بعملين ، اكتب الرقم المرغوب فيه في مؤقت السكون ويتسبب في مقاطعة SVC. حقيقة أن هذين الإجراءين لا يحدثان ذريًا (أي ليس كلاهما في نفس الوقت) تقلقني قليلاً. تخيل أن يكون لدينا جزءًا من الثانية من الزمن ، لقد استعدنا مؤقتًا ، وحينها حان الوقت للعمل في مهمة أخرى. بدأت الأخرى تنفق قرادها ، بينما ستكون مهمتنا النوم القراد التالي ، كما هو متوقع (لأن توقيته ليس صفراً). بعد ذلك ، عندما يحين الوقت ، ستتلقى مهمتنا علامة وسيقدمها على الفور لمقاطعة SVC ، بسبب الإجراءين اللذين لا يزال يتعين القيام به. في رأيي ، لن يحدث شيء رهيب ، لكن الرواسب ستبقى. لذلك ، سوف نفعل ذلك. يتم وضع مؤقت النوم في المستقبل في مكان أولي. يؤخذ من هناك بواسطة روتين المقاطعة نفسه من SVC. الذرية ، كما كانت ، تتحقق. هذا مبين أدناه.

 SVC_Handler LDR R0,__sysTickAddr ; SysTick  MOV R1,#6 ;   CSR ,   STR R1,[R0] ;Stop SysTimer MOV R1,#7 ; ,   STR R1,[R0] ;Start SysTimer ; STMDB SP!,{R4-R11} ;   LDR R0,=timersTable ;    LDR R1,=stacksTable ;    LDR R2,[R0] ;R2   ()  STR SP,[R1,R2,LSL #2] ;   SP (R2 * 4) LDR R3,=tmpTimersTable ;   tmpTimers LDR R3,[R3,R2,LSL #2] ;tmpTimer    STR R3,[R0,R2,LSL #2] ; timer  __svc_next_check ADD R2,R2,#1 ;   CMP R2,#TASKS_LIMIT ;R2-TASKS_LIMIT  BLO __svc_no_border_yet ;   MOV R2,#0 ;    (main) LDR R3,[R1] ; main SP MOV SP,R3 B __svc_timer_ok __svc_no_border_yet ;; LDR SP,[R1,R2,LSL #2] ;Restore SP does not work (errata Cortex M4) ;; CMP SP,#0 ; LDR R3,[R1,R2,LSL #2] ;  SP      CMP R3,#0 ; =0     BEQ __svc_next_check MOV SP,R3 LDR R3,[R0,R2,LSL #2] ;  suspend timer CBZ R3,__svc_timer_ok ; 0    ,   B __svc_next_check __svc_timer_ok STR R2,[R0] ;     LDMIA SP!,{R4-R11} ; R4-R11 BX LR 

تجدر الإشارة إلى أن كل هذه الروتين الفرعي ومعالجات المقاطعة تشير إلى منطقة معينة من البيانات ، والتي يبدو أن يؤديها المؤلف كما هو مبين في الشكل 7.

  DATA SECTION .taskSwitcher:CODE:ROOT(2) __topStack DCD sfe(CSTACK) __botStack DCD sfb(CSTACK) __dimStack DCD sizeof(CSTACK) __sysAIRCRaddr DCD 0xE000ED0C __sysTickAddr DCD 0xE000E010 __sysSHPRaddr DCD 0xE000ED18 __sysTickReload DCD RELOAD ;******************************************************************************* ; Task table for concurrent tasks (main is number 0). ;******************************************************************************* SECTION TABLE:DATA:ROOT(2) DS32 1 ;stack shift due to FPU mainCopyCONTROL DS32 1 ;Needed to determine if FPU is used mainPSRvalue DS32 1 ;Copy from main ;******************************************************************************* 

للتأكد من أن كل ما سبق أمر منطقي ، كان على المؤلف أن يكتب مشروعًا صغيرًا تحت منضدة IAR Embedded Workbench ، حيث تمكن من فحص كل شيء بالتفصيل ولمسه. تم اختبار كل شيء على وحدة التحكم STM32F303VCT6 (ARM Cortex-M4). أو بالأحرى ، باستخدام لوحة STM32F3DISCOVERY. هناك ما يكفي من المصابيح لإعطاء كل مهمة الكثير من الوميض مع LED الخاصة بها بشكل منفصل.

هناك عدد قليل من الميزات التي وجدتها مفيدة. على سبيل المثال ، روتين فرعي يحسب في كل منطقة مكدس عدد الكلمات غير المتأثرة ، أي ، يساوي الصفر. قد يكون ذلك مفيدًا عند تصحيح الأخطاء ، عندما تحتاج إلى التحقق مما إذا كان ملء المكدس بمهمة أو أخرى قريب جدًا من مستوى الحد.

  U32 get_task_stack_empty_space(U8 taskNum); 

أود أن أذكر وظيفة واحدة أخرى. هذه فرصة للمهمة نفسها لمعرفة رقمك في القائمة. يمكنك أن تقول لشخص ما في وقت لاحق.

 ;******************************************************************************* ; Example: U8 get_my_number(void); ;     (). ..    . ;******************************************************************************* get_my_number LDR R0,=timersTable ;    (currentTaskNumber) LDR R0,[R0] ;  BX LR ;============================================================== 

هذا ربما كل شيء في الوقت الراهن.