programação concorrente e cmsis rtos

1César Ofuchi – [email protected]

Programação Concorrente e

CMSIS RTOS

César Yutaka Ofuchi

[email protected]

(adaptado do prof. André Schneider de Oliveira)

mailto:[email protected]


Referências Úteis

• Trevor Martin-The Designer’s Guide to

the Cortex-M Processor Family-Newnes(2016)

– Capítulo 9: Cortex Microcontroller Software

Interface Standard-Real Time Operating

System

• Material Complementar– (site prof. Andre Schneider)

http://dainf.ct.utfpr.edu.br/~andre/doku.php?id=sistemas_embarcados

– (site prof. Carlos Maziero)

http://wiki.inf.ufpr.br/maziero/doku.php

- CMSIS RTOS

https://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/RTOS/html/index.html

http://dainf.ct.utfpr.edu.br/~andre/doku.php?id=sistemas_embarcados

http://wiki.inf.ufpr.br/maziero/doku.php


Concorrência

• Um programa concorrente descreve diversas

atividades que ocorrem simultaneamente, de

modo diferente de programas comuns, que

descrevem apenas uma atividade (ex: função

main em linguagem C)


Prog. Sequencial x Prog. Concorrente

• Analogia indivíduo x equipe

– Indivíduo:

• Responsável por todas as tarefas

– Equipe:

• Ocorre divisão de tarefas entre vários indivíduos


Vantagens do Trabalho em Equipe

• Em uma equipe é menos complexo definir o

trabalho de cada indivíduo

• Não há necessidade de um indivíduo mudar de

atividade ao longo do tempo

• Há separação entre atividade e controle de

atividade (priorização)


Implementação de Concorrência

Tarefa

1

Tarefa

2

Tarefa

3

Laço

Interrupção 1

Interrupção 2

Interrupção 3

Tarefa

1

Tarefa

2

Tarefa

3

Int

Int

Sequencial Laço + Interrupções RTOS (Multi-thread)

- Periféricos

- Eventos externos

- Comunicação


Desafios

• Multi-core

– Sincronização de tarefas: 1 processo dividido em 2 ou

mais threads (ociosidade, paralelismo)

• Mono-core

– Preempção de tarefas: capacidade de interromper o

processo e trocar por outro (troca de contexto, pilha,

prioridade)

• Compartilhamento de recursos

– Processador : chaveamento de contexto

– Regiões de memória :variáveis compartilhadas - conflito

– Periféricos: múltiplos acessos, acessos simultâneos,

conflitos de interrupção


Multi-threading com RTOS

• Múltiplas “linhas” de execução

P1 P2 ... Pn

Real Time OS

Hardware

Processador

Memória

Periféricos

Múltiplos processos

Memória compartilhada

Periféricos compartilhados

Controle de execução de

tarefas

Gerenciamento de Memória


Multi-threading com RTOS

• RTOS cria processadores virtuais idênticos– Registradores e pilha individuais

• Sistemas multi-core– Muito mais processadores virtuais do que núcleos

• A soma da capacidade de processamento dos

processadores virtuais é igual à capacidade de

processamento original


Regiões de Memória

Flash

CODE

RAM

HEAP

STACK

DATA

CPU

Registradores

Programação sequencial


Regiões de Memória

Programação concorrente com RTOS

FlashCODE

RAMHEAP

DATA

RAMRegs 1

STACK 1

RAMRegs n

STACK n

...

CPURegistradores


Efeito ao Longo do Tempo

(granularidade grossa)

Uma Thread é iniciada até uma ociosidade (desperdício), nesse

ponto inicia outra thread

segundos

Como as tarefas parecem estar sendo executadas:



(granularidade fina)

Rodízio aproveitando todos os ciclos de clock, sem ociosidade

milisegundos

Porém, apenas uma tarefa é executada por vez...



(granularidade)

Thread A

A1 A2 X X A3

Thread B

B1 X X B2 X

Thread C

C1 C2 C3 C4 X

Granularidade grossa

A1 A2 X B1 X C1 C2 C3 C4 X A3 B2

Granularidade fina

A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 C3 C4

ORDEM: A->B->C


Acesso a Recursos Compartilhados

• Acessos múltiplos a recursos compartilhados, sem modificações de estado, podem ocorrer em paralelo sem conflitos (leitura x atualização)

• Problemas surgem quando acessos aos recursos compartilhados modificam o seu estado– Acesso concorrente a memória

compartilhada

– Acesso concorrente a periférico compartilhado


Conceito de Seção Crítica

• Thread pode ser dividida em seção crítica e não-crítica

• A seção crítica está relacionada com a área de código que acessa o recurso compartilhado


Conceito de Seção Crítica

• Solução: apenas uma thread pode estar acessando a sua seção crítica

• Um único processo pode estar nesta seção em determinado instante de tempo

• Certificar-se de que no máximo um processo pode entrar na sua seção crítica (exclusão mútua)


Maiores Preocupações da Programação Concorrente

• Exclusão mútua– Apenas um processo na seção crítica em determinado

instante de tempo (concorrentemente)

• Ausência de impasse (deadlock)– Se dois ou mais tentarem entrar, ao menos um terá sucesso

(disputa pelo acesso à seção crítica)


Maiores Preocupações da Programação Concorrente

• Ausência de atrasos desnecessários– Se não houver outros processos na seção crítica, um processo

tentando entrar não deve sofrer atrasos

• Garantia de entrada– todas as thread devem ter a oportunidade de acessar a sua

seção crítica


Real Time Operating System (RTOS)

• Noção de Tempo– Qualitativa (quanto o tempo é

representado por palavras como

antes, depois, alguma hora, etc.)

• Exemplo: Abrir a porta depois de

apertar o botão.

– Quantitativo (noção numérica,

tempo é medido utilizando um

relógio real)

• Exemplo: Sistema air bag deve

funcionar em 1-2 milissegundos.

Sistema Real Time ... Existe tempo não real?

Sistema tem restrições de tempo para funcionar corretamente!


Tipos de Tempo Real

• Divisão entre 2/3 categorias

Hard Real Time

- Sistema deve cumprir deadline senão resulta em falha.

- Consequências catrastróficasquando falha.

Exemplo:

Airbag

Soft Real Time

- Deadlines são toleráveis mas indesejáveis.

- Atrelado a Qualidade de Serviço (QoS).

Exemplo:

Streaming de vídeo

Botão do teclado

Firm Real Time

- Sistema não cumprir deadline não produz falha.

- Resultado é obsoleto e deve ser descartado.

Exemplo:

Robo que faz a manufatura de uma peça (cuja falha é detectada no setor de qualidade)


CMSIS


CMSIS RTOS KEIL RTX

• Segue o padrão CMSIS voltado

para a linha Cortex

Obs: (ARM comprou a KEIL em 2005)


Outros RTOS

RTOS Empresa Características

FreeRTOS FreeRTOS OpenSouce gratuíto

μC/OS Micrium Sistema pago, com certificação para

indústria (automotivo, aviônica,

ferroviário, etc)

Linux RT Linux OpenSouce, porém ocupa muita

memória e não é próprio para μC de

entrada

TI-RTOS Texas

Instruments

MQX Freescale/N

XP

...


Estado das Tarefas no CMSIS RTOS

Time^Signal^Message^Mail^Release

Yield

^Scheduling

Scheduling


Estado das Tarefas

• Pronta (Ready): A tarefa está em memória,

pronta para executar (ou para continuar

sua execução), apenas aguardando a

disponibilidade do processador.

• Executando(Running): O processador está

dedicado à tarefa, executando suas

instruções e fazendo avançar seu estado

• Esperando(Waiting): A tarefa não pode

executar porque esta esperando dados

externos ainda não disponíveis, algum tipo

de sincropnização (fim de outra tarefa

para liberar recurso compartilhado) ou

eventos temporais (como delay).

• Inativa (Inactive): O processamento da

tarefa foi encerrado


Transições

• Pronta -> Executando: Tarefa escolhida

pelo escalonador.

• Executando->Pronta: Acaba a fatia de

tempo destinada à tarefa; como nesse

momento a tarefa não precisa de outros

recursos além do processador, ela volta

a fila de tarefas prontas.

• Executando->Terminada: Tarefa encerra

execução ou é abortada por algum erro.

• Executando->Esperando: tarefa precisa

de um recurso não disponível, como

dados ou sincronização; ela abandona o

processador e fica esperando o recurso.

• Esperando->Pronta: O recurso solicitado

esta disponível, ela pode executar e

entra na fila ao estado pronta.


Prioridades

osPriorityIdle = -3,

osPriorityLow = -2,

osPriorityBelowNormal = -1,

osPriorityNormal = 0,

osPriorityAboveNormal = +1,

osPriorityHigh = +2,

osPriorityRealtime = +3,

osPriorityError = 0x84


Implementação RTX

• Adicionar o arquivo de configuração RTOS no projeto:

RTX_Conf_CM.c

• Adicionar a biblioteca Cortex-M3 no projeto:

RTX_LIB_CM.a

• Incluir o header no programaprincipal:

#include "cmsis_os.h”


Kernel (Núcleo do SO)

Através do Kernel RTOS é possível

• obter informações do sistema e do Kernel

• obter a versão do CMSIS-RTOS API

• inicializar o Kernel e criar os objetos RTOS

• iniciar a execução do Kernel RTOS e do

gerenciamento das threads

• verificar o status da execução do Kernel RTOS


Os elementos do Kernel seguem um ciclo de

vida:

1. Definição

2. Inicialização

3. Operação

4. Término

Ciclo de Vida dos Elementos do Kernel


Informação e Controle do Kernel

• osKernelInitialize - Inicializa o kernel

• osKernelStart - Ativa o kernel

• osKernelRunning - Consulta se o kernel está ativo

• osKernelSysTick - Obtém o valor do temporizador do

kernel

• osDelay (função de espera genérica) - Espera por um tempo

específico


Definição e Acesso das Threads

osThreadDef(job1, osPriorityAboveNormal, 1, 0)

•Macro que cria uma instância de uma estrutura do tipoosThreadDef_t, que contém:

– nome da tarefa

– prioridade

– número máximo de instâncias

– tamanho da pilha em bytes

•O nome desta instância é: os_thread_def_job1

osThread(job1)

•Macro que é expandida para: &os_thread_def_job1, ou seja, um

ponteiro para a estrutura criada com osThreadDef


Gerenciamento de Tarefas

• osThreadCreate - Ativa a execução de uma tarefa

• osThreadTerminate - Desativa a execução de uma tarefa

• osThreadYield - Passa a execução à próxima tarefa que pronta

• osThreadGetId - Obtém o identificador que referencia a tarefa

• osThreadSetPriority - Altera a prioridade de uma tarefa

• osThreadGetPriority - Obtém a prioridade atual de uma tarefa


Estrutura Básica

#include "cmsis_os.h"

// definições de tarefas, temporizadores, etc.

// declarações das funções das tarefas e de callback

void main(){

osKernelInitialize();

// inicializações de hardware

// ativação de tarefas, temporizadores, etc.

osKernelStart();

// laço de repetição ou encerramento da tarefa main()

} // main


Exemplo de Uso (Tarefa)

#include "LPC13xx.h" // CMSIS-Core

#include "gpio.h" // Lib_EABaseBoard

#include "cmsis_os.h" // CMSIS-RTOS

void thread1(void const *argument){

while(1){

GPIOSetValue(0, 7, 0); // apaga LED2

osDelay(500);

GPIOSetValue(0, 7, 1); // acende LED2

osDelay(500);

}

}

osThreadDef(thread1, osPriorityNormal, 1, 0);


Exemplo de Uso (Tarefa)

void main(){

osKernelInitialize();

SystemInit();

GPIOInit();

GPIOSetDir(0, 7, 1); // LED2 como saída

osThreadCreate(osThread(thread1), NULL);

osKernelStart();

osDelay(osWaitForever);

}

39César Ofuchi – [email protected]/19/2017

Exemplo Thread no RTOS LPC1343


Prática

Fazer o download do novo workspace com CMSIS RTOS na página

• Habilitar exemplo RTOS_1 thread e testar

• Avaliar o arquivo cmsis_os.h

• Avaliar arquivo de configuração RTX_Conf_CM.c


Projeto e Análise de sistemas concorrentes

• Projeto teórico– Diagrama de estados e transições

• Análise dos resultados– Diagrama de Gantt

10/19/2017


Diagrama de Estados e Transições

• Realizar a representação gráfica das principais

ações e eventos da solução proposta

• Organizar o estudo do problema e esboço da

solução

• Importante ferramente para agilizar o

desenvolvimento


43

Principais Entidades

Estado inicial

Estado final

Estado

Transição

Condição

evento [condição] / ação


Exemplo: Semáforo

• Cruzamento de duas vias de mão única com

dois semáforos S1 e S2

• TVerde = 20 seg

• TAmarelo = 4 seg

• TVermelho = 28 seg

• TSobreposição = 2 seg

S1

S2


Diagrama de Tempo

S1

S2

Vermelho Verde A Vermelho Verde A

Verde A Vermelho Verde A Vermelho

28 20 4 28 20 4

20 4 28 20 4 28

S1 – Semáforo 1S2 – Semáforo 2

t(s)


Número de Estados

S1

S2

Vermelho Verde A

Verde A Vermelho

1 2 3 4 5 6 1


Exemplo: Semáforo Inteligente

• Além dos dois semáforos S1 e S2, existem

também contadores de veículos (c1 e c2)

• Deixar verde > tempo para rua com > carros

• TContagem = 5 min

• c1 ≥ c2 → TVerde1 = 30 seg

→ TVerde2 = 20 seg

• c1 < c2 → TVerde1 = 20 seg

→ TVerde2 = 30 seg S1

S2

c1c2


Diagrama de Estados e Transições

• Draw.io (ferramenta de desenho na

nuvem)

– https://www.draw.io/

• Yakindu Statechart Tools (desenho +

simulação)

– http://statecharts.org/


Diagrama de Gantt

• Objetiva descrever a descrição das etapas de um

projeto em relação ao tempo

• Também pode ser aplicado para ilustrar a

execução de um sistema multithread,

– cada etapa representa o estado de uma thread


Diagrama de Gantt


Tipos de Tarefas


Diagrama de Gantt

• Mermaid Live Editor

https://knsv.github.io/mermaid/live_editor/

• Documentação Diagrama de Gantt

https://mermaidjs.github.io/gantt.html


Prática gerar diagramas de Gantt

• Mermaid Live Editor


• Documentação Diagrama de Gantt

https://mermaidjs.github.io/gantt.html


Prática – Gerar Diagramas de Gantt

• Habilitar exemplo Gantt_diagram e testar

• Abrir a pasta do projeto no diretório “Examples” e copier conteúdo do arquivo “gantt.txt”

• Abrir o site e colar no text box do lado esquerdo



Exemplo RTOS Gantt 1/2


Exemplo RTOS Gantt 2/2


Roadmap Laboratórios -> Prova

DataLogger 1.0

- FatFs/SD Card

- Drivers

- Timers

DataLogger 2.0

- RTOS

-Processamento dos dados

- Interrupção

- Comunicação Serial com PC

DataLogger 3.0

-Comunicação Serial com PC

-Protocolo de comunicação (Máquina de

Estados)

-Escalonamento

Prova 2

Questões

30%

Apresentação 70%

dia semana atividade de entrega

19/10/2017 hoje Prévia laboratórios

26/10/2017 semana 1 Datalogger 1.0

02/11/2017 Recesso/feriado semana 2

09/11/2017 semana 3

16/11/2017 semana 4 Datalogger 2.0

23/11/2017 semana 5

30/11/2017 semana 6

07/12/2017 semana 7 Prova -> apresentação Datalogger 3.0 + questões

14/12/2017 semana 8 Recuperação/Fechamento


Problemas com tempo de kit

• Diminução do tempo de aula teórica (maior

tempo de aula prática)

• Entregas serão em semanas distintas do prof.

André Schneider

• Agendar horário com professor para utilizar um kit

e mandar e-mail com dúvidas (avaliando)

• Simulação de partes do código


Simulação

• Gravação de arquivo:– fprintf em arquivo (similar ao gantt)

• Comunicação serial com PC– com0com null modem emulator

– Free Virtual Serial Ports emulator

• Sensores (geração de valores aleatórios+delay)

programação concorrente e cmsis rtos

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