【実装】
当初、アセンブラの利用もやむなしと考えていたが、コンテキスト・スイッチングにsetjmp()/longjmp()を使ったおかげで全てをＣ／Ｃ＋＋言語だけで記述することができてしまった。と言ってもＳＤＫで定義されているＣＰＵ命令マクロなどは使っているので完全にＣ／Ｃ＋＋言語だけとは言えないような気もするが．．．
普段はヘッダーファイルだけで記述することが多いのだが、ヘッダーファイルだけにすると双方向参照をうまく解決することができないので、今回は明確にヘッダーとコードを分け、さらにインクルードを簡単にするために複数のヘッダーファイルを一つにまとめたインクルード専用ヘッダーファイルを作成してみた。
【構成】
avros.h … 共通インクルード・ファイル
heap.h … メモリ管理クラス
task.h/task.cpp … タスク管理クラス
timer.h/timer.cpp … タイマー管理クラス
wait.h…同期管理のベース・クラス
pcint.h/pcint.cpp … ＧＰＩＯ管理クラス
sem.h/sem.cpp … セマフォ・クラス
mutex.h/mutex.cpp … ミューテックス・クラス
queue.h … キュー・ライブラリ
ioport.h … ＧＰＩＯライブラリ
variants.h … ボード仕様の定義
【共通インクルード】
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/* avros.h - Multitask Library Header for AVR Series Copyright (c) 2021 Sasapea's Lab. All right reserved. This library is free software; you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or (at your option) any later version. This library is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU Lesser General Public License for more details. You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with this library; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA */ #ifndef __AVROS_H #define __AVROS_H #include "ioport.h" #include "variants.h" #include "heap.h" #include "queue.h" #include "task.h" #include "timer.h" #include "wait.h" #include "pcint.h" #include "mutex.h" #include "sem.h" #endif |
【タスク管理クラス】
タスク生成は任意のタイミングで生成が可能。また、一般的にはスケジューラの開始関数呼び出しから戻ることが出来ないが、スケジューラー開始時のコール・コンテクストをデフォルト・タスクとして割り当てることで関数呼び出しから戻ることが可能となっており、arduino等の既存プラットフォームとの親和性を高く保つことができるよう考慮している。
なお、全タスクが休止状態になるとスリープモードに入り割り込みだけを待つようになる。スリープ・モードの規定値はアイドル・モードであるが変更は可能。パワーマネジメントは仕様外ではあるものの、うまく連携できる仕組みを作れるなら超省電力化も夢ではない。かも。
【概要】
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bool create(TASK_START_T func, void *arg = nullptr, size_t size = TASK_STACK_SIZE, uint8_t prio = TASK_PRIO_LOW); |
タスクを生成しスタート関数(func)を実行する。スタート関数には一個のパラメタ(arg)を渡すことができる。引数省略時、128バイトのスタック領域、最低優先度として生成される。より大きなスタック領域を必要とするコードを実行する場合はスタック領域として適切な値を指定すること。指定関数(func)から戻るとタスクは削除される。タスクが生成されるとtrue、失敗するとfalseを返す。
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1 |
bool run(uint8_t prio = TASK_PRIO_LOW); |
スケジューラーを開始する。prioはデフォルト・タスクの優先度を指定する。デフォルト・タスクとしてこの呼出しから戻ってくる。
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1 |
uint8_t priority(uint8_t prio); |
カレント・タスクの優先度を変更し変更前の優先度を返す。優先度が変更されなかった場合は、0xFFが返される。
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1 |
void sleepmode(TASK_SLEEP_MODE mode); |
全タスク休止時のスリープ・モードを設定する。
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1 |
void yield(void); |
カレント・タスクと同一優先度内でラウンドロビン・スケジューリングを行う。
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1 |
size_t freeStack(void); |
カレント・タスクの空きスタック領域のバイト数を取得する。空きスタック領域が少なすぎるとスタック・オーバーフローとなる可能性がある。デバッグ用であり運用時の使用は推奨しない。
【ソース・コード】
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/* task.h - Task Function Class Copyright (c) 2021 Sasapea's Lab. All right reserved. This library is free software; you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or (at your option) any later version. This library is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU Lesser General Public License for more details. You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with this library; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA */ #ifndef __TASK_H #define __TASK_H #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include <setjmp.h> #define TASK_PRIO_LOW 7 #define TASK_PRIO_HIGH 0 #define TASK_STACK_SIZE 128 // default stack size. typedef enum : uint8_t { TASK_SLEEP_IDLE = SLEEP_MODE_IDLE, TASK_SLEEP_ADC = SLEEP_MODE_ADC, TASK_SLEEP_PWR_DOWN = SLEEP_MODE_PWR_DOWN, #if defined(SLEEP_MODE_PWR_SAVE) TASK_SLEEP_PWR_SAVE = SLEEP_MODE_PWR_SAVE, #endif #if defined(SLEEP_MODE_STANDBY) TASK_SLEEP_STANDBY = SLEEP_MODE_STANDBY, #endif #if defined(SLEEP_MODE_EXT_STANDBY) TASK_SLEEP_EXT_STANBY = SLEEP_MODE_EXT_STANDBY, #endif TASK_SLEEP_DISABLE = 0xFF, } TASK_SLEEP_MODE; typedef void (*TASK_START_T)(void *arg); class Timer; typedef struct TASK { struct TASK *next; struct TASK **tail; uint8_t pbit; uint8_t pmsk; jmp_buf context; struct TASK *timer; struct TASK *event; Timer *wait; int8_t wcode; union { struct { TASK_START_T func; void *arg; } start; uint32_t time; } x; void *mblk; size_t size; } TASK_T; class Task { private: static TASK_T *_tail[TASK_PRIO_LOW + 1]; static TASK_T *_head; static TASK_T *_curr; static uint8_t _prio; static TASK_SLEEP_MODE _sleep; static uint8_t msbpos(uint8_t val); static void freeStackInit(void); protected: static void enqueue(TASK_T *task); static TASK_T *dequeue(void); static void switching(void); static void scheduling(void) __attribute__((noreturn)); static TASK_T *init(TASK_T *task, uint8_t prio); static TASK_T *current(void); public: static bool create(TASK_START_T func, void *arg = nullptr, size_t size = TASK_STACK_SIZE, uint8_t prio = TASK_PRIO_LOW); static bool run(uint8_t prio = TASK_PRIO_LOW); static uint8_t priority(uint8_t prio); static void sleepmode(TASK_SLEEP_MODE mode); static void yield(void); static size_t freeStack(void); }; #endif |
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/* task.cpp - Task Function Class Copyright (c) 2021 Sasapea's Lab. All right reserved. This library is free software; you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or (at your option) any later version. This library is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU Lesser General Public License for more details. You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with this library; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA */ #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <avr/io.h> #include <avr/sleep.h> #include <avr/cpufunc.h> #include <avr/pgmspace.h> #include <util/atomic.h> #include "avros.h" TASK_T *Task::_tail[]; TASK_T *Task::_head; TASK_T *Task::_curr; uint8_t Task::_prio; TASK_SLEEP_MODE Task::_sleep = SLEEP_MODE_IDLE; uint8_t Task::msbpos(uint8_t val) { static const uint8_t MSBPOS[] PROGMEM = { 0xFF, 0x00, 0x01, 0x01, 0x02, 0x02, 0x02, 0x02, 0x03, 0x03, 0x03, 0x03, 0x03, 0x03, 0x03, 0x03 }; uint8_t off = 0; if (val >= 0x10) { off = 4; val = __builtin_avr_swap(val); } return pgm_read_byte(MSBPOS + (val & 0x0F)) + off; } void Task::enqueue(TASK_T *task) { uint8_t last = msbpos(_prio & task->pmsk); if (last <= TASK_PRIO_LOW) { TASK_T **tail = &_tail[last]; task->next = (*tail)->next; *task->tail = (*tail)->next = task; } else { task->next = _head; _head = *task->tail = task; } _prio |= task->pbit; } TASK_T *Task::dequeue(void) { TASK_T *task = _head; if (task) { TASK_T **tail = task->tail; if (task == *tail) { *tail = 0; _prio &= ~task->pbit; } _head = task->next; } return task; } void Task::switching(void) { if (_curr && (_curr != _head) && (setjmp(_curr->context) == 0)) // 4.4us/16MHz scheduling(); } void Task::scheduling(void) { while (1) { ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) { if ((_curr = _head) != nullptr) longjmp(_curr->context, 1); // 5.8us/16MHz // // wait any interrupts // sei(); if (_sleep != TASK_SLEEP_DISABLE) { set_sleep_mode(_sleep); sleep_mode(); } } } } void Task::sleepmode(TASK_SLEEP_MODE mode) { _sleep = mode; } TASK_T *Task::init(TASK_T *task, uint8_t prio) { if (prio > TASK_PRIO_LOW) prio = TASK_PRIO_LOW; task->pbit = 1 << prio; task->pmsk = (task->pbit << 1) - 1; task->tail = &_tail[prio]; return task; } bool Task::create(TASK_START_T func, void *arg, size_t size, uint8_t prio) { if (_curr && (size == 0)) return false; char *mblk = (char *)Heap::malloc(size + sizeof(TASK_T)); if (mblk == nullptr) return false; memset(mblk, 0, size + sizeof(TASK_T)); TASK_T *task = init((TASK_T *)(mblk + size), prio); task->mblk = mblk; task->size = size; task->x.start.func = func; task->x.start.arg = arg; uint8_t spl = SPL; uint8_t sph = SPH; if (size) { uint16_t sp = (uint16_t)task - 1; ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) { SPL = (uint8_t)(sp >> 0); SPH = (uint8_t)(sp >> 8); } } if (setjmp(task->context)) { if (_curr->size == 0) return true; // return to default task _curr->x.start.func(_curr->x.start.arg); cli(); Heap::free(dequeue()->mblk); scheduling(); } ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) { SPL = spl; SPH = sph; enqueue(task); if (_curr) switching(); } if (size) return true; // start task scheduler freeStackInit(); Timer::begin(); scheduling(); } bool Task::run(uint8_t prio) { // create default task and run return create(nullptr, nullptr, 0, prio); } uint8_t Task::priority(uint8_t prio) { uint8_t rv = 0xFF; if (prio > TASK_PRIO_LOW) prio = TASK_PRIO_LOW; if (_curr) { rv = msbpos(_curr->pbit); if (prio != rv) { ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) { enqueue(init(dequeue(), prio)); switching(); } } } return rv; } void Task::yield(void) { ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) { if (_curr == _head) { TASK_T **tail = _head->tail; if (_head != *tail) { TASK_T *next = (*tail)->next; *tail = ((*tail)->next = _head); _head = _head->next; (*tail)->next = next; switching(); } } } } TASK_T *Task::current(void) { return _curr; } #define FREERAM_STACK_INIT_SIZE 128 #define FREERAM_STACK_MARGIN_SIZE 32 void Task::freeStackInit(void) { // clear stack top area for freeRam extern char __heap_start, *__brkval; char *heap_end = (__brkval ? __brkval : &__heap_start); size_t size = FREERAM_STACK_INIT_SIZE; char *test = (char *)(((SPH << 8) | SPL) - size); if (test > heap_end + FREERAM_STACK_MARGIN_SIZE) memset(test, 0, size); } size_t Task::freeStack(void) { char *test; size_t size; if (_curr && _curr->size) { size = _curr->size; test = (char *)_curr->mblk; for (size_t i = 0; i < size; ++i) { if (*test++) return i; } } else { extern char __heap_start, *__brkval; char *heap_end = (__brkval ? __brkval : &__heap_start); size = FREERAM_STACK_INIT_SIZE; test = (char *)(((SPH << 8) | SPL) - size); if (test > heap_end + FREERAM_STACK_MARGIN_SIZE) { for (size_t i = 0; i < size; ++i) { if (*test++) return (size_t)(test - heap_end) - 1; } } else { return (size_t)(test > heap_end ? test - heap_end : 0); } } return size; } |
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