世界最速のタスク・スイッチ・ライブラリ (Task Switch Library for AVR-G++)

タスク・スイッチするには何らかの方法でタスクを管理する必要があるが純粋なコンテキスト・スイッチよりもタスク管理のためのコストのほうが大きくなってしまうのが一般的だ。特にＡＶＲではメモリ・アクセスに２サイクルかかるため管理コストの増大は避けられない。

そこで、高速なタスク・スイッチに特化した(しすぎた？)タスク・スイッチ・ライブラリを考えてみた。所謂、タイムスライスしない協調型マルチタスクと呼ばれるもので実装については高速化や言語との親和性を考慮しインライン・アセンブラとした。

タスク管理せず単純にスイッチングするだけの仕様であれば、ほぼコンテキスト・スイッチのみのコストでＯＫで、一般的な説明には必須で出てくるＴＣＢなども省略できるし、さらにコンパイラの関数呼び出し規則に依存することで保存／復旧するレジスタ数も減らすことが可能となる。機能もコードもこれ以上省略できるものがないほどシンプルなライブラリとなっているので逆に安心して使えるかもしれない。ちなみにタスク・リストは各タスクのスタックをリンクするという珍しい実装方法となっている。

関数呼び出しのオーバーヘッドを含めたスイッチング時間は、

　123 cycles (7.6875us/16MHz)

　※Raspberry Pi Pico に移殖すると1us未満で実行できそう。

イレギュラーチェックにかかる３サイクルは省略可能であるものの、それ以上省略できそうなところもないので世界最速のはずだ。

あと機能的には、wait/semaphore/eventなども実装可能だがわかりやすさを重視しシンプルに留めておきたいので今回はここまで。興味のある方は地球人の未来のためにも頑張って改良してみてほしい。かも。

【概要】

bool start(uint16_t size, void (&func)(void))

1	bool start(uint16_t size, void (&func)(void))

新しいタスクを登録する。sizeにはスタック領域のバイト数、funcには実行する関数を指定する。登録したタスクはyield呼び出しにより順番に実行される。

※スタック領域はmalloc()により割り当てられ、funcからリターンすることやタスク終了できない点に注意。

void yield(void)

1	void yield(void)

タスクを切り替える。登録されたタスクがなければ何もせずに戻る。

void delay(uint32_t ms);

1	void delay(uint32_t ms);

[Arduinoのみ] 指定時間(ミリ秒)待つ。待っている間は他タスクを実行し続ける。

void delayMicroseconds(uint32_t us);

1	void delayMicroseconds(uint32_t us);

[Arduinoのみ] 指定時間(マイクロ秒)待つ。待っている間は他タスクを実行し続ける。

【サンプル・スケッチ】
Arduinoではloop()からのリターン後にシリアル・イベントなどのバックグランド処理が実行されるためyield()のみ実行し直ぐにリターンするのがお勧めだ。

#include "task.h"

void task1(void)
{
  /* task 1 */
  while (1)
  {
    Task::delay(1000);
  }
  /* can not return */
}

void task2(void)
{
  /* task 2 */
  while (1)
  {
    Task::delay(1000);
  }
  /* can not return */
}

void setup(void)
{
  /* Recommended stack size of 100 bytes or more */
  Task::start(128, task1);
  Task::start(128, task2);
}

void loop(void)
{
  /* default task */
  Task::yield();
}

#include "task.h"

void task1(void)

{

/* task 1 */

while (1)

{

Task::delay(1000);

}

/* can not return */

}

void task2(void)

{

/* task 2 */

while (1)

{

Task::delay(1000);

}

/* can not return */

}

void setup(void)

{

/* Recommended stack size of 100 bytes or more */

Task::start(128, task1);

Task::start(128, task2);

}

void loop(void)

{

/* default task */

Task::yield();

}

【ライブラリ】

/*
  task.h - Task Switching Library for AVR-G++

  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>

class Task
{
  private:

    static void  *_head;
    static void  *_tail;

  public:

    static void yield(void) __attribute__ ((naked));
    static bool start(uint16_t size, void (&func)(void));

#if defined(ARDUINO)
    static void delay(uint32_t ms);
    static void delayMicroseconds(uint32_t us);
#endif
};

#endif

task.h - Task Switching Library for AVR-G++

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.

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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.

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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>

class Task

{

private:

static void *_head;

static void *_tail;

public:

static void yield(void) __attribute__ ((naked));

static bool start(uint16_t size, void (&func)(void));

#if defined(ARDUINO)

static void delay(uint32_t ms);

static void delayMicroseconds(uint32_t us);

#endif

};

#endif

/*
  task.cpp - Task Switching Library for AVR-G++
  
  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
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  Lesser General Public License for more details.

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  Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330,
  Boston, MA  02111-1307  USA
*/
#include <stdlib.h>
#include "task.h"
#if defined(ARDUINO)
#include "Arduino.h"
#endif

void *Task::_head;
void *Task::_tail;

#define ASM(...) __asm__ volatile (__VA_ARGS__)

#define PUSHA() \
  ASM("push r29"); \
  ASM("push r28"); \
  ASM("push r17"); \
  ASM("push r16"); \
  ASM("push r15"); \
  ASM("push r14"); \
  ASM("push r13"); \
  ASM("push r12"); \
  ASM("push r11"); \
  ASM("push r10"); \
  ASM("push r9"); \
  ASM("push r8"); \
  ASM("push r7"); \
  ASM("push r6"); \
  ASM("push r5"); \
  ASM("push r4"); \
  ASM("push r3"); \
  ASM("push r2"); \
  ASM("push __tmp_reg__")

#define POPA() \
  ASM("pop  __tmp_reg__"); \
  ASM("pop  r2"); \
  ASM("pop  r3"); \
  ASM("pop  r4"); \
  ASM("pop  r5"); \
  ASM("pop  r6"); \
  ASM("pop  r7"); \
  ASM("pop  r8"); \
  ASM("pop  r9"); \
  ASM("pop  r10"); \
  ASM("pop  r11"); \
  ASM("pop  r12"); \
  ASM("pop  r13"); \
  ASM("pop  r14"); \
  ASM("pop  r15"); \
  ASM("pop  r16"); \
  ASM("pop  r17"); \
  ASM("pop  r28"); \
  ASM("pop  r29")

//
// Number of cycles from function call to return
//
//   123 cycles (7.6875us/16MHz)
//
void Task::yield(void) // (3)
{
  //
  // save context (39)
  //
  ASM("in   __tmp_reg__, __SREG__");
  PUSHA();
  //
  // check tail link (7)
  //
  ASM("lds  r28, %[TAIL] + 0" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("lds  r29, %[TAIL] + 1" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("adiw r28, 0");
  ASM("breq 9f"); // --> no task
  //
  // add tail link (14)
  //
  ASM("push r1");
  ASM("push r1");
  ASM("in   r24, __SP_L__");
  ASM("in   r25, __SP_H__");
  ASM("std  y + 1, r24");
  ASM("std  y + 2, r25");
  ASM("sts  %[TAIL] + 0, r24" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("sts  %[TAIL] + 1, r25" :: [TAIL] "m" (_tail));
  //
  // change stack pointer (10)
  //
  ASM("lds  r28, %[HEAD] + 0" :: [HEAD] "m" (_head));
  ASM("lds  r29, %[HEAD] + 1" :: [HEAD] "m" (_head));
  ASM("ldd  __tmp_reg__, y + 3"); // load __SREG__ from stack
#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__
  ASM("out  __SREG__, __tmp_reg__");
  ASM("out  __SP_L__, r28");
  ASM("out  __SP_H__, r29");
#else
  ASM("cli");
  ASM("out  __SP_L__, r28");
  ASM("out  __SREG__, __tmp_reg__");
  ASM("out  __SP_H__, r29");
#endif
  //
  // update head link (8)
  //
  ASM("pop  r24");
  ASM("pop  r25");
  ASM("sts  %[HEAD] + 0, r24" :: [HEAD] "m" (_head));
  ASM("sts  %[HEAD] + 1, r25" :: [HEAD] "m" (_head));
  //
  // restore context (42)
  //
  ASM("9:");
  POPA();
  ASM("ret");
}

bool Task::start(uint16_t size, void (&func)(void))
{
  //
  // allocate new task stack area
  //
  register uint8_t *stack = (uint8_t *)malloc(size);
  if (stack == 0)
    return false;
  stack += size - 1;
  //
  // save stack pointer
  //
  ASM("in   r20, __SP_L__" ::: "r20");
  ASM("in   r21, __SP_H__" ::: "r21");
  //
  // change stack pointer
  //
  ASM("in   __tmp_reg__, __SREG__");
#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__
  ASM("out  __SP_L__, %A[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));
  ASM("out  __SP_H__, %B[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));
#else
  ASM("cli");
  ASM("out  __SP_L__, %A[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));
  ASM("out  __SREG__, __tmp_reg__");
  ASM("out  __SP_H__, %B[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));
#endif
  //
  // push jump address
  //
  ASM("push %A[FUNC]" :: [FUNC] "r" (func));
  ASM("push %B[FUNC]" :: [FUNC] "r" (func));
#if defined(__AVR_3_BYTE_PC__) && __AVR_3_BYTE_PC__
  ASM("push r1"); // zero
#endif
  //
  // save context
  //
  PUSHA();
  //
  // add tail link
  //
  ASM("push r1");
  ASM("push r1");
  ASM("lds  r28, %[TAIL] + 0" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("lds  r29, %[TAIL] + 1" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("adiw r28, 0");
  ASM("brne 1f");
  ASM("ldi  r28, lo8(%[HEAD] - 1)" :: [HEAD] "m" (_head));
  ASM("ldi  r29, hi8(%[HEAD] - 1)" :: [HEAD] "m" (_head));
  ASM("1:");
  ASM("in   r24, __SP_L__");
  ASM("in   r25, __SP_H__");
  ASM("std  y + 1, r24");
  ASM("std  y + 2, r25");
  ASM("sts  %[TAIL] + 0, r24" :: [TAIL] "m" (_tail));
  ASM("sts  %[TAIL] + 1, r25" :: [TAIL] "m" (_tail));
  //
  // restore stack pointer
  //
#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__
  ASM("out  __SP_L__, r20");
  ASM("out  __SP_H__, r21");
#else
  ASM("cli");
  ASM("out  __SP_L__, r20");
  ASM("out  __SREG__, __tmp_reg__");
  ASM("out  __SP_H__, r21");
#endif
  return true;
}

#if defined(ARDUINO)

void Task::delay(uint32_t ms)
{
  uint32_t t = millis();
  while(millis() - t < ms)
    yield();
}

void Task::delayMicroseconds(uint32_t us)
{
  uint32_t t = micros();
  while(micros() - t < us)
    yield();
}

#endif

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

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150

151

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153

154

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156

157

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159

160

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170

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173

174

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177

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218

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222

223

task.cpp - Task Switching Library for AVR-G++

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 <stdlib.h>

#include "task.h"

#if defined(ARDUINO)

#include "Arduino.h"

#endif

void *Task::_head;

void *Task::_tail;

#define ASM(...) __asm__ volatile (__VA_ARGS__)

#define PUSHA() \

ASM("push r29"); \

ASM("push r28"); \

ASM("push r17"); \

ASM("push r16"); \

ASM("push r15"); \

ASM("push r14"); \

ASM("push r13"); \

ASM("push r12"); \

ASM("push r11"); \

ASM("push r10"); \

ASM("push r9"); \

ASM("push r8"); \

ASM("push r7"); \

ASM("push r6"); \

ASM("push r5"); \

ASM("push r4"); \

ASM("push r3"); \

ASM("push r2"); \

ASM("push __tmp_reg__")

#define POPA() \

ASM("pop __tmp_reg__"); \

ASM("pop r2"); \

ASM("pop r3"); \

ASM("pop r4"); \

ASM("pop r5"); \

ASM("pop r6"); \

ASM("pop r7"); \

ASM("pop r8"); \

ASM("pop r9"); \

ASM("pop r10"); \

ASM("pop r11"); \

ASM("pop r12"); \

ASM("pop r13"); \

ASM("pop r14"); \

ASM("pop r15"); \

ASM("pop r16"); \

ASM("pop r17"); \

ASM("pop r28"); \

ASM("pop r29")

// Number of cycles from function call to return

// 123 cycles (7.6875us/16MHz)

void Task::yield(void) // (3)

{

// save context (39)

ASM("in __tmp_reg__, __SREG__");

PUSHA();

// check tail link (7)

ASM("lds r28, %[TAIL] + 0" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("lds r29, %[TAIL] + 1" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("adiw r28, 0");

ASM("breq 9f"); // --> no task

// add tail link (14)

ASM("push r1");

ASM("in r24, __SP_L__");

ASM("in r25, __SP_H__");

ASM("std y + 1, r24");

ASM("std y + 2, r25");

ASM("sts %[TAIL] + 0, r24" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("sts %[TAIL] + 1, r25" :: [TAIL] "m" (_tail));

// change stack pointer (10)

ASM("lds r28, %[HEAD] + 0" :: [HEAD] "m" (_head));

ASM("lds r29, %[HEAD] + 1" :: [HEAD] "m" (_head));

ASM("ldd __tmp_reg__, y + 3"); // load __SREG__ from stack

#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__

ASM("out __SREG__, __tmp_reg__");

ASM("out __SP_L__, r28");

ASM("out __SP_H__, r29");

#else

ASM("cli");

ASM("out __SP_L__, r28");

ASM("out __SREG__, __tmp_reg__");

ASM("out __SP_H__, r29");

#endif

// update head link (8)

ASM("pop r24");

ASM("pop r25");

ASM("sts %[HEAD] + 0, r24" :: [HEAD] "m" (_head));

ASM("sts %[HEAD] + 1, r25" :: [HEAD] "m" (_head));

// restore context (42)

ASM("9:");

POPA();

ASM("ret");

}

bool Task::start(uint16_t size, void (&func)(void))

{

// allocate new task stack area

if (stack == 0)

return false;

stack += size - 1;

// save stack pointer

ASM("in r20, __SP_L__" ::: "r20");

ASM("in r21, __SP_H__" ::: "r21");

// change stack pointer

ASM("in __tmp_reg__, __SREG__");

#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__

ASM("out __SP_L__, %A[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));

ASM("out __SP_H__, %B[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));

#else

ASM("cli");

ASM("out __SP_L__, %A[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));

ASM("out __SREG__, __tmp_reg__");

ASM("out __SP_H__, %B[STACK]" :: [STACK] "r" (stack));

#endif

// push jump address

ASM("push %A[FUNC]" :: [FUNC] "r" (func));

ASM("push %B[FUNC]" :: [FUNC] "r" (func));

#if defined(__AVR_3_BYTE_PC__) && __AVR_3_BYTE_PC__

ASM("push r1"); // zero

#endif

// save context

PUSHA();

// add tail link

ASM("push r1");

ASM("lds r28, %[TAIL] + 0" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("lds r29, %[TAIL] + 1" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("adiw r28, 0");

ASM("brne 1f");

ASM("ldi r28, lo8(%[HEAD] - 1)" :: [HEAD] "m" (_head));

ASM("ldi r29, hi8(%[HEAD] - 1)" :: [HEAD] "m" (_head));

ASM("1:");

ASM("in r24, __SP_L__");

ASM("in r25, __SP_H__");

ASM("std y + 1, r24");

ASM("std y + 2, r25");

ASM("sts %[TAIL] + 0, r24" :: [TAIL] "m" (_tail));

ASM("sts %[TAIL] + 1, r25" :: [TAIL] "m" (_tail));

// restore stack pointer

#if defined(__AVR_XMEGA__) && __AVR_XMEGA__

ASM("out __SP_L__, r20");

ASM("out __SP_H__, r21");

#else

ASM("cli");

ASM("out __SP_L__, r20");

ASM("out __SREG__, __tmp_reg__");

ASM("out __SP_H__, r21");

#endif

return true;

}

#if defined(ARDUINO)

void Task::delay(uint32_t ms)

{

uint32_t t = millis();

while(millis() - t < ms)

yield();

}

void Task::delayMicroseconds(uint32_t us)

{

uint32_t t = micros();

while(micros() - t < us)

yield();

}

#endif

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