Programação Concorrente e CMSIS RTOS

Transcrição

1 1 Programação Concorrente e CMSIS RTOS César Yutaka Ofuchi ofuchi@utfpr.edu.br (adaptado do prof. André Schneider de Oliveira)

2 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) (site prof. Carlos Maziero) - CMSIS RTOS 2

3 3 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)

4 4 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)

5 Prog. Sequencial x Prog. Concorrente Analogia indivíduo x equipe Indivíduo: Responsável por todas as tarefas Equipe: Ocorre divisão de tarefas entre vários indivíduos 5

6 6 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)

7 7 Implementação de Concorrência Sequencial Laço + Interrupções RTOS (Multi-thread) Tarefa 1 Laço Tarefa 1 Int Tarefa 2 Interrupção 1 Tarefa 2 Interrupção 2 Int Tarefa 3 Interrupção 3 - Periféricos - Eventos externos - Comunicação Tarefa 3

8 Multi-core Desafios 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 8

9 9 Multi-threading com RTOS Múltiplas linhas de execução P1 P2... Pn Real Time OS Múltiplos processos Memória compartilhada Periféricos compartilhados Controle de execução de tarefas Gerenciamento de Memória Hardware Processador Memória Periféricos

10 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 10

11 11 Regiões de Memória Programação sequencial Flash RAM CPU HEAP CODE STACK Registradores DATA

12 12 Regiões de Memória Programação concorrente com RTOS Flash CPU CODE Registradores RAM RAM RAM HEAP Regs 1... Regs n DATA STACK 1 STACK n

13 13 Efeito ao Longo do Tempo (granularidade grossa) Como as tarefas parecem estar sendo executadas: segundos Uma Thread é iniciada até uma ociosidade (desperdício), nesse ponto inicia outra thread

14 14 Efeito ao Longo do Tempo (granularidade fina) Porém, apenas uma tarefa é executada por vez... milisegundos Rodízio aproveitando todos os ciclos de clock, sem ociosidade

15 15 Efeito ao Longo do Tempo (granularidade) ORDEM: A->B->C 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

16 16 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

17 Conceito de Seção Crítica Thread pode ser dividida em seção crítica e nãocrítica A seção crítica está relacionada com a área de código que acessa o recurso compartilhado 17 17

18 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) 18 18

19 19 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)

20 20 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

21 Real Time Operating System (RTOS) Sistema Real Time... Existe tempo não real? 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 tem restrições de tempo para funcionar corretamente! 21

22 Tipos de Tempo Real Divisão entre 2/3 categorias Hard Real Time - Sistema deve cumprir deadline senão resulta em falha. - Consequências catrastróficas quando falha. Exemplo: Airbag 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) Soft Real Time - Deadlines são toleráveis mas indesejáveis. - Atrelado a Qualidade de Serviço (QoS). Exemplo: Streaming de vídeo Botão do teclado 22

23 23 CMSIS

24 24 CMSIS RTOS KEIL RTX Segue o padrão CMSIS voltado para a linha Cortex Obs: (ARM comprou a KEIL em 2005)

25 25 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 MQX Texas Instruments Freescale/N XP...

26 26 Estado das Tarefas no CMSIS RTOS Time^Signal^Message^Mail^Release Scheduling Yield ^Scheduling

27 27 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

28 28 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.

29 Prioridades 29 ospriorityidle = -3, osprioritylow = -2, osprioritybelownormal = -1, osprioritynormal = 0, ospriorityabovenormal = +1, ospriorityhigh = +2, ospriorityrealtime = +3, ospriorityerror = 0x84

30 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 programa principal: #include "cmsis_os.h 30

31 31 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

32 Ciclo de Vida dos Elementos do Kernel Os elementos do Kernel seguem um ciclo de vida: 1. Definição 2. Inicialização 3. Operação 4. Término 32 32

33 33 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

34 Definição e Acesso das Threads osthreaddef(job1, ospriorityabovenormal, 1, 0) Macro que cria uma instância de uma estrutura do tipo osthreaddef_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 34

35 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 35 35

36 36 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

37 37 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);

38 Exemplo de Uso (Tarefa) void main(){ oskernelinitialize(); SystemInit(); GPIOInit(); GPIOSetDir(0, 7, 1); // LED2 como saída osthreadcreate(osthread(thread1), NULL); } oskernelstart(); osdelay(oswaitforever); 38

39 Exemplo Thread no RTOS LPC /19/

40 40 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

41 Projeto e Análise de sistemas concorrentes Projeto teórico Diagrama de estados e transições Análise dos resultados Diagrama de Gantt 10/19/

42 42 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 43 43

44 S2 Exemplo: Semáforo Cruzamento de duas vias de mão única com dois semáforos S1 e S2 T Verde = 20 seg T Amarelo = 4 seg T Vermelho = 28 seg T Sobreposição = 2 seg S1 44

45 45 Diagrama de Tempo S1 Semáforo 1 S2 Semáforo 2 S1 Vermelho Verde A Vermelho Verde A S2 Verde A Vermelho Verde A Vermelho t(s)

46 46 Número de Estados S1 Vermelho Verde A S2 Verde A Vermelho

47 S2 c2 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 T Contagem = 5 min c1 c2 T Verde1 = 30 seg T Verde2 = 20 seg c1 < c2 T Verde1 = 20 seg T Verde2 = 30 seg S1 c1 48

48 Diagrama de Estados e Transições Draw.io (ferramenta de desenho na nuvem) Yakindu Statechart Tools (desenho + simulação) 50

49 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 10/19/

50 Diagrama de Gantt 52 52

51 Tipos de Tarefas 53 53

52 Diagrama de Gantt Mermaid Live Editor Documentação Diagrama de Gantt 10/19/

53 Prática gerar diagramas de Gantt Mermaid Live Editor Documentação Diagrama de Gantt 10/19/

54 56 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

55 Exemplo RTOS Gantt 1/2 10/19/

56 Exemplo RTOS Gantt 2/2 10/19/

57 Roadmap Laboratórios -> Prova DataLogger FatFs/SD Card - Drivers - Timers DataLogger RTOS -Processamento dos dados - Interrupção - Comunicação Serial com PC DataLogger 3.0 -Comunicação Serial com PC -Protocolo de comunicação (Máquina de Estados) Prova 2 Questões 30% Apresentação 70% -Escalonamento dia semana atividade de entrega 19/10/2017 hoje Prévia laboratórios 26/10/2017 semana 1 Datalogger /11/2017 Recesso/feriado semana 2 09/11/2017 semana 3 16/11/2017 semana 4 Datalogger /11/2017 semana 5 30/11/2017 semana 6 07/12/2017 semana 7 Prova -> apresentação Datalogger questões 14/12/2017 semana 8 Recuperação/Fechamento 59

58 60 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 com dúvidas (avaliando) Simulação de partes do código

59 Gravação de arquivo: Simulação 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) 61