P R O G R A M Y
OS
8 bitowe jądro czasu
rzeczywistego, część 2
W pierwszej części cyklu została wstępnie poruszona teoretyczna zadań, szeregowanie zadań, zarzą-
dzanie kolejkami.
problematyka systemów operacyjnych z uwzględnieniem systemów
Pamięć systemowa  to obszar
operacyjnych czasu rzeczywistego. Kontynuacją będzie przedstawienie
pamięci danych zawierający zmien-
prostej implementacji dla małych, tanich i powszechnie dostępnych,
ne systemowe oraz stos systemowy.
Część rozszerzająca systemu
a jednocześnie wydajnych mikrokontrolerów jednoukładowych RISC.
składa się z konfigurowalnych au-
Zaprezentujemy również aplikację demonstracyjną.
tonomicznych modułów rozszerza-
jących funkcjonalność jądra. W jej
Budowa systemu KaRTOS krokontrolera i zegar systemowy do skład wchodzą również wszystkie
System KaRTOS składa się odmierzania jednostkowych odcin- sterowniki układów peryferyjnych.
z dwóch głównych części: podstawo- ków czasu o długości 1 ms. Jest to W zależności od docelowej aplikacji,
wej i rozszerzającej, co pokazano sche- minimalny kwant czasu, którym za- poszczególne podsystemy mogą być
matycznie na rys. 7. Część podstawo- rządza system KaRTOS. włączane lub wyłączane na etapie
wa jest niezbędna do pracy syste- Funkcje podstawowe (jądro) kompilacji kodu. Minimalna kompi-
mu. Jej uruchomienie jest konieczne.  to zbiór niezbędnych procedur lacja systemu w wersji 3.00 z włą-
W skład części podstawowej wchodzą: realizujących takie zadania jak: ini- czonym algorytmem karuzelowym
Timer systemowy  to blok wy- cjalizacja mikrokontrolera (również szeregowania zadań zajmuje jedynie
korzystujący sprzętowy licznik mi- timera systemowego), inicjalizacja 1654 bajty pamięci ROM i 13 baj-
tów pamięci RAM.
W tab. 1 pokazano zapotrzebo-
wanie na pamięć programu ROM
przez główne moduły systemu KaR-
TOS w wersji 3.00.
Zadania w systemie KaRTOS
Każde zadanie uruchomione w sys-
temie KaRTOS posiada swoje własne
zasoby. Należą do nich:
Kod  instrukcje wykonywane
przez kontroler znajdujące się w pa-
mięci ROM. Wielkość zajmowanej
Rys. 7. Budowa systemu KaRTOS pamięci zależy od algorytmu realizo-
wanego przez zadanie. Zadanie mru-
Tab. 1. Zapotrzebowanie na pamięć programu ROM przez główne moduły syste- gania diodą zajmie kilkanaście baj-
mu KaRTOS w wersji 3.00
tów w pamięci programu, natomiast
Rozmiar
implementowanie skomplikowanych
Lp. Nazwa modułu Opis
[bajty]
funkcjonalności wymaga większej jej
0. KaRTOS wer. 3.01 1654 Podstawowa wersja systemu.
pojemności.
Włączenie algorytmu szeregowania round robin
Stos  obszar pamięci RAM za-
1. KaRTOS_PRIORITY_SCHED 160 z priorytetami i określeniem maksymalnego czasu dla
wierający adresy powrotu przy wyko-
zadania.
nywaniu skoków do funkcji, zmienne
Moduł zegara czasu rzeczywistego działającego
2. KaRTOS_RTC 242 tymczasowe oraz kontekst zadania
w oparciu o główny zegar systemowy.
niezbędny podczas jego przełączania
Moduł zegara czasu rzeczywistego działającego
3. KaRTOS_32KHZ_RTC 294
(rejestry danych, wskaz
nik stosu, re-
w oparciu rezonator 32,768 kHz.
jestr statusu kontrolera). Rozmiar tej
4. KaRTOS_EXT_TIME 180 Uruchomienie rozszerzonej wersji zegara z datą.
struktury jest definiowany przez pro-
5. KaRTOS_UART_ON 1248 Sterownik wraz z funkcjami obsługi portu szeregowego.
gramistę implementującego algorytm
6. KaRTOS_ADC_ON 148 Sterownik wraz z funkcjami obsługi przetwornika ADC
zadania. Rozmiar stosu musi być tym
7. KaRTOS_EEPROM_ON 132 Sterownik wraz z funkcjami obsługi pamięci EEPROM.
większy, im więcej stopni zagnieżdżeń
8. KaRTOS_STRING 206 Pakiet funkcji do manipulacji na ciągach znaków.
posiada korzystające z niego zadanie.
9. KaRTOS_SEM 234 Moduł implementujący semafory.
Dla średnio rozbudowanego zadania
Elektronika Praktyczna 6/2008
105
P R O G R A M Y
nia mogą posiadać Implementując algorytm zadania
identyczny priorytet należy pamiętać, aby nie dopuścić do
i być traktowane na wyjścia z funkcji zadania. Można to
równi, zrealizować na różne sposoby:
 l i c z n i k   zadanie to nieskończona pętla
jest zmienną o sze- void Task_2(void)
{
rokości 16 bitów,
for(;;)
{
Rys. 8. Krążenie zadań w systemie KaRTOS przechowującą war-
//Instrukcje zadania ;
tość (w ms) interwa-
} ;
wystarczający będzie stos o wielkości łu czasu, na jaki zadanie zostało  nieskończona pętla znajduje się
100 bajtów. zawieszone, na końcu kodu, po zakończeniu
Blok kontrolny (Task Control  wskaz
nik do struktury TCB umoż- algorytmu zadania
void Task_2(void)
Block)  obszar pamięci o rozmiarze liwiający realizację kolejek zadań,
{
8 bajtów zawierający informacje o za-  wskaz
nik stosu przechowujący ad-
//Instrukcje zadania ;
//Instrukcje zadania ;
daniu. Umożliwia on identyfikację za- res wierzchołka stosu zadania.
for(;;){ TimeSleepms(1000)
dań i zarządzanie nimi przez system. Każde zadanie w systemie może
; }
}
TCB zawiera: znajdować się w jednym z czterech
 numer identyfikacyjny zadania stanów: wykonywane, gotowe, ocze-
 PID (Process ID)  jest to licz- kujące lub zablokowane. Wędrówkę  Hello wolrd tu KaRTOS , czyli
ba z zakresu od 2 do 255 jed- zadań w systemie KaRTOS pokazano pierwsza aplikacja w systemie
noznacznie identyfikująca zadanie na rys. 8. KaRTOS
w systemie. PID numer 0 jest za- Wystartowane zadanie znajduje Po przedstawionym powyżej mi-
rezerwowany, a numer PID o nu- się w stanie gotowe do momentu, aż nimalnym wstępie teoretycznym
merze 1 posiada systemowy pro- zostanie uruchomione (wykonywa- nadszedł wreszcie czas upragniony
ces bezczynności. Oczywistym jest, ne) zgodnie ze swoim priorytetem. przez wszystkich praktyków, czyli
że w poprawnie działającym syste- Zadanie wykonywane to takie, któ- koniec marudzenia  przystępujemy
mie nie mogą istnieć dwa zadania re jest aktualnie w posiadaniu pro- do działania. Co jest potrzebne do
o identycznym numerze identyfika- cesora. Oczekujące zadanie to takie, tego, by napisać i uruchomić apli-
cyjnym. PID jest nadawany zada- które przerwało swoje działanie na kację w systemie KaRTOS:
niu podczas jego tworzenia, określony czas. W stanie zablokowane 1. system KaRTOS  zawarty w pliku
 priorytet  liczba z zakresu od 1 znajduje się zadanie, które oczekuje Hello_world_tu_KaRTOS.zip  jest
do 254 określająca ważność zada- na określony zasób (dostęp do pa- to gotowa aplikacja demonstracyjna
nia  im mniejsza wartość, tym mięci współdzielonej RAM, pamięci opisywana poniżej. Po rozpakowa-
zadanie jest ważniejsze. Najważ- EEPROM, port itp.) lub na określony niu pliku w katalogu Hello_world_
niejsze jest zadanie z priorytetem komunikat synchronizujący. Innymi
1, gdyż priorytet 0 jest zarezerwo- słowy, w stanie zablokowane znajdu-
wany. Systemowy proces bezczyn- je się zadanie nie mogące kontynu-
ności posiada najmniejszą ważność ować działania z powodu innego niż
(priorytet 255). Jeśli w systemie oczekiwanie na odmierzenie interwału
istnieją zadania o tym samym czasu.
priorytecie oznacza to, że są rów-
nie ważne. W skrajnym przypad-
ku wszystkie uruchomione zada-
Rys. 9. Schemat układu dla aplikacji demonstracyjnej systemu KaRTOS
Elektronika Praktyczna 6/2008
106
P R O G R A M Y
tu_KaRTOS znajdą się następujące 4. Zainstalowany programator pozwa- rająca rozmiar stosu zadania (zde-
zasoby: lający załadować kod wynikowy finiowane w main.h).
 katalog KaRTOS  zawiera sys- do kontrolera ATmega8(L).
tem operacyjny, Posiadając powyższe składniki Konfigurowanie systemu
 plik main.h  zawiera parametry możemy przystąpić do dzieła, jakim W katalogu Hello_world_tu_KaR-
zadań (TASK_PID  numer za- jest napisania i uruchomienia pierw- TOS\KaRTOS\ATMega8\ znajduje się
dania (przyjmuje wartości od 2 szej aplikacji dla systemu KaRTOS. plik KaRTOS.conf. W nim zawarte są
do 255), TASK_STACK  określa Uruchomimy trzy zadania: zmienne konfigurujące system opera-
rozmiar stosu zadania w bajtach,  Task_1  będzie wysyłało co 1 cyjny. Plik jest podzielony na pięć
TASK_PRIORITY  numer prio- sekundę przez port szeregowy sekcji, z których edytować będziemy
rytetu zadania (przyjmuje warto- ekran powitalny aplikacji   Hel- pierwsze trzy:
ści od 1 do 254)), lo world tu KaRTOS ! . Parame- 1. Sekcja SWITCH ON/OFF KaR-
 plik main.c  tutaj zawarte są try transmisji: 8N1,38400 (osiem TOS MODULES  umożliwia włącze-
procedury tworzenia, inicjalizacji bitów danych, bez bitu parzysto- nie lub wyłączenie poszczególnych
zadań oraz inicjalizacji i urucho- ści, jeden bit stopu z prędkością modułów systemu do kompilacji. Do-
mienia systemu operacyjnego, 38,4 kbps), konujemy tego  komentując (lub nie)
 pliki Task_1.h, Task_2.h, Task_  Task_2  będzie zapalało na 1 poszczególne zmienne kompilatora
3.h, Task_4.h  pliki nagłówkowe sekundę i gasiło na 1 sekundę za pomocą znaków  // . Dla potrzeb
zadań istniejących w systemie diodę_1 podłączoną do pinu PC0 naszej pierwszej aplikacji wszystkie
 zawierają deklaracje funkcji mikrokontrolera, moduły winny być wyłączone ( zako-
i zmiennych globalnych poszcze-  Task_3  będzie zapalało na mentowane ) z wyjątkiem modułu ob-
gólnych zadań, 100 ms i gasiło na 400 ms dio- sługi portu szeregowego  KaRTOS_
 pliki Task_1.c, Task_2.c, Task_3.c, dę_2 podłączoną do pinu PC1 UART_ON.
Task_4.c  pliki zawierające kod mikrokontrolera. 2. Sekcja HARDWARE SYSTEM
poszczególnych zadań, CONFIGURATION  w tej sekcji mo-
 makefile  plik z instrukcjami Zmienne żemy ustawić takie parametry jak:
automatycznej kompilacji dla Zmienne zdefiniowane w sys- rozmiar stosu systemowego (w bajtach)
programu make. temie KaRTOS przedstawiono  SYS_STACK 20, podział pamięci
2. Kawałek sprzętu, czyli mikrokon- w tab. 2. RAM na sekcje: pamięci zmiennych
troler ATmega8(L) wraz z peryfe- globalnych oraz pamięci systemowej.
riami jak na rys. 9 (jeśli do kon- Konfiguracja zadań NO_TASKS_RAM_ADDR 620, (więcej
trolera jest podłączony rezonator Otwórz plik main.h i upewnij na ten temat w kolejnej części).
o innej częstotliwości (lub nie jest się, że parametry zadań TASK_1, 3. Sekcja KaRTOS_1MS_OCR_
podłączony żaden), zaprogramuj go TASK_2 i TASK_3 są odpowiednio WART  wartość rejestru OCR timera
do pracy z wewnętrznym oscylato- skonfigurowane (list. 1). systemowego zgłaszającego przerwanie
rem o częstotliwości 8 MHz). co 1 ms. Częstotliwość zegara tak-
3. Zainstalowany kompilator avr gcc Uruchomienie zadań tującego mikrokontroler jest dzielona
najlepiej WinAVR 20040720, Otwórz plik main.c i upewnij się, wstępnie przez 64. W naszym wypad-
że zadania Task_1, Task_2 i Task_3 ku ma wtedy wartość równą 8 [MHz]
Tab. 2. Zmienne zdefiniowane w sys- zostaną utworzone i uruchomione /64=125 [kHz]. Zatem aby odmierzyć
temie KaRTOS
(list. 2). Funkcja void KaRTOSTaskInit( 1/1000 sekundy, w rejestrze OCR musi
Typ zmiennej void(*pMyfunction)(void), u08 Pid, u08 się znajdować wartość 125. Dlatego:
Opis zmiennej
w systemie
u08Prio, u16 u16StackSize) przyjmuje KaRTOS_1MS_OCR_WART=125.
u08 zmienna 8 bitowa bez znaku
następujące parametry:
s08 zmienna 8 bitowa ze znakiem  void(*pMyfunction)(void) Konfigurowanie pinów
 wskaz
nik do funkcji zawierają- kontrolera
u16 zmienna 16 bitowa bez znaku
cej kod zadania  w naszym przy- W katalogu Hello_world_tu_KaR-
s16 zmienna 16 bitowa ze znakiem
padku są to funkcje o nazwach TOS\KaRTOS\ATMega8\ otwieramy
u32 zmienna 32 bitowa bez znaku
Task_1, Task_2 i Task_3, plik Initm8.c. Dokonujemy konfigu-
s32 zmienna 32 bitowa ze znakiem
 u08 Pid  8 bitowa zmienna racji portów w zależności od tego,
zawierająca numer zadania (zdefi- do których nóżek mikrokontrolera
List. 1. Parametry zadań w pliku
niowane w main.h), mamy podłączone diody. Jeśli na-
main.h
 u08 u08Prio  8 bitowa zmien- sza aplikacja ma działać w układzie
#define TASK_1_PID 10
na zawierająca priorytet zadania  z rys. 9, dokonujemy konfiguracji
#define TASK_1_STACK 100
#define TASK_1_PRIORITY 10
im mniejsza wartość, tym zadanie PORTU C następująco: DDRC=0x03
#define TASK_2_PID 20
ma wyższy priorytet (zdefiniowane oraz PORTC=0x03 (piny 0 i 1 portu
#define TASK_2_STACK 100
#define TASK_2_PRIORITY 20
w main.h), są wyjściami w stanie wysokim).
#define TASK_2_PID 30
 u16 u16StackSize  zmienna
#define TASK_2_STACK 100
#define TASK_2_PRIORITY 30
o rozmiarze dwóch bajtów zawie- Implementacja kodu zadań
Na list. 3 przedstawiono imple-
List. 2. Wywołanie funkcji tworzącej zadania w pliku main.c
mentację zadania Task_1 realizujące-
KaRTOSTaskInit(&(Task_1),TASK_1_PID,TASK_1_PRIORITY,TASK_1_STACK) ;
go wysyłanie danych przez port sze-
KaRTOSTaskInit(&Task_2,TASK_2_PID,TASK_2_PRIORITY,TASK_2_STACK) ;
regowy. Jako pierwsza wywoływana
KaRTOSTaskInit(&Task_3,TASK_3_PID,TASK_3_PRIORITY,TASK_3_STACK) ;
//KaRTOSTaskInit(&Task_4,TASK_4_PID,TASK_4_PRIORITY,TASK_4_STACK)
jest funkcja systemowa KaRTOSUar-
Elektronika Praktyczna 6/2008
107
P R O G R A M Y
List. 3. Implementacja zadania Task_1
void Task_1(void)
{
KaRTOSUartInit(12,0) ; // 38400 bps dla 8, MHz
for(;;)
{
KaRTOSUartOpen() ;
KaRTOS_UART_PRINT( \n\r*** Hello World tu KaRTOS !! *** ) ;
KaRTOSUartClose() ;
TimeSleepms(1000) ;
} ;
Rys. 11. Widok okna terminala z dzia-
}
łającą aplikacją
List. 4. Implementacja zadania W naszym przypadku używa- o założonym czasie trwania. Ustawie-
Task_2 my zegara o częstotliwości 8 MHz, nie pinu w stan wysoki powoduje, że
void Task_2(void)
a chcemy uzyskać prędkość transmisji podłączona dioda gaśnie, a my znów
{
38,4 kb/s bez podwojenia prędkości realizujemy opóz
nienie o odpowiednim
for(;;)
{
(u08doubleSpeed=0). Wykonując czasie trwania. Realizując cyklicznie
cbi(PORTC,0) ;
TimeSleepms(1000) ; proste obliczenie podane w dokumen- w nieskończonej pętli powyższy al-
sbi(PORTC,0) ;
tacji mikrokontrolera lub korzystając gorytm powodujemy mruganie diody
TimeSleepms(1000) ;
} ;
z gotowych tabelek również tam za- z zadanymi czasami świecenia i nie
}
wartych otrzymujemy wartość UBRR świecenia.
równą 12 (u16Baudrate=12). Po dokonaniu wszystkich powyż-
List. 5. Implementacja zadania Kolejnym krokiem w naszym za- szych czynności jesteśmy gotowi do
Task_3 daniu (list. 3) jest zaimplementowa- kompilacji kodu i zaprogramowania
void Task_3(void)
nie nieskończonej pętli wysyłającej kontrolera.
{
co sekundę ciąg znaków. Funkcja
for(;;)
{
systemowa KaRTOSUartOpen otwiera Kompilacja
cbi(PORTC,1) ;
TimeSleepms(100) ; port szeregowy, KaRTOS_UART_PRINT Po rozpakowaniu archiwum Hel-
sbi(PORTC,1) ;
wysyła ciąg znaków będących jej ar- lo_world_tu_KaRTOS.zip na dysk c:\
TimeSleepms(400) ;
} ;
gumentem i zawarty między znakami możemy przystąpić do kompilacji.
}
cudzysłów, a KaRTOSUartClose zamy- W tym celu otwieramy wiersz pole-
ka wcześniej otwarty port. Pozostaje ceń systemu windows i przechodzimy
tInit dokonująca inicjalizacji portu nam jeszcze zrealizować sekundowe do katalogu c:\Hello_world_tu_KaRTOS\.
USART mikrokontrolera. Deklaracja opóz
nienie, do czego służy systemo- Po wydaniu polecenia make na kon-
wspomnianej funkcji ma następują- wa funkcja TimeSleepms. Jako argu- soli powinny pojawić się komunikaty
cą postać: void KaRTOSUartInit(u16 ment podajemy czas w milisekundach świadczące o postępie kompilacji i po
u16Baudrate, u08 u08doubleSpeed).  w naszym przypadku 1000 ms. chwili ekran powinien wyglądać jak
Przyjmuje ona dwa parametry: Zadania Task_2 i Task_3 będą mia- na rys. 10. Oznacza to, że kompila-
 u16Baudrate  wartość ta zo- ły podobną budowę ze względu na cja przebiegła pomyślnie, a w katalogu
stanie przepisana do rejestru realizację podobnych algorytmów  c:\Hello_world_tu_KaRTOS\ znajduje się
UBRR, określa zatem prędkość różnią się jedynie czasami opóz
nień. plik main.hex (i main.bin), z kodem
transmisji, Kod zadań przedstawiają odpowiednio wynikowym, który możemy załadować
 u08doubleSpeed  włącza (jeśli list. 4 i 5. Po ustawieniu odpowied- do pamięci kontrolera.
ma wartość 1) lub wyłącza (jeśli niego pinu w stan niski, co powo-
wartość jest różna od 1) podwo- duje zapalenie podłączonej do niego Aplikacja działa
jenie prędkości transmisji portu. diody, należy zrealizować opóz
nienie Teraz wystarczy podłączyć sprzęt
(rys. 9) do komputera PC za pomo-
cą niekrosowanego kabla szeregowego
i uruchomić dowolną aplikację ter-
minala (np. TTermSSH). Następnie
ustawiamy parametry transmisji, jak
podano powyżej (8N1, 38400). Jeśli
połączenia są wykonane poprawnie,
to po podłączeniu zasilania do płyty
kontrolera zaobserwujemy mrugające
diody, a terminal zapełni się ekranem
powitalnym jak na rys. 11.
Mariusz Żądło
[e-mail]
Autor zachęca Czytelników do kształtowania tre-
ści kolejnych odcinków cyklu. Napisz w e mailu
czy bardziej interesuje Cię teoria działania, czy
raczej wolisz aby prezentowane były przykła-
dowe aplikacje i projekty dla systemu KaRTOS.
Inne uwagi również mile widziane.
Rys. 10. Widok okna konsoli po pomyślnej kompilacji aplikacji demo
Elektronika Praktyczna 6/2008
108