2

FreeRTOS Notları #1: FreeRTOS’a Giriş , CMSIS-RTOS ve Bellek Yönetimi

    Uzun zamandır başlamayı düşündüğüm bir yazı dizisi ile karşınızdayım. Buna yazı dizisi demek ne kadar doğru olur bilemem çünkü daha çok “not” şeklinde yazılar paylaşacağım. Zamanında bu konuyu öğrenirken aldığım notları düzenleyip ayrı ayrı başlıklar altında paylaşacağım. Bu notlar gömülü sistemlerin işletim sistemi olan RTOS(Real Time Operating System) ile ilgili notlar olacak. Aslında RTOS genel bir kavram ben FreeRTOS ile ilgili yazılar ve kod örnekleri paylaşacağım.
    FreeRTOS bir mikrodenetleyici üzerinde çalışabilecek şekilde tasarlanmış bir işletim sistemidir. Gömülü sistemlerde FreeRTOS gibi farklı işletim sistemleri de bulunmaktadır. Bunlardan birkaçı VxWorks,QNX,Integrity dir. FreeRTOS bunların içinde lisanssız olanlarından. FreeRTOS ile aynı kod tabanını paylaşan lisanslı yazılımlar da bulunmaktadır(OpenRTOS,SafeRTOS).
    FreeRTOS mikrodenetleyici veya küçük mikroişlemcileri kullanan gerçek zamanlı gömülü sistem uygulamaları için idealdir. Bu tip uygulamaların normal olarak hard real-time ve soft real-time gereksinimleri vardır. Soft real-time gereksinimde bir işin zamanında yapılmaması sistemde hata oluşmasına sebep olmaz. Örneğin; fareyi bilgisayar ekranında hareket ettirirken bilgisayarın yavaşlaması ve farenin ekranda donarak hareket etmesi bizim açımızdan önemli bir sorun değildir. Hard real-time gereksinimde ise işin zamanında yapılmaması kabul edilemez. Örneğin; Kaza anında hava yastığının en öncelikli durum olarak açılması gerekir. Bunun aksi bir durumda hava yastığı kullanmanın bir önemi kalmaz.

Multitasking(Çoklu Görev)

    FreeRTOS, gömülü uygulamaların hard real-time gereksinimlerini karşılamak için oluşturulmuş bir gerçek zamanlı kernel’dır. FreeRTOS birden fazla işin(task veya thread) organize olarak çalışmasını sağlar. Buna da multitasking denir. RTOS da task(veya thread) olarak isimlendirilen iş parçacıkları bulunmaktadır. İşlemci bu iş parçacıklarını belli zamanlarda belli bir önceliğe göre çalıştırır yani birden fazla işi aynı anda yapar(yapıyormuş gibi görünür).
“Multitasking tek çekirdekli işlemciler tarafından bize gösterilen bir ilüzyondur.”
    Aslında tek çekirdekli işlemci üzerinde herhangi bir zamanda tek iş parçacığı çalıştırılır. RTOS da bu iş parçacıkları öncelik ve zamana bağlı olarak aynı anda çalışıyormuş gibi işlemci üzerinde çalışır. Zamana bağlı olduğundan dolayı gerçek zamanlı kavramı buradan gelir. Yazılımcı hard real-time gereksinime sahip thread’lerin önceliğini daha yüksek seçmelidir. Burada şunu söyleyebiliriz; Gerçek zamanlı sistemlerde hard real-time gereksinime sahip thread’ler soft real-time gereksinime sahip thread’lere göre daha öncelikli olarak çalıştırılır.
    FreeRTOS da her bir iş parçacığı “task” olarak isimlendirilir fakat daha spesifik adı “thread”‘tir ve genellikle thread daha çok kullanılır.

Neden Real-Time Kernel Kullanırız?

    Bir kernel kullanmadan iyi bir gömülü yazılım yazmak için geliştirilmiş teknikler vardır ve eğer sistemi geliştirmek basitse bu teknikler en uygun çözümü sağlayabilir. Daha karışık durumlarda bir kernel kullanmanın tercih edilmesi daha muhtemeldir.
  • Kernel execution timing ten sorumludur ve uygulamaya zamanla ilgili bir API sağlar. Böylece uygulama kodunun daha basit ve boyutunun küçük olmasını sağlar.
  • Modülerlik; Task’lar her biri iyi tanımlanmış birer modüldür.
  • Task’lar aynı zamanda iyi tanımlanmış birer arayüzdür. Böylece geliştirmeyi takım ile yapmayı kolaylaştırır.
  • Testleri kolaydır.
  • Büyük modüler yapısı ve daha az bağımlı olmasının sonucu olarak fazla efor harcamadan kodlar tekrardan kullanılabilir.
  • Verim; Bir kernel kullanmak yazılımın tamamen olay güdümlü(event-driven) olmasını sağlar. Bu yüzden gerçekleşmemiş olaylar için yoklama(polling) ile zaman kaybedilmez. Task sadece gerekli olduğunda yürütülür.
  • Güç yönetimi; İşlemci üzerinde en az bir task yürütülmelidir. Bu yüzden başlangıçta “Idle task” adında boş bir task oluşturulur. Eğer kullanıcının tanımladığı tasklerden hiçbiri işlemci üzerinde yürütülmez ise “Idle task” otomatik olarak yürütülür. Bu task içerisinde işlemci düşük güç moduna alınarak güç tasarrufu yapılabilir.

FreeRTOS Özellikleri

  • Pre-emptive(öncelik) veya co-operative(işbirliği) çalışması.
  • Çok esnek task önceliği atanabilmesi.
  • Esnek ve hızlı task notification(bildirim) mekanizması.
  • Queues( Kuyruklar)
  • Binary ve Counting Semaphore
  • Mutex ve Recursive Mutex
  • Yazılımsal Timer’lar
  • Event grupları
  • Tick hook ve ıdle hook fonksiyonu
  • Stack overflow kontorolü
  • Opsiyonel ticari lisans versiyonları

CMSIS-RTOS

    CMSIS-RTOS cortex-M tabanlı işlemciler için geliştirilmiş bir ortak API’dir. Bu API arka planda üçüncü parti bir RTOS API kullanır. CubeMX ile STM32 üzerinde FreeRTOS kullanmak istersek araya bu CMSIS-RTOS katmanı girer. CMSIS-RTOS API’sinin geliştirilmesindeki amaç RTOS API leri arasında taşınabilen standartlaştırılmış ortak bir katman sağlamaktır.
    Yukarıda görüldüğü gibi “cmsis_os.h” kütüphanesinin freertos u kullandığı görülebilir.  FreeRTOS STM32 ile cmsis_os.h kütüphanesi olmadan da kullanılabilir. RTOS kullanmak için araya başka bir katmanın girmesi kod boyutunu büyütecektir. Kod boyutunun önemli olduğu projelerde FreeRTOS’u CubeMX ile kullanmak yerine yazılımcının FreeRTOS’u include ederek kullanması daha iyidir.
    Bu yazı dizisinde RTOS nesnelerinin hem FreeRTOS hem de CMSIS-RTOS API’si ile kullanımını göstereceğim. Bu yüzden FreeRTOS’u projeye CubeMx ile ekleyip proje dosyası içerisinde önce FreeRTOS ile daha sonra CMSIS-RTOS ile kullanımını göstereceğim. RTOS nesnelerinin bu iki API’da da çalışma mantığı aynıdır. Fark sadece kodlamadadır. Örneğin; FreeRTOS API’ da scheduler “vTaskStartScheduler()” fonksiyonu ile başlatılırken CMSIS-RTOS API da ise “osKernelStart()” fonksiyonu ile başlatılır. Burada osKernelStart() fonksiyonunun tanımlandığı kısma gittiğimizde karşımıza aşağıdaki gibi bir kod parçası çıkar.

Heap Memory Yönetimi

    Bu yazı dizisinde zamanla task ,queue,semaphore ve mutex gibi kernel objelerini tanıyacağız. Bu objeler her oluşturulduğunda RTOS kernel’ı RAM’e ihtiyaç duyar. FreeRTOS’u mümkün oluğunca daha kolay kullanmak için bu objeler derleme aşamasında hafızada oluşturulmaz. Dinamik olarak program çalıştırılırken oluşturulur. FreeRTOS’da her kernel objesi oluşturulurken RAM de bir alan ayrılır(allocate). Bu kernel objeleri silindiği zaman RAM de ayrılan alanlar temizlenir(free). Bu durum RAM kullanımını minimuma indirir.
    Bu bölümde orjinal adı ile “dynamic memory allocation” a değineceğim. Dinamik hafıza ayırma veri yapılarından da hatırlayacağınız üzere bir C programlama konseptidir ve sadece FreeRTOS ve multitasking e özel bir durum değildir.
    Hafıza standard library fonksiyonlarından malloc() ve free() fonksiyonları kullanılarak allocate ve deallocate edilebilir fakat FreeRTOS malloc() fonksiyonunu doğrudan kullanmaz. malloc() fonksiyonu yerine pvPortMalloc() fonksiyonunu, free() fonksiyonu yerine ise vPortFree() fonksiyonunu kullanır. Bunlar public tanımlı fonksiyonlar oldukları için uygulama kodu içerisinden de çağrılabilir.

Bellek Ayırma Düzenleri

    Gömülü sistemlerde kernel objelerinin scheduler başlatılmadan önce tanımlanması yaygındır. Bu durumda bellek, sistem herhangi bir gerçek zamanlı işi çalıştırmaya başlamadan önce kernel tarafından dinamik olarak ayrılır. Bu seçilen bellek ayrıma düzeninin kod boyutu ve basitlik gibi özelliklerinin dikkate alınarak seçileceği anlamına gelir.
Heap_1 : Heap_1.c  pvPortMalloc() fonksiyonunun çok basit bir versiyonunu kullanır ve vPortFree() fonksiyonunu kullanmaz. Uygulama tarafından bir task veya diğer kernel objeleri silinemez. Bu yüzden task gibi kernel objelerinin oluşturulduğu ve silinmediği uygulamalar için tercih edilebilir. pvPortMalloc() fonksiyonu her çağrıldığında heap_1 basit bir dizini küçük bloklara böler. Bu dizin FreeRTOS Heap olarak isimlendirilir ve dizinin boyutu FreeRTOSConfig.h dosyası içerisindeki configTOTAL_HEAP_SIZE makrosuna göre belirlenir.
    Oluşturulan her task’ın bir  task kontrol bloğu (TCB) vardır ve heap te blok olarak ayrılır. Aşağıdaki resimde heap_1 in task oluşturulurken bir dizini nasıl bloklara ayırdığı görülebilir.
 
  • A: Henüz hiçbir task oluşturulmadan önceki dizin.
  • B: Bir task oluşturulduktan sonraki dizin
  • C: Üç task oluşturulduktan sonraki dizin.
Heap_2 :  Heap_2 eski olduğu için bunun yerine heap_4 daha çok tercih edilir. Geriye dönük uyumluluk için yine de FreeRTOS dağıtımlarında tutulur.
    Heap_2 en iyi yerleştirme algoritmasını( best fitting)  kullanır ve heap_1 den farklı olarak önceden ayrılmış blokları temizler(free). Heap_2 oluşturulan task’lara ayrılan yığın boyutunun değişmediği ve task’ların tekrar tekrar oluşturulup silindiği uygulamalar için uygundur.
    Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi önceden oluşturulmuş üç task’ten biri silinmiş ve daha sonra başka bir task oluşturulmuş. Son oluşturulan task daha önceden silinen bir taskın RAM’ de kapladığı alanı kullanır. Burada silinen ve oluşturulan task boyutları aynıdır.
Heap_3:  Heap_3 standard library fonksiyonlarından malloc() ve free() yi kullanır.  Heap boyutu linker konfigurasyonu ile tanımlanır. Bu yüzden configTOTAL_HEAP_SIZE tanımlamasının bir etkisi yoktur. Deterministik değildir. RTOS kernel kod boyutunu önemli ölçüde arttırır.
Heap_4:  Bu şema ilk bulunan yere yerleştirme (first fitting) algoritmasını kullanır ve heap_2 nin aksine bitişik olan boş blokları tek bir blok haline getirir. Heap boyutu yine configTOTAL_HEAP_SIZE makrosu ile belirlenir.  Sürekli olarak task,queue,semaphore vb gibi RTOS objelerinin oluşturulup silindiği uygulamalar için uygundur.
    Yukarıdaki resimde heap_4 ün RAM’i nasıl ayırdığı görülebilir. Burada B de bir task silindiğinde stack ve TCB için ayrılan alanlar tekrardan tek bir blok haline getirilir.  C de görüldüğü üzere bir başka RTOS objesi olan Queue oluşturulduğunda RAM da ilk bulunan uygun blok ayrılır. D de ise kullanıcının pvPortMalloc() fonksiyonunu çağırarak ayırdığı blok görülmektedir. Burada kullanıcın ayırmak istediği yığın boyutu RAM de ilk bulunan boşluğun boyutundan küçüktür.  E de ise Queue silindiği için otomatik olarak boşaltılan RAM görülmektedir. F de ise kullanıcının ayırdığı bellekte temizlendiği için üç bloğun hepsi tek bir boş blok haline getirilmiş.
    Heap_4 deterministik değildir fakat çoğu C standard library implementasyonu olan malloc() ve free() fonksiyonundan daha verimlidir.
Heap_5:  Bellek ayırma ve temizleme için kullanılan algoritma Heap_4 ile aynıdır. Heap_4 ün aksine boyutu belli bir diziden bellek ayırmakla sınırlı değildir. Heap_5 sistem tarafından sağlanan RAM in tek bir bitişik blok olarak görünmediği durumlarda kullanışlıdır. Heap_5 pvPortMalloc() fonksiyonu çağırılmadan önce başlatılması gereken tek bellek ayırma şemasıdır.  Heap_5 vPortDefineHeapRegions() fonksiyonu ile başlatılır.

Kaynaklar

Mehmet Topuz

Mehmet Topuz

2 Comments

Mehmet Topuz için bir cevap yazın Cevabı iptal et

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir