STM32F407_FreeRTOS_3_Task/Scheduler API,예제정리

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STM32F407_FreeRTOS_3_Task/Scheduler API,예제정리

이번 포스팅은 각종 Task예제를 통해 STM32CubeMX를 통해 생성한
CMSIS_RTOS_API의 FreeRTOS 코드 내용 및 log 출력값을 정리했습니다.

FreeRTOS 외의 코드 내용은 제외하였습니다.

1. Task / Scheduler API 정리

1.1 xTaskCreate()

taskcreate

Task를 만드는 기본적인 함수입니다.

1.2 vTaskDelay()

핵심은 Delay라는 동작이 ‘Task의 state를 Blocked 함’(CPU의 점유권을 넘긴다) 입니다.
HAL_Delay와의 차이점
- Polling 방식으로 Delay 측정(loop 방식)
- FreeRTOS가 사용하는 Tick Timer보다 더 낮은 우선순위를 가짐.
  - 우선순위가 높은 Tick Timer 등에 의해 멈춤현상이 발생 -> 정확한 Delay를 하지 못함.
- CPU 리소스를 점유하기 때문에 RTOS 사용 시는 osDelay() 함수를 이용해서 다른 스레드에게
  제어권을 넘겨주는게 CPU 리소스를 효율적으로 사용 할 수 있음.
- 실제로, HAL_Delay() 사용 시, 1ms 더 Delay 됨. 1로 해서 500 loop 돌렸는데 1.5초가 나옴.(???)
  OS_Delay() 사용 시, us대 더 Delay 됨. 1로 해서 500 loop 돌렸는데 0.5초가 나옴.

1.3 vTaskDelayUntil()

Periodic task 구현에 사용할 수 있습닏.

1.4 xTaskDelete()

1.5 vTaskPrioritySet()

‘Note’ 내용을 꼭 숙지할 것.

1.6 vTaskPriorityGet()

이외의 필요한 내용은 추후 Update 할 것

2. Task 예제 정리

2.1 MX_FREERTOS_Init()

STM32CubeMX를 통해 생성하시면 ‘MX_FREERTOS_Init()’를 생성해줍니다.

void MX_FREERTOS_Init(void) {
  /* USER CODE BEGIN Init */
  char * myTask01_Argument = "Taskname : myTask01";
  char * myTask02_Argument = "Taskname : myTask02";
  char * myTask03_Argument = "Taskname : myTask03";
  /* USER CODE END Init */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_MUTEX */
  /* add mutexes, ... */
  /* USER CODE END RTOS_MUTEX */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_SEMAPHORES */
  /* add semaphores, ... */
  /* USER CODE END RTOS_SEMAPHORES */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_TIMERS */
  /* start timers, add new ones, ... */
  /* USER CODE END RTOS_TIMERS */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES */
  /* add queues, ... */
  /* USER CODE END RTOS_QUEUES */

  /* Create the thread(s) */
  /* definition and creation of defaultTask */
  osThreadDef(myTask01, LEDTask_LD4, osPriorityNormal, 0, 128);
  myTask01Handle = osThreadCreate(osThread(myTask01), (void *)myTask01_Argument);

  /* definition and creation of myTask02 */
  osThreadDef(myTask02, LEDTask_LD3, osPriorityAboveNormal, 0, 128);
  myTask02Handle = osThreadCreate(osThread(myTask02), (void *)myTask02_Argument);

  /* definition and creation of myTask03 */
  osThreadDef(myTask03, LEDTask_LD5, osPriorityRealtime, 0, 128);
  myTask03Handle = osThreadCreate(osThread(myTask03), (void *)myTask03_Argument);

  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */

  printf("OK\r\n");
  /* USER CODE END RTOS_THREADS */

}

맨 첫줄의 myTask01~03_Argument는 Task 생성 시, 매개변수로 넣어줄 것들입니다.
Task가 loop로 진입 전, 매개변수 값을 printf로 출력할 예정입니다.
osThreadDef
osThreadCreate에서 실제로 Task를 만들고 Handle을 Return 합니다.

2.2 Basic Task

아래와 같이 3개의 Task를 만들었습니다.

myTask01

void LEDTask_LD4(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LEDTask_LD4 */
  char * temp = (char *)argument;

  printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
  printf("....loop start. \r\n");
  
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD4_Pin, GPIO_PIN_SET);
	task1_LED_Active_Flag = 1;
	while(task1_osdelay_value < 500)
	{
    	osDelay(1);
		task1_osdelay_value++;
	}
  	HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD4_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	task1_LED_Active_Flag = 0;	
	while(task1_osdelay_value > 0)
	{
    	osDelay(1);
		task1_osdelay_value--;
	}	
  }
  /* USER CODE END LEDTask_LD4 */
}

myTask02

void LEDTask_LD3(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN LEDTask_LD3 */
char * temp = (char *)argument;

printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
printf("....loop start. \r\n");

/* Infinite loop */
for(;;)
{
 	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD3_Pin, GPIO_PIN_SET);
 	  task2_LED_Active_Flag = 1;
 	  while(task2_osdelay_value < 1000)
 	  {
 		  osDelay(1);
 		  task2_osdelay_value++;
 	  }
 	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD3_Pin, GPIO_PIN_RESET);
 	  task2_LED_Active_Flag = 0;  
 	  while(task2_osdelay_value > 0)
 	  {
 		  osDelay(1);
 		  task2_osdelay_value--;
 	  }   
}
/* USER CODE END LEDTask_LD3 */
}

myTask03

void LEDTask_LD5(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN LEDTask_LD5 */
char * temp = (char *)argument;

printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
printf("....loop start. \r\n");

/* Infinite loop */
for(;;)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD5_Pin, GPIO_PIN_SET);
    task3_LED_Active_Flag = 1;
    while(task3_osdelay_value < 1500)
    {
        osDelay(1);
        task3_osdelay_value++;
    }
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD5_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    task3_LED_Active_Flag = 0;  
    while(task3_osdelay_value > 0)
    {
        osDelay(1);
        task3_osdelay_value--;
    }   

}
/* USER CODE END LEDTask_LD5 */
}

3개의 Task 모두 loop 진입 전 자신의 Priority 및 argument 값을 printf로 출력합니다.
간단한 LED ON/OFF 동작 후 일정 시간동안 osDelay() 동작을 수행합니다.
만약 3개의 Task 중 Priority가 겹치는 경우가 있을 경우, printf 출력이 겹치는 Task에 한해서 안나오는 경우가 발생합니다.
이는 동일한 우선순위 함수는 라운드 로빈 방식을 하기 때문에 전역 함수인 printf()이 겹치는 현상입니다.
-> 겹치는 Task가 동일한 시간에 printf()를 사용하지 못하게 하기 위해선 ‘Task간 동기화’를 해줘야합니다.
(이는, 추후 세마포어 및 뮤텍스 기능 설명을 통해 다루어 볼 것입니다.)
결과

Scheduler가 처음 실행 시, High Priority인 Task부터 수행되는 것을 확인하였습니다.
간단한 LED ON/OFF동작이기에 ‘C’(최악의 실행시간)은 무시해도 됩니다.
바로 osDelay()를 실행하기 때문에 preemption도 일어나지 않습니다.
결론적으로, 각 Task의 LED 동작 및 Delay Count동작이 주기적으로 수행됨을 확인하였습니다.
먼저 수행을 시작한 myTask03의 Delay Count값이 높은 것으로 확인하였고
printf()동작이 약 5 Count 갭이 있음을 확인하였습니다.

2.3 Periodic Task 예제

앞서 보여준 Basic Task 같은 경우 외에도 Periodic Task를 만들어 Multitasking 동작을 해봤습니다.

아래는 동작한 Task의 parameter를 정리한 표입니다.
myTask01

void LEDTask_LD4(void const * argument)
{
  char * temp = (char *)argument;
  TickType_t xLastCurrentTime;
  int i;
  //const TickType_t xPeriod = pdMS_TO_TICKS(500);

  printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
  printf("....loop start. \r\n");

  xLastCurrentTime = osKernelSysTick();
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
  	HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD4_Pin, GPIO_PIN_SET);
	task1_LED_Active_Flag = 1;
	for(i=0;i<15;i++)
	{
		HAL_Delay(1);
	}
  	HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD4_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	task1_LED_Active_Flag = 0;	

	osDelayUntil(&xLastCurrentTime,100);
  }
}

myTask02

void LEDTask_LD3(void const * argument)
{
  char * temp = (char *)argument;
  TickType_t xLastCurrentTime;
  int i;

  printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
  printf("....loop start. \r\n");

  xLastCurrentTime = osKernelSysTick();
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
 	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD3_Pin, GPIO_PIN_SET);
 	  task2_LED_Active_Flag = 1;
	  for(i=0;i<25;i++)
	  {
		  HAL_Delay(1);
	  }
 	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD3_Pin, GPIO_PIN_RESET);
 	  task2_LED_Active_Flag = 0;  

	  
 	osDelayUntil(&xLastCurrentTime,200);
  }
}

myTask03

void LEDTask_LD5(void const * argument)
{
  char * temp = (char *)argument;
  TickType_t xLastCurrentTime;
  int i;

  printf("%s. pr : %d",temp,(int)osThreadGetPriority(NULL));
  printf("....loop start. \r\n");

  xLastCurrentTime = osKernelSysTick();
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD5_Pin, GPIO_PIN_SET);
	  task3_LED_Active_Flag = 1;
	  for(i=0;i<50;i++)
	  {
		  HAL_Delay(1);
	  }
	  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,LD5_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	  task3_LED_Active_Flag = 0;  

 	osDelayUntil(&xLastCurrentTime,400); 
  }
}

Basic Task와의 차이점은 아래와 같습니다.
각 Task의 loop 시작 전, Kernel에서의 절대 Tick 값을 얻어옵니다.
```
xLastCurrentTime = osKernelSysTick();
```
Task의 모든 동작이 끝나고 설정한 Period Tick을 더한 절대 Tick 값까지 Blocked state로 대기합니다.
```
osDelayUntil(&xLastCurrentTime,400);   
```
설정한 Period Tick 값에 도달하면 다시 Task가 Running state로 전환되고 Task 동작을 시작합니다.
핵심은 Kernel에서 관리하는 절대 Tick값을 이용하기 때문에 Task의 실행시간(C)이 불규칙해도 주기가 일정합니다.
(주기성을 보장해줄 수 있습니다.)
- Basic Task의 경우엔 Task의 동작 종료 직전의 시간을 기준으로 하기 때문에 Task의 실행시간(C)에 따라
  주기가 달라집니다.
Task의 실행시간(C)는 HAL library의 Delay 함수를 이용하여 구현하였습니다.
- FreeRTOS를 올리고 측정해보니 설정 Delay 값에서 약 1ms더 Delay되는 것을 관찰하였습니다.
  - 이는 앞서 언급했듯이, HAL_Delay를 측정하는 인터럽트가 FreeRTOS의 인터럽트로 인한 멈춤현상이 원인입니다.
- 실제 Task에서 loop를 수행하는 동작을 위해 HAL_Delay(1)을 loop로 돌려 구현하였습니다.
결과

myTask01과 myTask02의 실제 ‘C’는 parameter ‘C’와 같지만
myTask03의 실제 ‘C’(210ms)는 parameter ‘C’(100ms)와 다름을 확인하였습니다.
다르게 나오는 이유는 아래와 같습니다.
- 주목해야할 점은 FreeRTOS Scheduling의 특징 중 하나인 ‘우선순위 기반 Scheduling’입니다.
- myTask03이 동작을 실행하는 동안, Priority가 더 높은 myTask01과 myTask02가 Preempt 하였습니다.
위의 사진과 같이 myTask03이 동작을 실행하는 동안 myTask01이 2번, myTask02가 1번 Preempt 한 것을 확인할 수 있습니다.
비록 myTask03의 실제 ‘C’는 늘어났지만, 모든 Task의 실제 ‘P’는 parameter ‘P’와 같음을 확인하였습니다.
위의 같이 Priority가 낮은 Task의 경우, 상의 Priority의 Task들이 얼마나 Preempt을 하느냐에 따른 경우를
잘 분석해서 parameter를 정해야합니다.

3. 정리

Task / Scheduler API 정리 및 Basic/Periodic Task 예제를 만들고 Log 출력 및 Logic analyzer를 통해 디버깅을 해봤습니다.
추후 Task 관련 Issue 및 관련 내용은 지속적으로 Update할 예정입니다.

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STM32F407_FreeRTOS_3_Task/Scheduler API,예제정리

STM32F407_FreeRTOS_3_Task/Scheduler API,예제정리

1. Task / Scheduler API 정리

1.1 xTaskCreate()

1.2 vTaskDelay()

1.3 vTaskDelayUntil()

1.4 xTaskDelete()

1.5 vTaskPrioritySet()

1.6 vTaskPriorityGet()

2. Task 예제 정리

2.1 MX_FREERTOS_Init()

2.2 Basic Task

2.3 Periodic Task 예제

3. 정리

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참고

github 사용법 정리

Velostat 정리

3Line RTD Sensor 정리

STM32_UART_Interrupt_MODE