STM32F407_FreeRTOS_2_Task/Scheduler/Context Switching

STM32F407_FreeRTOS_2_Task/Scheduler/Context Switching

앞선 포스팅은 기본 내용 중 커널 시스템과 전경/배경 시스템에 대해서 더 자세하게 정리해봤습니다.
이제 FreeRTOS를 사용하기 위해 본격적으로 Task와 Scheduler, Context Switching에 대해 자세하기 정리했습니다.

1. Task

1.1 Task이란?

• Task는 위의 사전에서 나오는 정의와 같이 일련의 명령어들로 구성된 독립적인 실행 단위입니다. 스레드 또는 프로세스를
  하나의 실행 단위로 보는데 FreeRTOS에서는 스레드로 보시면 될 거 같습니다.
• 여러 동작에 대한 실시간 성능을 만족시키기 위해 전체 프로그램을 Scheduling이 가능한 작은 단위로 쪼갠 것으로
  생각해도 될 거 같습니다.
• 앞서 말씀드렸듯이, 하나의 Task에는 각기 다른 하나의 loop(Background System)을 가지고 있습니다.

1.2 Task state machine

• state machine이란 각 각의 state들을 어떤 조건에 따라 연결해 놓은 것입니다. 일종의 Diagram으로 보셔도 무방합니다.
• 결론적으로 Task에 대한 여러 state들을 어떤 조건에 따라 연결해 놓은 Diagram으로 알아두시면 되겠습니다.
• 주로 보셔야할 것은 CPU의 점유권에 따른 관점입니다.
  • 앞서 말씀드렸듯이, 각 각의 Task 중 하나의 Task만 CPU의 점유권을 가질 수 있습니다.
    즉, CPU의 점유권을 가진 Task만이 Running state라고 할 수 있습니다.
  • Running state의 Task가 모든 동작을 완료했다면 다른 Task로 CPU의 점유권을 넘겨야합니다. 그러기위해선 Task의 state를 Blocked로 바꿔야합니다.
  • 만약 state를 바꾸지 않는다면, 현재 Task보다 높은 Priority의 Task만 CPU의 점유권을 가질 수 있고
    반대로 현재 Task보다 낮은 Priority의 Task는 영원히 CPU의 점유권을 가질 수 없습니다.
  • 어떤 Task가 지금 Running state이고, 그 Task의 Priority는 무엇이고, 언제 Block state로 전환되는지에
    대한 내용은 추후 Debugging 시, 매우 중요한 관점이라 생각합니다.
    (‘CPU의 리소스를 최대한 효율적으로 사용하도록 만드는 것이 궁극적인 목표다.’ 라고 생각하면서 해야겠습니다.)

    항상 Task안에 코드를 작성 시, 이러한 점을 염두해두고 해야 될 거 같습니다.
    

1.3 Task parameter

• Task도 결국엔 하나의 조그마한 시스템이자 프로그램이라 할 수 있습니다.
  • 입력과 출력이 있고 입력을 처리하는 코드 알고리즘인 유기체(entity)가 있기 때문입니다.
• 그렇기 때문에 Task도 어떻게 만드는가에 따른 특정한 성질들 존재 합니다.
  즉, parameter가 존재합니다.

• T(Task)
  • 보통 Task를 기호로 나타낼 땐 ‘타우’를 쓰고 아래첨자로 Task numbering을 합니다.
• P(Peroid)
  • Task가 실행되는 주기를 칭합니다.
  • Periodic Task의 형태일 시, 정의합니다.
    당연하게도 주기성이 없을 경우, 아무 의미가 없습니다.
  • Priority가 낮은 Task일 경우, Preemption하는(Priority가 높은)Task는 무엇이 있고
    얼마나 실행되는지 따져봐야되기 때문에 Period를 널널하게 해줘야합니다.
• D(Deadline)
  • Task가 실행되고 종료될때까지의 최대 시간(기한)입니다. (여기서 종료는 해당 Task가 CPU의 점유권을 놓았을 때를 말합니다.)
  • 무조건정해진 기한 까지 Task를 종료해야합니다.
  • Periodic Task에서 주기성을 보장하기 위해선 ‘P’보다 초과하도록 만들면 안됩니다.
• C(Worst-execution time)
  • Task의 최악의 실행시간을 나타냅니다.
  • Task가 어떤 유효한 동작을 수행할 시 걸릴 수 있는 최대 시간이라고 생각하면 되겠습니다.
    (CPU의 점유권을 계속 가지고 있는 시간)
• pr(Priority)
  • Task의 우선순위를 나타냅니다.
  • 값이 높을수록(High) 우선순위가 높습니다.
    (반대로 값이 낮을수록(Low) 우선순위가 낮습니다.)
• R(Worst-Case Response Time)
  • 전체 프로그램이 시작되고 해당 Task가 실행 후 실행이 끝나는(응답) 시간까지를 말합니다.
  • 여러 Task가 유기적으로 동작 시, 최악의 응답 시간을 측정할 때 활용됩니다.
• 표의 내용을 정리해보면(단위 : ms), Task1은 주기는 10ms, 기한은 10ms, 최악의 실행시간은 3ms, 우선순위는 99이다.
  라고 할 수 있습니다.

  추후 수많은 동작들을 Task로 구현 시, Task의 주기성 및 결정성을 최대한 보장하기 위해    
  각 Task별 parameter를 정의하고 Design하는 방식으로 해보자는 생각을 가졌습니다. 
  

1.4 MultiTasking 이란?

• 말그대로 Task를 Multi로 수행하는 것을 말하고 커널이 수행해줍니다.
• 개발자는 각 각의 Task를 Superloop 방식 코드작성하듯이 하면 됩니다.
  마치 각 각이 하나의 일만을 한다고 생각하고 작성해도,
  커널이 알아서 번갈아가며 Task를 효율적으로 수행할 것이라고 생각하면 되겠습니다.
• 하지만, MCU안의 CPU core는 Single 이기에 진짜로Task가 동시에 실행된다고 생각하면 안됩니다.
  • 실제로, 1개의 CPU가 엄청 빠른 시간동안에 각 각의 Task를 번갈아 가면서 처리합니다.
    제품을 사용하는 입장에 볼때는 여러 Task를 동시에 처리하는것처럼 느껴지게 됩니다.
  • 요즘엔 소형 MCU도 내부 system clock을 150Mhz까지 채배해서 쓸 수 있도록 많이 보편화되서 가능하게 되었습니다.
• 그럼, 어떻게 그리고 어떤 방식으로 Task를 번갈아 가면서 처리하는가?
  위의 의문을 풀기 위해선 커널의 Scheduler와 문맥전환(Context Switching)을 알아야합니다.

2. Scheduler

2.1 Scheduler란?

• 한정적인 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 Task의 특정 실행 시간에 실행할 Task를
  선택하는 작업을 하는 주체
  • Task State Swtiching, Context Switching
• 정확한 시간에 적절한 Task가 실행되는 것을 보장합니다.

• FreeRTOS에서의 스케줄링 방식은 아래와 같습니다.

• FreeRTOS에서는 선점형/비선점형을 선택할 수 있습니다.(기본은 선점형으로 사용합니다.)

• 2.2 Non-preemptive Kernel(비선점형 커널) 이란?

• 먼저 CPU 점유권을 점령을 하지 않는 커널
• 무조건 ISR로 뛰어들어가기 전에 돌고 있던 Task로 다시 CPU 점유권을 넘김.
• Multitasking을 구현 시, Task 자신의 state를 Blocked로 바꿔야함.
• 특징
  • 인터럽트 지연시간이 짧음.
  • Task 레벨에서도 비재진입 함수를 사용할 수 있다.
  • Task 응답성이 떨어짐.
    • 현재 Task의 긴 수행시간 때문에 Priority가 높은(매우 중요한) Task가 긴 수행시간만큼 대기할 수 있음.

      2.3 Preemptive Kernel(선점형 커널) 이란?

• ISR로부터 복귀 할 때 Priority가 가장 높은 Task에게 CPU 점유권을 넘김.
• Task 응답성이 개선됨.
• 가장 높은 Priority의 Task가 언제 CPU의 점유권을 가질 수 있는지 알 수 있음.
• Critical Section, 비재진입 함수의 사용 등에서 문제점 발생.
  • 특정 비재진입 함수를 호출해서 사용 중인 Task에서 Priority가 높은 Task로 CPU 점유권이 넘겨지고
    그 Task에서 특정 비재진입 함수를 호출해버리면, 데이터가 완전히 꼬여버리는 문제 발생.
    • 상호배제적으로 공유자원(Local Resource)를 접근해야함.

3. Context Switching

3.1 Context란?

• Task가 실행되면서 Memory(RAM)에 액세스한 리소스(프로세서 레지스터, 스택 등)로 구성됨.

  3.2 Context Switching이란?

• Task가 번갈아 실행되면서 프로세서 레지스터와 같은 Context가 잘못된 값이 생성됨을 방지하기 위해
  일시 중단 직전과 동일한 Context를 가져야합니다.
• Kenrel은 이러한 경우를 보장하고 일시 중단 직전의 Context를 저장하고
  Task가 다시 시작되면 복원됩니다.
• 결론적으로, 일시 중단된 Task의 Context를 저장하고 재게되는 Task의 Context를 복원하는 과정을 말합니다.
• Context Switching 과정은 따로 자세하게 정리해보겠습니다.

  3.3 Context Switching이 일어나기 위한 조건

• 모든 ISR(Interrupt Service Routine).
• CPU의 점유율은 Kernel의 Scheduler가 가짐.
• Ready state들의 Task 중에 다음에 서비스를 해줘야할 Task를 결정.
  • Priority가 높은 Task에게 점유율을 넘김.

4. 정리

Task, Schduler, Context Switching을 정리해봤습니다.
다음엔 실제로 FreeRTOS에 사용하는 코드들과 함께 Task관련 여러 예제들을 정리할 것입니다.