ESP32 Arduino: Creando una tarea FreeRTOS

Los sistemas embebidos son plataformas con recursos muy limitados en comparación con una PC. Es por esto que generalmente no tienen un sistema operativo completo, sino sólo el subconjunto de estos que pueden manejar ventajosamente. En algunos casos el OS no es un programa en sí mismo sino que es un conjunto de funciones que se ejecutan solo en momentos determinados del programa.

• Es un conjunto de programas que ayuda al programador de aplicaciones a gestionar los recursos de hardware disponibles, entre ellos el tiempo del procesador y la memoria.
• La gestión del tiempo del procesador permite al programador de aplicaciones escribir múltiples subprogramas como si cada uno fuera el único que utiliza la CPU.
• Una parte del OS se encarga de asignar tiempo de ejecución a todos los programas que tiene cargados en base a un juego de reglas conocido de antemano. A estos subprogramas se los llama tareas.
• Con esto se logra la ilusión de que múltiples programas se ejecutan simultáneamente, aunque en realidad sólo pueden hacerlo de a uno a la vez (en sistemas con un sólo núcleo, como es el caso general de los sistemas embebidos).

• El encargado de esta gestión es un componente del OS llamado scheduler o programador de tareas. Su función es determinar qué tarea debe estar en ejecución a cada momento.
• Ante la ocurrencia de ciertos eventos revisa si la tarea en ejecución debe reemplazarse por alguna otra tarea. A este reemplazo se le llama cambio de contexto de ejecución.

• Se llama contexto de ejecución al conjunto de recursos que identifican el estado de ejecución de una tarea:
• IP (instruction pointer)
• SP (stack pointer)
• Registros del CPU
• Contenido de la pila en uso

• Cuando el scheduler determina que debe cambiarse el contexto de ejecución, invoca a otro componente del OS llamado dispatcher para que guarde el contexto completo de la tarea actual y lo reemplace por el de la tarea entrante.
• Por esta razón debe reservarse un bloque de memoria de datos para cada tarea. Esto limita la cantidad de tareas simultáneas del sistema (pueden sin embargo eliminarse y crearse nuevas tareas en tiempo de ejecución).
• Estos cambios de contexto se realizan de forma transparente para la tarea, no agregan trabajo al programador. Cuando la tarea retoma su ejecución no muestra ningún síntoma de haberla pausado alguna vez.
• Los OS trabajan en dos modos:
• En modo cooperativo, estos cambios solo ocurren cuando la tarea en ejecución relega voluntariamente el uso del CPU.
• En cambio en modo preemptive el scheduler tiene la facultad de remover una tarea sin el consentimiento de la misma.
• En este caso debe preveerse que algunas operaciones no deben ser interrumpidas, a estos pasajes del programa se los llama secciones críticas. Los OS permiten inhibir de este modo 8 RTOS - Sistemas Embebidos 2010 - FI- los cambios de contexto cuando es necesario.

• Un RTOS es un sistema operativo de tiempo real.
• Esto significa que hace lo mismo que un OS común pero además me da herramientas para que los programas de aplicación puedan cumplir compromisos temporales definidos por el programador. El objetivo del mismo es diferente de un OS convencional.
• Un RTOS se emplea cuando hay que administrar varias tareas simultáneas con plazos de tiempo estrictos.

• Un STR está definido por:
• Los eventos externos que debe atender.
• La respuesta que debe producir ante estos eventos.
• Los requerimientos de temporización de esas respuestas.
• Los STR suaves se suelen diseñar como si fueran STR duros. Luego se da mayor prioridad a la atención de los eventos con compromisos temporales estrictos.

• Para cumplir con compromisos temporales estrictos
• El RTOS ofrece funcionalidad para asegurar que una vez ocurrido un evento, la respuesta ocurra dentro de un tiempo acotado. Es importante aclarar que esto no lo hace por sí solo sino que brinda al programador herramientas para hacerlo de manera más sencilla que si no hubiera un RTOS.
• Esto implica que una aplicación mal diseñada puede fallar en la atención de eventos aún cuando se use un RTOS.
• Para no tener que manejar el tiempo “a mano”
• El RTOS absorbe el manejo de temporizadores y esperas, de modo que hace más facil al programador el manejo del tiempo.
• Tarea Idle
• Cuando ninguna de las tareas requiere del procesador, el sistema ejecuta una tarea llamada idle u ociosa. Esto me permite fácilmente contabilizar el nivel de ocupación del CPU, poner al mismo en modo de bajo consumo o correr cualquier tarea que pudiera ser de utilidad para el sistema cuando no debe atender ninguno de sus eventos.
• Multitarea
• Simplifica sobremanera la programación de sistemas con varias tareas.
• Escalabalidad
• Al tener ejecución concurrente de tareas se pueden agregar las que haga falta, teniendo el único cuidado de insertarlas correctamente en el esquema de ejecución del sistema.
• Mayor reutilizabilidad del código
• Si las tareas se diseñan bien (con pocas o ninguna dependencia) es más fácil incorporarlas a otras aplicaciones.

• Se gasta tiempo del CPU en determinar en todo momento qué tarea debe estar corriendo. Si el sistema debe manejar eventos que ocurren demasiado rápido tal vez no haya tiempo para esto.

• Se gasta tiempo del CPU cada vez que debe cambiarse la tarea en ejecución.

• Se gasta memoria de código para implementar la funcionalidad del RTOS.

• Se gasta memoria de datos en mantener una pila y un TCB (bloque de control de tarea) por cada tarea

• El tamaño de estas pilas suele ser configurable POR TAREA, lo cual mitiga este impacto.

• Finalmente, debe hacerse un análisis de tiempos, eventos y respuestas más cuidadoso. Al usar un RTOS ya no es el programador quién decide cuándo ejecutar cada tarea, sino el scheduler. Cometer un error en el uso de las reglas de ejecución de tareas puede llevar a que los eventos se procesen fuera del tiempo especificado o que no se procesen en lo absoluto.

• A la luz de los beneficios mencionados, en el caso de que la plataforma de hardware lo permita y el programador esté capacitado no hay razones para no usar un RTOS.

una aplicación de tiempo real

• Tareas periódicas
• Atienden eventos que ocurren constantemente y a una frecuencia determinada. P. ej, destellar un led.
• Tareas aperiódicas
• Atienden eventos que no se sabe cuándo van a darse. Estas tareas están inactivas (bloqueadas) hasta que no ocurre el evento de interés. P. ej, una parada de emergencia.
• Tareas de procesamiento contínuo
• Son tareas que trabajan en régimen permanente. P. ej, muestrear un buffer de recepción en espera de datos para procesar.
• Estas tareas deben tener prioridad menor que las otras, ya que en caso contrario podrían impedir su ejecución.

• Tarea de la primera práctica
• Destellar un led a una frecuencia determinada.
• Muestrear un pulsador y reflejar su estado en un led (tarea periódica).
• Contar pulsaciones y destellar un led esa misma cantidad de veces (tarea aperiódica).

#Por qué FreeRTOS?

• No hay costo de implementación.
• El código está ampliamente comentado, es muy sencillo verificar cómo hace su trabajo.
• Es relativemente sencillo de portar a plataformas nuevas.

• Hay mucha documentación disponible.
• Libro de texto escrito por uno de los diseñadores del sistema.
• Incluye una demostración de sus funciones para cada plataforma en la que está soportado.
• Nutrida comunidad de usuarios
• Hay una opción con soporte comercial.
• Hay una opción con certificación SIL-3 para sistemas de misión critica.

• Está escrito mayormente en C, salvo las partes específicas de cada plataforma.
• Es liviano en tamaño de código y en uso de memoria RAM.

• Es un mini kernel de tiempo real que puede trabajar en modos cooperativo, preemptive o mixto.
• Mini kernel significa que provee los servicios mínimos e indispensables
• Permite compilar solo las funciones que se vayan a usar, acotando así su impacto en la memoria de código.
• Se puede definir y acotar en tiempo de compilación el uso de memoria de datos por parte del sistema.
• Ofrece funciones de temporización, de comunicación entre tareas, de sincronización entre tareas e interrupciones, y de definición de secciones críticas

• FreeRTOSConfig.h
• configUSE_PREEMPTION
• configCPU_CLOCK_HZ
• configTICK_RATE_HZ
• configMAX_PRIORITIES
• configMINIMAL_STACK_SIZE
• configTOTAL_HEAP_SIZE
• configUSE_USE_MUTEXES
• configUSE_CO_ROUTINES
• #define INCLUDE_vTaskDelete 1

• Citando a Richard Barry: “Las tareas se implementan con funciones de C. Lo único especial que tienen es su prototipo, que debe devolver void y recibir un puntero a void como parámetro”.
• void vTareaEjemplo (void *parametros);
• Cada tarea tiene su propio punto de entrada, sección de inicialización y lazo de control.
• Las funciones de tarea (en adelante, tareas) en FreeRTOS NO DEBEN RETORNAR BAJO NINGÚN CONCEPTO. No deben incluir un return ni ejecutarse hasta la llave de cierre
• Si una tarea deja de ser necesaria, puede eliminársela explícitamente.

• Las tareas tienen una prioridad de ejecución. 0 es la menor prioridad.
• Se recomienda usar referencias a tskIDLE_PRIORITY (+1, +2, etc)
• No hay límites a la cantidad de prioridades del sistema, pero se gasta RAM por cada una. Usar con cuidado.
• Se pueden crear múltiples instancias de una misma función de tarea
• Estas instancias pueden recibir un parámetro que las caracterice
• IMPORTANTE: Cuando una tarea deja de estar en ejecución, las referencias a variables alojadas en su pila dejan de ser válidas.
• Al ser funciones de C, se aplican las mismas reglas de visibilidad de variables => se puede compartir memoria entre las tareas usando variables globales.
• En este caso se debe cuidar el acceso a este recurso compartido.

Dos tareas de igual prioridad se apropian del CPU, pero son administradas por el scheduler. Es increible cuando ejecute este ejemplo en consola, sabiendo por mi experiencia que cada for next siempre se ejecuta por separado y aqui las dos tareas tienen prioridad. como si estuvieran en paralelo.

Como el núcleo arduino del ESP32, se ejecuta sobre FreeRTOS y puede llamar a las API directamente en el boceto Arduino, no es necesaria una biblioteca adicional.

#include <Arduino.h>
void setup() {

  Serial.begin(112500);
  delay(1000);

  xTaskCreate(Tarea1,"Tarea1",10000,NULL,1,NULL);
  xTaskCreate(Tarea2,"Tarea2",10000,NULL,1,NULL);

}

void loop() {
  delay(1000);
}

void Tarea1( void * parameter )
{

    for( int i = 0;i<10;i++ ){

        Serial.println("Hola desde la tarea 1");
        delay(1000);
    }

    Serial.println("Finalizando tarea 1");
    vTaskDelete( NULL );

}

void Tarea2( void * parameter)
{

    for( int i = 0;i<10;i++ ){

        Serial.println("Hola desde la tarea 2");
        delay(1000);
    }
    Serial.println("Finalizando tarea 2");
    vTaskDelete( NULL );
}

El siguiente código nos muestra que podemos correr nuestro programa en cualquiera de los dos nucleos del ESP32. y correr las tareas en los tiempos que mas nos convenga. los delay pueden ser modificados para esto. si corres el programa en consola te daras cuenta de lo que hablo.

• void vTaskDelay( portTickType xTicksToDelay );
• Produce una demora en la tarea que la llama. Cede el control del CPU mientras este tiempo no expira.
• INCLUDE_vTaskDelay must be defined as 1 for this function to be available.
• Uso: vTaskDelay (500 / portTICK_RATE_MS);
• Puedes ver mas informacion aquí:

• void vTaskDelayUntil (portTickType * pxPreviousWakeTime, portTickType xTimeIncrement);

Mientras que vTaskDelay () especifica un tiempo de activación relativo al momento en que se llama a la función, vTaskDelayUntil () especifica el tiempo absoluto (exacto) en el que desea desbloquear.

• Puedes ver mas informacion aquí:

#include <Arduino.h>
const portTickType xDelay = 5000 / portTICK_RATE_MS;
#if CONFIG_FREERTOS_UNICORE
#define ARDUINO_RUNNING_CORE 0
#else
#define ARDUINO_RUNNING_CORE 1
#endif

void loop1(void *pvParameters) {
  while (1) {
     Serial.println("loop1");
     vTaskDelay (xDelay); //Ejecuta esta tarea cada 5000 milisegundos
  }
}

void loop2(void *pvParameters) {
  while (1) {
     Serial.println("loop2");
     //vTaskDelay(5000);
     delay(300);
  }
}

void loop3(void *pvParameters) {
  while (1) {
     Serial.println("loop3");
     //vTaskDelay(5000);
     delay(4000);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  xTaskCreatePinnedToCore(loop1, "loop1", 4096, NULL, 1, NULL, ARDUINO_RUNNING_CORE);
  xTaskCreatePinnedToCore(loop2, "loop2", 4096, NULL, 1, NULL, ARDUINO_RUNNING_CORE);
  xTaskCreatePinnedToCore(loop3, "loop3", 4096, NULL, 1, NULL, ARDUINO_RUNNING_CORE);
}

void loop() {
   Serial.println("loop0");
   delay(4000);
}

• Como elige el scheduler la tarea a ejecutar? Usa un algoritmo llamado Fixed priority preemptive scheduling

• Fixed priority significa que el kernel NO MODIFICA las prioridades de las tareas (salvo en un caso particular que se verá más adelante).

• Esto simplifica el análisis de ejecución del sistema, a la vez que transfiere al programador la total responsabilidad del cumplimiento de los plazos.

• SIEMPRE ejecuta la tarea de mayor prioridad que esta en condiciones de ejecutarse.

• Esto puede hacer que tareas de menor prioridad no reciban ningún tiempo de ejecución. A esto se le denomina “starvation” (hambreado) de la tarea.

• Ya veremos cómo una aplicación deja de estar en condiciones de ejecutarse

• Si la aplicación está en modo preemptive, al cabo de un tiempo el scheduler va a retirar la tarea en ejecución solo si hubiera una de igual prioridad en condiciones de ejecutarse.

• Recordar: “la tarea de mayor prioridad en condiciones de ejecutarse” (en estado Ready)

• Si hubiere varias tareas de la misma prioridad en este estado, el kernel las ejecuta secuencialmente a todas.

• Si hubiere alguna(s) de menor prioridad, no va(n) a recibir tiempo alguno hasta que todas las de mayor prioridad salgan del estado Ready.

• Se define una frecuencia llamada configTICK_RATE_HZ. La inversa es el lapso que el scheduler asigna a cada tarea para ejecutarse antes de verificar si debe quitarla del estado Running.

• La definición de esta frecuencia es un punto importante del diseño.

• Siempre que varios procesos deban ocurrir en paralelo, son candidatos a ser tareas.
• Como primer criterio para asignar prioridades, se sugiere preguntarse que evento se debe atender y cuál puede esperar si ambos ocurren simultáneamente.
• Se debe evitar el hambreado de las tareas de menor prioridad.
• Esto no es necesariamente un error, si la tarea de mayor prioridad tiene trabajo que hacer, es correcto que no le de paso a las demas.
• Es importante hacer un análisis detallado de los eventos, sus respuestas y los compromisos temporales antes de asignar las prioridades de ejecución.

• Cuando varios procesos ejecutan simultáneamente, puede ocurrir que quieran usar un mismo recurso al mismo tiempo. En realidad, el acceso no es simultáneo sino que ocurre un cambio de contexto entre que el primer proceso empieza y termina de modificar el recurso.
• Dos tareas quieren escribir a una UART a la vez, los mensajes se entremezclan.
• Un proceso modifica una variable de configuración mientras otro la lee, no se sabe en qué estado va a quedar el recurso.
• Operaciones de read- modify- write ( x 1= (1<<7));
• Estos problemas se evitan turnando el acceso al recurso.

• Lo primero es tener en claro cuáles son las entradas del sistema, sus respectivas respuestas y los compromisos temporales asociados.
• Amén de las prioridades, de este análisis surgirán los tiempos de bloqueo de las operaciones de sincronismo.

• Buscar áreas del programa que se puedan programar independientemente de las demás.
• Estas áreas son candidatas a tener su propia tarea.
• Tener presente que si una tarea está completamente anidada dentro de otra, puede ser una simple función y no necesita una tarea.
• No todo es una tarea!
• Las tareas deben tener poca dependencia entre ellas, una relación complicada entre ellas es síntoma de un mal diseño y complica el posterior mantenimiento del software.

• Se debe tener en claro qué eventos tienen requisitos temporales estrictos y cuáles relajados.
• Ayuda pensar en la superposición de todos los eventos y determinar cuales deben ser atendidos primero.
• Considerar el caso de semáforos y colas
• Cuando se libera un semáforo, es más importante la atención del evento o la tarea que lo señaliza tiene todavía trabajo por hacer?
• Cuando un productor escribe datos en una cola, el consumidor debe pasar a ejecución en ese momento o más tarde, cuando el productor ceda el CPU?
• Cuidado con el starvation!

• Reentrancia
• Si una tarea se va a instanciar varias veces, no debe guardar sus datos en variables globales, ya que todas las instancias ven la misma variable y podrían corromperla.
• Las variables locales están en el stack de cada instancia.
• A la condición de no usar variables globales y permitir la reentrancia se la llama “thread- safe”.
• Carreras críticas (race conditions)
• Si varias tareas usan una misma variable (p. ej un contador global), el acceso al mismo debe ser mutex.
• Un acceso no mutex a un contador puede hacer que el código en cuestión ejecute más o menos veces que lo que debería.

https://www.freertos.org/croutine.html