RTOS、タスク、割り込みについて-社会人N年目の趣味記録

はじめに

前回はメモリ関連の周辺機器について勉強しました。MPUについての勉強~メモリ関連の周辺機器~

今回はRTOS、タスク、割り込みについて勉強します。

RTOS(Real Time Operating System)とは

RTOSとは名前の通り、リアルタイム性を満たすことを重要視したOSのことです。

ちなみにここでいうリアルタイムとは制限時間を守れるかという意味です。

RTOSの特徴として以下のようなものがあります[1]。

・特定の外部イベントが発生した際に、対応するリアルタイム性が求められる処理をできるだけ高速に呼び出せる様に制御する。
・リアルタイム性が求められる処理が他の処理に邪魔されない様にする。
・最悪、応答時間が見積れる様に、各タスクへのCPUの実行権の割当予測が出来る様にする。

上記を満たすためにRTOSの場合は時間の制約が厳しいものを優先的に処理できるように、各タスクに優先度を設定して処理を行います。(優先度方式)

逆に通常のパソコンに入っている汎用OSは次のような特徴があります[1]。

・できるだけ全体の処理速度（スループット）を向上させる。
・特定の処理が長時間できなくならない様に、各プロセスにできるだけ公平にCPUの実行権を割り当てる。
（プロセスとは、汎用OSにおける並列に行う処理の単位です。ここではリアルタイムOSのタスクと同じ意味だと考えて頂いて問題ありません。）

上記を満たすために私たちが使っているパソコンは一定時間ごとに処理を切り替えるラウンドロビン方式を使っている場合が多いです。このようにすることでどのプロセスも公平に実行することができます。

図1にRTOSと汎用OSの動作の違いを示します。

図1：RTOSと汎用OSの動作の違い[2]

図1を見て頂けると分かりますが、RTOSの場合は先に実行しているタスクがあっても優先度が高いタスクの処理の要求が入ったらタスクの切り替えが行ってます。

(図1ではタスクC>タスクB>タスクAの順で優先度が高くなってます。)

汎用OSの場合は別のタスクから要求があっても自分の持ち時間が来るまで、処理を開始することができません。また、自分の持ち時間が終わってしまったら強制的に別のタスクが実行されるようになります。

図1で処理要求があるとタスクを実行している絵を示しましたが、処理要求の中に割り込みと呼ばれるものがあります。例えば「ボタンが押された」や「センサーの値が変わった」などがトリガーとなって割り込み処理が開始されます。

タスク

タスクとはRTOSが管理するプログラムの最小単位のことを言います。

RTOSはシステムコール(サービスコール、スーパーバイザーコール)を使ってタスクの生成をします。(システムコールはOSが提供する機能を呼び出す関数みたいなものです。タスク生成以外のシステムコールもあるので、詳しく知りたい方はこちらを参照お願いします。[3])

タスクコントロールブロック(TCB)

RTOSがタスク管理するにあたり、タスクの優先度など様々な情報が必要になります。

この情報の集合をタスクコントロールブロック(TCB)といい、タスクが生成される際にTCBにメモリが割り当てられます。

TCBの例を表１に示します。

表1 TCBの例

タスクID	タスクの識別番号
プライオリティ	タスク優先度(数値が低いほど優先度が高いのが一般的)
エントリポイント	タスクのエントリとなる関数のアドレス
ステータス	現在のタスクの状態を示す
タスクキュー	タスクを管理するキュー(詳しくは後述)
スタックポインタ	タスクが固有に使用するスタックメモリのアドレス

タスクの状態遷移図

タスクには大きく分けて5つの状態が存在します。

(もっと細かく状態遷移が分類されている場合もあります)

未生成状態：タスクが作られていない状態
ドーマント状態(休止状態)：タスクが生成された直後、もしくは終了した時の状態
レディ状態(実行可能状態)：タスクの実行権が割り当てられるまで待機している状態
ランニング状態(実行状態)：タスクが実行している状態
ウェイト状態(待ち状態)：条件が揃うまで待機している状態(C言語でいうとscanf関数で入力されるまで待機している時)

上記状態は図2のような状態遷移図を取ります。

図2：タスクの状態遷移例

ここで注目すべきはある状態からある状態へ直接遷移することができない場合があります。

例えばウェイト状態からランニング状態には直接遷移することが出来ません。

ウェイト状態からランニング状態に遷移するためには必ずレディ状態を通らなければいけません。

また、レディ状態⇔ランニング状態に遷移には特別な名前がついています。(他の状態遷移にも名前があるかもしれませんが見つかりませんでした。。。)

図2にも記載しましたが、ランニング状態からレディ状態に遷移する場合をプリエンプト(直訳すると～の代わりをするという意味みたいです。)、レディからランニング状態に遷移する場合はディスパッチ(直訳すると派遣する・送るなど)といいます。

タスクキュー

さきほどTCBに持っている情報の中にタスクキューがあると書きました↑。

(キューについてわからない人はこちらの参照してください。スタックとキューの意味と例、覚え方)

TCBはタスクをキューで管理してます(双方向キューと片方向キューで管理してるみたいです)。代表的なものとしてレディ状態とウェイト状態を管理するレディキュー、ウェイトキューがあります。また、キューに入れる順も優先度順とFIFO(先に入ったものが先に処理される)式の2パターンがあります。優先度順のキューの例を図3に示します。