[Embedded System] FreeRTOS에 대해 알아보자

오늘은 RTOS중에서 접근성이 좋은 FreeRTOS에 대해 알아보고 각 함수의 기능에 대해서 설명해 보겠습니다. 저번 포스팅에서 소개해 드린 것처럼 RTOS의 종류에는 VxWorks, pSOS, QNX 등이 있습니다. 저는 범용성이 좋고 상대적으로 사용하기 쉬운 FreeRTOS를 이용해 보려합니다. 그럼 시작하겠습니다!

FreeRTOS

Imgur

FreeRTOS는 오픈소스 RTOS 중 하나로, 단순함, 뛰어난 이식성, 간결함을 목표로 설계되었습니다. 실제로 운영체제 core 소스 코드가 4,000라인을 넘지 않으며, 불가피한 몇몇 코드를 제외한 거의 모든 code가 C 언어로 작성되어 이식성이 뛰어납니다. 현재 8051, AVR, PIC18, H8, MSP430, HCS12, PIC24, ARM Cortex-M3, ARM7, ARM9, AVR32, ColdFire, x86 등의 다양한 8bit, 16 bit, 32 bit 프로세서에 이식되어 있습니다.

FreeRTOS core는 아래와 같은 기능들을 제공합니다.

Mutlitasking
- 선점형, 비선점형 선택 가능
- Task 수 제한 없음
- 동적으로 task 생성 가능
- Priority 수 제한 없음
- 두개 이상의 task에 같은 priority 할당 가능 (이 경우 라운드 로빈 스케쥴링)
Co-routine
Message queue
Semaphore
Memory Management

FreeRTOS는 변형된 GPL license 정책을 사용합니다. GPL license와 주된 차이점은 FreeRTOS와 link되어 실행되는 저작물을 공개할 의무가 없다는 것입니다. 이점은 보안이나 상업적인 목적으로 저작물에 대한 독점적 권리를 확보할 필요가 있을 때 이를 가능하게 합니다.

Multitasking

Multitasking은 여러 개의 task를 동시에 실행시킬 수 있도록 해주는 기능을 말합니다. 실제로 여러 개의 task가 동시에 수행되는 것은 아니고, 여러 개의 task를 아주 짧은 시간 간격으로 번갈아 실행시켜 사용자가 그렇게 느끼도록 해줍니다.

여러 개의 task 중 어느 task를 언제 얼마동안 실행 시킬 것인지를 결정하는 것을 scheduling이라고 합니다. Scheduling 방식은 크게 두가지로 분류됩니다. 하나는 현재 수행중인 task가 자발적으로 수행 권한은 양보할 때 다른 task가 수행 권한을 얻을 수 있는 nonpreemption 방식이고, 다른 하나는 scheduler가 필요에 따라 강제적으로 수행 권한을 다른 task에게 양도할 수 있는 preemption 방식입니다.

Nonpreemption 방식은 voluntary scheduling이라고도 합니다. Preemption 방식에는 여러 가지가 있는데 그들 중 가장 많이 사용하는 방식이 priority scheduling 과 round robin scheduling 방식을 혼합한 것입니다. 이것은 기본적으로 priority scheduling 방식을 따르되 같은 proirty를 가진 task들은 round robin 방식으로 scheduling을 하는 것입니다. 이 방식을 priotiry based round robin scheduling 이라고 합니다.

FreeRTOS는 Nonpreemption 방식과 Preemption 방식을 모두 지원하며, preemption 방식으로는 prority based round robin scheduling 방식을 지원합니다. 또한 생성할 수 있는 task 수와 priority 수의 제한이 없으며, 실행중에 동적으로 task를 생성할 수도 있습니다.

FreeRTOS는 multitasking을 library 형태로 지원하며, 관련 API는 다음과 같습니다.

xTaskCreate : 새로운 task를 생성합니다.
vTaskDelete : task를 삭제합니다.
vTaskDelay : 주어진 clock tick 동안 task를 지연시킵니다.
vTaskDelayUntil : 명시된 시점까지 task를 지연시킵니다.
uxTaskPriorityGet :Task의 우선순위를 돌려줍니다.
vTaskPrioritySet : Task의 우선순위를 지정합니다.
vTaskSuspend : Task를 중지(suspend)시킵니다.
vTaskResume : 중지(suspend)된 task를 다시 시작시킵니다.
vTaskResumeFromISR :중지(suspend)된 task를 다시 시작시킵니다.이 함수는 ISR에서 사용 가능합니다.

Coroutine

Coroutine이란 여러 개의 entry point를 가질 수 있고, 임의의 지점에서 suspending과 resuming이 가능한 subroutine을 말합니다. 이것은 원래 assembly-language로 프로그래밍을 할 때 사용하던 기술인데, Simula나 Modula-2 같은 몇몇 고급언어에서도 지원합니다. Coroutine의 장점은 작은 자원으로 multitasking 효과를 낼 수 있다는 것입니다. 이유는 task들과는 달리 coroutine간에 제어권 전환이 이루어질 때 context switching을 하지 않으며, coroutine들이 stack을 공유하기 때문입니다. 하지만 voluntary scheduling 만 지원 가능하고, local 변수 활용이 힘들다는 단점이 있습니다.

FreeRTOS는 coroutine을 library 형태로 지원하며, 관련 API는 다음과 같습니다.

xCoRoutineCreate : 새 coroutine을 생성합니다.
crDELAY : 주어진 clock tick 동안 coroutine을 지연시킵니다.

Message queue

Message queue는 task들이 작은 크기의 데이터인 message를 비동기(asynchronous)적으로 서로 주고 받을 수 있도록 해줍니다. 관련 API는 다음과 같습니다.

xQueueCreate : 새 queue를 생성합니다.
xQueueDelete : Queue를 삭제합니다.
xQueueSend : Queue에 message를 넣습니다.
xQueueReceive : Queue로부터 message를 가져옵니다.
uxQueueMessagesWaiting : Queue에 저장된 message의 개수를 돌려줍니다.
xQueueSendFromISR : Queue에 message를 넣습니다. 이 함수는 ISR에서 사용 가능합니다.
xQueueReceiveFromISR : Queue로부터 message를 가져옵니다. 이 함수는 ISR에서 사용 가능합니다.
crQUEUE_SEND : Message queue로 message를 보냅니다. 이 함수는 Coroueine에서 사용 가능합니다.
crQUEUE_RECEIVE : Message queue로 message를 받습니다. 이 함수는 Coroueine에서 사용 가능합니다.
crQUEUE_SEND_FROM_ISR : Message queue를 사용해 ISR에서 coroutine으로 message를 보낼 때 이 함수를 사용합니다.
crQUEUE_RECEIVE_FROM_ISR : Message queue를 사용해 ISR에서 coroutine으로부터 message를 받을 때 이 함수를 사용합니다.

Semaphore

Semaphore는 multitasking 환경에서 한 순간에 하나의 task만이 사용할 수 있도록 공유 자원을 보호해야 할 필요가 있는 경우 사용하는 대표적인 자료 구조입니다.