FreeRTOS を Wio Terminal で使用する

note

この文書は AI によって翻訳されています。内容に不正確な点や改善すべき点がございましたら、文書下部のコメント欄または以下の Issue ページにてご報告ください。
https://github.com/Seeed-Studio/wiki-documents/issues

Arduino で FreeRTOS を使用してマルチタスクを実現する方法

RTOS とは

今日の組み込みシステムにおいて最も重要なコンポーネントの一つが RTOS（リアルタイムオペレーティングシステム）です。RTOS はタスクスケジューリングからアプリケーションの実行まで、すべてを管理します。

RTOS は予測可能な実行モードを提供するよう設計されています。処理がシステムの時間制限を満たす必要がある場合に RTOS が使用されます。そのため、GPOS（汎用オペレーティングシステム）と比較して、RTOS は通常軽量で小型であり、特定のハードウェア上で特定の種類のアプリケーションを実行するために必要な機能のみを提供します。場合によっては、開発者が既存の RTOS を変更し、特定のアプリケーションに必要な機能だけを提供するように縮小したり、その機能や性能特性をカスタマイズしたりすることができます。

RTOS の仕組み

カーネル はオペレーティングシステムの中核的なコンポーネントです。Linux のようなオペレーティングシステムはカーネルを使用しており、ユーザーが同時にコンピュータにアクセスしているように見せることができます。実行中の各プログラムは、オペレーティングシステムの制御下にあるタスク（またはスレッド）です。このようにして複数のタスクを実行できるオペレーティングシステムは、マルチタスク と呼ばれます。

• マルチタスク

従来のプロセッサは一度に 1つのタスク しか実行できませんが、マルチタスクオペレーティングシステムはタスク間を高速で切り替えることで、各タスクが同時に実行されているように見せることができます。以下の図は、3つのタスクの実行モードと時間の関係を示しています。

• スケジューリング

スケジューラ は、特定の時点でどのタスクを実行するかを決定する役割を担うカーネルの一部です。カーネルはタスクのライフサイクル中にタスクを何度も一時停止および再開することができます。

スケジューリング戦略 は、スケジューラが任意の時点でどのタスクを実行するかを決定するために使用するアルゴリズムです。（非リアルタイムの）マルチユーザーシステム戦略では、各タスクにプロセッサ時間の「公平な」割合を与える可能性があります。

タスクはカーネルによって強制的に中断されるだけでなく、自ら中断を選択することもできます。一定時間 遅延（スリープ） したい場合や、リソース（例：シリアルポート）の利用可能性やイベント（例：キー押下）を 待機（ブロック） したい場合にそうします。

参考: FreeRTOS Fundamentals

FreeRTOS とは

FreeRTOS は、マイクロコントローラ上で動作するのに十分小型に設計された RTOS の一種です。ただし、その使用はマイクロコントローラアプリケーションに限定されません。FreeRTOS にはカーネルと、業界セクターやアプリケーション全体で使用可能なソフトウェアライブラリのセットが含まれています。FreeRTOS を使用することで、マイクロコントローラベースのハードウェアでマルチタスクを実現できます！

Arduino 互換性 のために、FreeRTOS を Arduino フレームワークに移植しました。これにより、お気に入りの Arduino ボードで FreeRTOS を簡単に使用できるようになりました！

note

2017年に Amazon が FreeRTOS の管理を引き継ぎ、組み込みの世界で信頼性と安全性を提供しています。

ArduinoでのFreeRTOSのクイックスタート

FreeRTOS Arduinoライブラリのインストール

1. Seeed_Arduino_FreeRTOS リポジトリにアクセスし、リポジトリ全体をローカルドライブにダウンロードします。

2. 次に、Seeed_Arduino_FreeRTOSライブラリをArduino IDEにインストールします。Arduino IDEを開き、スケッチ -> ライブラリをインクルード -> ZIP形式のライブラリを追加をクリックし、先ほどダウンロードしたSeeed_Arduino_FreeRTOSファイルを選択します。

note

このライブラリは最新のFreeRTOS（10.2.1）を移植しており、Arduino IDEでFreeRTOSプロジェクトを作成できるようにします。

対応ボード

Seeed_Arduino_FreeRTOSは、SeeedのすべてのSAMDボードをサポートしています：

• Wio Terminal
• Seeeduino XIAO
• Seeeduino Zeroシリーズ：
  • Seeeduino Cortex-M0+
  • Seeeduino Lotus Cortex-M0+
  • Wio Lite W600 - ATSAMD21 Cortex-M0 Wireless Development Board
  • Wio Lite MG126 - ATSAMD21 Cortex-M0 Blue Wireless Development Board
• Seeeduino LoRaWAN

FreeRTOS Arduinoの例

FreeRTOSは、マイクロコントローラーにリアルタイムスケジューリング機能、タスク間通信、タイミングおよび同期プリミティブを提供することで非常に強力です。

FreeRTOSを簡単に始められるように、いくつかの参考例を以下に示します。以下の例はすべてWio Terminalで構築および実行されています。

Hello Worldの例

この例では、異なる文字列を異なる速度でシリアルモニターに出力する2つのスレッドを作成します。

#include <Seeed_Arduino_FreeRTOS.h>

TaskHandle_t Handle_aTask;
TaskHandle_t Handle_bTask;

static void ThreadA(void* pvParameters) {
    Serial.println("Thread A: Started");

    while (1) {
        Serial.println("Hello World!");
        delay(1000);
    }
}

static void ThreadB(void* pvParameters) {
    Serial.println("Thread B: Started");

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Serial.println("---This is Thread B---");
        delay(2000);
    }
    Serial.println("Thread B: Deleting");
    vTaskDelete(NULL);
}

void setup() {

    Serial.begin(115200);

    vNopDelayMS(1000); // 起動時のUSBドライバクラッシュを防止、これを省略しないでください
    while(!Serial);  // プログラム開始前にシリアルターミナルがポートを開くのを待つ

    Serial.println("");
    Serial.println("******************************");
    Serial.println("        Program start         ");
    Serial.println("******************************");

    // RTOSによって管理されるスレッドを作成
    // 各タスクのスタックサイズと優先度を設定
    // また、タスクと通信し情報を取得するためのハンドラポインタを初期化
    xTaskCreate(ThreadA,     "Task A",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 2, &Handle_aTask);
    xTaskCreate(ThreadB,     "Task B",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &Handle_bTask);

    // RTOSを開始、この関数は戻らずタスクをスケジュールします
    vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
    // 何もしない
}

点滅の例

この例では、2つのスレッドを作成し、LEDを点灯させる信号を出力します。一方は単純にLEDを点滅させ、もう一方はLEDを呼吸させます。

note

    呼吸LEDがPWMピンに接続されていることを確認してください。

#include <Seeed_Arduino_FreeRTOS.h>

#define LEDPIN_1 PIN_WIRE_SCL // Wio TerminalのGroveポート左側
#define LEDPIN_2 D0 // Wio TerminalのGroveポート右側

TaskHandle_t Handle_aTask;
TaskHandle_t Handle_bTask;

// 点滅するLED
static void LED_1(void* pvParameters) {
    while (1) {
        digitalWrite(LEDPIN_1, HIGH);
        delay(1000);
        digitalWrite(LEDPIN_1, LOW);
        delay(1000);
    }
}

// 呼吸するLED
static void LED_2(void* pvParameters) {
    int cnt = 5;
    while (1) {
        for (byte value = 0 ; value < 255; value+=cnt) {
            analogWrite(LEDPIN_2, value);
            delay(20);
        }
        delay(200);
        for (byte value = 255 ; value > 0; value-=cnt) {
            analogWrite(LEDPIN_2, value);
            delay(20);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    vNopDelayMS(1000); // 起動時のUSBドライバクラッシュを防止、これを省略しないでください
//    while(!Serial);  // プログラム開始前にシリアルターミナルがポートを開くのを待つ

    pinMode(LEDPIN_1, OUTPUT);
    pinMode(LEDPIN_2, OUTPUT);

    xTaskCreate(LED_1,     "Task A",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 2, &Handle_aTask);
    xTaskCreate(LED_2,     "Task B",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &Handle_bTask);

    // RTOSを開始、この関数は戻らずタスクをスケジュールします
    vTaskStartScheduler();
}

void loop() {

}

LCDの例

この例は、Wio TerminalでのLCDスプライトなどの他のArduinoライブラリとFreeRTOSを組み合わせたデモンストレーションです。この例では、2つのスレッドで2つのスプライトを作成し、逆方向にカウントします。taskMonitorはスレッドを監視し、各スレッドのスタック情報を出力するための関数です。

#include <Seeed_Arduino_FreeRTOS.h>
#include <TFT_eSPI.h>

TaskHandle_t Handle_aTask;
TaskHandle_t Handle_bTask;
TaskHandle_t Handle_monitorTask;

TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();
TFT_eSprite img = TFT_eSprite(&tft);
TFT_eSprite img2 = TFT_eSprite(&tft);

static void LCD_TASK_1 (void* pvParameters) {
    Serial.println("Thread A: Started");
    img.createSprite(100, 100);
    img.fillSprite(tft.color565(229,58,64)); // 赤
    img.setTextSize(8);
    img.setTextColor(TFT_WHITE);
    for(int i = 0; i < 100; i++) {
        img.drawNumber(i, 10, 25);
        img.pushSprite(30, 70);
        img.fillSprite(tft.color565(229,58,64));
        delay(1000);
        if(i== 99) i = 0;
    }
}

static void LCD_TASK_2 (void* pvParameters) {
    Serial.println("Thread B: Started");
    img2.createSprite(100, 100);
    img2.fillSprite(tft.color565(48,179,222)); // 青
    img2.setTextSize(8);
    img2.setTextColor(TFT_WHITE);
    for(int x = 99; x >= 0; x--) {
        img2.drawNumber(x, 10, 25);
        img2.pushSprite(190, 70);
        img2.fillSprite(tft.color565(48,179,222));
        delay(500);
        if(x== 0) x = 99;
    }
}

void taskMonitor(void* pvParameters) {
    int x;
    int measurement;

    Serial.println("Task Monitor: Started");

    // このタスクを数回実行してから終了
    for (x = 0; x < 10; ++x) {

        Serial.println("");
        Serial.println("******************************");
        Serial.println("[スタックの空きバイト数] ");

        measurement = uxTaskGetStackHighWaterMark(Handle_aTask);
        Serial.print("Thread A: ");
        Serial.println(measurement);

        measurement = uxTaskGetStackHighWaterMark(Handle_bTask);
        Serial.print("Thread B: ");
        Serial.println(measurement);

        measurement = uxTaskGetStackHighWaterMark(Handle_monitorTask);
        Serial.print("モニタースタック: ");
        Serial.println(measurement);

        Serial.println("******************************");

        delay(10000); // 10秒ごとに出力
    }

    // 自分自身を削除
    // これを呼び出さないと、システムがクラッシュします
    Serial.println("Task Monitor: Deleting");
    vTaskDelete(NULL);
}

void setup() {

    Serial.begin(115200);

    vNopDelayMS(1000); // 起動時のUSBドライバクラッシュを防止、これを省略しないでください
    while (!Serial) ;  // プログラム開始前にシリアルターミナルがポートを開くのを待つ

    tft.begin();
    tft.setRotation(3);
    tft.fillScreen(tft.color565(9,7,7)); // 黒背景
    tft.setTextColor(tft.color565(239,220,5)); // 黄色テキスト
    tft.setTextSize(2);
    tft.drawString("Thread A", 30, 50);
    tft.drawString("Thread B", 190, 50);

    Serial.println("");
    Serial.println("******************************");
    Serial.println("        Program start         ");
    Serial.println("******************************");

    // RTOSによって管理されるスレッドを作成
    // 各タスクのスタックサイズと優先度を設定
    // また、タスクと通信し情報を取得するためのハンドラポインタを初期化
    xTaskCreate(LCD_TASK_1,     "Task A",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 3, &Handle_aTask);
    xTaskCreate(LCD_TASK_2,     "Task B",       256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 2, &Handle_bTask);
    xTaskCreate(taskMonitor, "Task Monitor",    128, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &Handle_monitorTask);

    // RTOSを開始、この関数は戻らずタスクをスケジュールします
    vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
    // 何もしない
}

Arduino 用 C++ における FreeRTOS

さらに詳しく知りたい方のために、Seeed_Arduino_ooFreeRTOS を提供しています。これは、FreeRTOS の機能をカプセル化した C++ ラッパーのコレクションであり、Arduino フレームワークの下で動作します。

FreeRTOS C++ Arduino ライブラリのインストール

1. Seeed_Arduino_ooFreeRTOS リポジトリにアクセスし、リポジトリ全体をローカルドライブにダウンロードします。

2. 次に、Seeed_Arduino_ooFreeRTOS ライブラリを Arduino IDE にインストールします。Arduino IDE を開き、スケッチ -> ライブラリをインクルード -> ZIP形式のライブラリを追加 をクリックし、先ほどダウンロードした Seeed_Arduino_ooFreeRTOS ファイルを選択します。

C++ における点滅（Blink）例

#include <Seeed_Arduino_ooFreeRTOS.h>
#include "thread.hpp"
#include "ticks.hpp"

using namespace cpp_freertos;

class BlinkThread : public Thread {
  
public:
  
  BlinkThread(int i, int delayInSeconds)
    : Thread( 256, 1), 
      Id (i), 
      DelayInSeconds(delayInSeconds)
  {
    Start();
  };
  
protected:

  virtual void Run() {
    while (true) {
      Serial.printf("点滅スレッド: %d\n\r", Id);
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // LED を点灯 (HIGH は電圧レベル)
      Delay(Ticks::SecondsToTicks(DelayInSeconds));
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // LED を消灯 (LOW は電圧レベル)
      Delay(Ticks::SecondsToTicks(DelayInSeconds));      
    }
  };

private:
  int Id;
  int DelayInSeconds;
};



void setup (void)
{
  
  // シリアルインターフェースを起動
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("FreeRTOS C++ ラッパーのテスト");
  Serial.println("シンプルなタスク");

  // デジタルピン LED_BUILTIN を出力として初期化
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  
  static BlinkThread p1(1, 3);
  static BlinkThread p2(2, 5);

  Thread::StartScheduler();
  
  //
  //  Thread::EndScheduler() が呼び出されない限り、
  //  ここに到達することはありません。
  //  
  Serial.println("スケジューラが終了しました！");

}

void loop()
{
  // 空です。タスク内で処理が行われます。
}

リソース

• 公式 FreeRTOS 入門ガイド