マイクロコントローラーでの連続性ベースのマルチタスク

とにかく、Cプログラマーは言語機能に甘やかされず、マイクロコントローラーの組み込みシステムの開発者はさらに制限され、多くの場合、プログラムはOSのサポートなしでベアメタルで動作します。

Cでコルーチン、ジェネレーター、および協調マルチタスクを使用する可能性は、プログラムを大幅に簡素化し、強度を節約することができますが、これらの言語機能は明らかではなく、多くはそれらについて知りません。

継続（contionuation）を使用すると、プログラムストリーム（関数）の実行状態を記憶し、将来この場所に戻ることができます。

拡張機能を使用すると、ほとんど既製のジェネレーター 、 イテレーター、 協調マルチタスクであるコルーチンを取得できます。



これらのメソッドを使用するC拡張機能とサンプルライブラリを実装する方法は次のとおりです。

• アセンブラー挿入（coroライブラリー）、またはgetcontext / setcontextコンテキストの保存/復元またはsetjmp / longjmpスタック（libpcl、libcoroutine、libconcurrency、libcoroライブラリー）の保存/復元のための標準POSIX関数を使用して、現在のスタックとプロセッサーのレジスターを保存します。
• switchステートメントの巧妙な使用（ 「Duffデバイス」として知られています ）。
  
  これは、たとえば、プロトスレッドライブラリ（ Adam Dunkelsの標準バージョン 、およびLarry Ruaneの拡張バージョン ）、PuTTYの作者であるSimon Tathamのコルーチンライブラリです。
  
  
• GCC拡張機能「タグ変数」（プロトスレッドライブラリ）。

この記事では、Adam Dunkelsのprotothreadsライブラリーを調べます。 シンプルでミニマルで、いくつかのヘッダーファイルのマクロのセットで構成され、C ++と互換性があります。 ライブラリには必要なものがすべて含まれており、他のライブラリ、プラットフォーム、コンパイラに依存しません。 動的メモリを使用しません。 gccがある場合、ライブラリは変数ラベルを使用して追加機能を提供します。 一般に、このライブラリは、さまざまなアーキテクチャ、コンパイラ、およびオペレーティングシステムがある組み込みアプリケーションのプログラミングに最も便利であるように思われました。

ライブラリの動作方法については、そのWebサイトで詳しく説明されています。APIの簡単な説明と使用例をいくつか紹介します。 もちろん、ライブラリの使用は単なる「シンタックスシュガー」であり、たとえばステートマシンを使用して実行できます（実際、ライブラリは関数を暗黙的なステートマシンに変換します）。 しかし、多くのタスクにおいて、ライブラリはプログラムテキストの量を減らし、直線性、明瞭性を高め、その結果、開発時間とエラーの可能性を減らすことができます。 ステートマシンを使用して問題を解決し、ダース以上のステートがある場合、それらの多くは順番に進みます。ほとんどの場合、プロトスレッドは人生を大幅に簡素化できます。 私の経験では、プロトスレッドを使用するプログラムのソースコードは、ステートマシンを使用して記述された同等のものよりも約20〜50％少なくなります。



この記事の例はWindowsで書かれており、MinGWとVisual Studioで動作しますが、注意してください！ Visual StudioのDEBUG構成では、protothreadsライブラリはそのままではコンパイルされません！

理由は、VSのDEBUG構成の__LINE__マクロが何らかの理由で定数から関数呼び出しに変わるためです。これは、lc-switch.hファイルが置き換えられた場合に簡単に処理されます。

#define LC_SET(s) s = __LINE__; case __LINE__:
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

に

 #define LC_SET(s) s = __COUNTER__+1; case (__COUNTER__):
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

gccでは、すべてのプラットフォームとプロセッサで、ライブラリは変更なしで機能します。

ライブラリを使用するには、.hファイルをダウンロードしてプロジェクトに解凍し、ヘッダーを含める必要があります。

 #include "pt.h"
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

それで、ライブラリから何を得ることができます：

継続

継続自体はあまり有用ではありませんが、他のプログラム構造の基礎となっています。

続行する機能を持つ関数は、次のように宣言されます。

 int name(struct pt *pt [,  ])
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

または、次のようなマクロを使用します。

 PT_THREAD(name(struct pt *pt [,  ]))
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

pt引数は継続コンテキストへのポインタであり、何らかの方法で関数が中断された場所を保存します。

関数は、参照により、追加の引数を介して結果を返すことができます。

ステートメントの開始前に、ストリームの最後にPT_BEGIN（pt）-PT_END（pt）がなければなりません。 各関数呼び出しでいくつかのアクションを実行する必要がある場合、マクロPT_BEGIN（pt）の前に配置されます。 これには、たとえば、タイマー、カウンターなどの値を更新することができます。

PT_YIELD（pt）コマンドは結果を返し、次回関数が呼び出されると、関数は次のステートメントから続行します。

ストリームの中断（たとえば、エラーの場合）は、マクロPT_EXIT（pt）によって実行されます。 ストリームの最後に到達した後、または割り込み（マクロPT_END（pt）およびPT_EXIT（pt））の後、 PT_RESTART（pt）コマンドで再起動すると、関数は最初に「巻き戻され」、次の呼び出しで再び動作を開始します。

関数は定数を返します-関数の中断の理由： PT_WAITING-イベントを待つ、 PT_YIELDED-値を返す 、 PT_EXITED - PT_EXIT（pt） コマンドで終了する、 PT_ENDED-関数がPT_END（pt）の終わりに達しました。

継続を初めて使用する前に、 PT_INIT（pt）マクロでコンテキストを初期化する必要があります。

呼び出し間で値を保持する必要がある変数は、静的として宣言するか、参照によって関数に渡す必要があります。

発電機

複雑なアルゴリズムでいくつかのデータのシーケンスを取得する必要があり、次の各要素を取得する方法が特定の条件と以前の値に依存する場合、ジェネレーターを使用すると便利です。

フィボナッチ数を生成する例を次に示します。

 #include "pt.h" #include <stdio.h> static int fib(struct pt *pt, int max, int* res) { static int a,b; PT_BEGIN(pt); a=0;b=1; while (a<max) { *res=a; PT_YIELD(pt); b+=a; a=ba; } PT_END(pt); } int main(void) { int value; struct pt pt1; PT_INIT(&pt1); while( fib(&pt1, 1000, &value) < PT_EXITED ){ printf("Value %d\n",value); } return 0; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

コルーチン

古典的なコルーチンは、互いに制御を移し、割り込み位置に戻ることができるプログラムスレッドです。 コルーチンは、いくつかのプログラムフロー（関数）の中で、メインプログラムとサブプログラムの違いが明確でない場合に使用されます（Knut、「The Art of Programming」の第1巻）。 たとえば、プログラムの一部が何らかの形でデータを生成し、別の部分が何らかの方法でデータを消費します。 さらに、消費者とメーカーの両方が非常に複雑です。 データプロデューサープログラムを作成するとき、データの準備ができたら関数としてデータ消費を呼び出します。 しかし、データコンシューマをプログラムするときは、すでにコンシューマをメインプログラムにして、データの受信と処理が可能なときに生成関数を呼び出したいと思っています。 この場合、プログラムとサブプログラムの関係の代わりに、コルーチンとコルーチンの関係が非常に適切です。 最初にメモリ内のすべてのデータを生成し、その後すぐにすべてを消費することもできますが、特に組み込みシステムでは、メモリよりも多くのデータが存在する場合があります。 コルーチンも継続により簡単に取得できます。

たとえば、大量のxmlデータを生成してからアーカイブし、ファイルに保存するか、ネットワーク経由で転送する必要があります。 簡単にするために、生成とストレージのみを実装します。 メモリおよびファイル操作に関するさまざまなエラーチェックも省略されます。 makeXmlLineは当社のメーカーです。 入力文を解析し、呼び出しごとにXML文字列を生成します。 writeXmlLineはコンシューマーであり、呼び出しごとに行をファイルに保存します。 コルーチンは、メーカーのコルーチンが終了するまで（結果PT_EXITEDを返すまで）1つずつ呼び出されます。

 #include "pt.h" #include <stdio.h> #include <string.h> #include <malloc.h> static int makeXmlLine(struct pt *pt, char* dst, char* src) { static char* text; //   static         char * pch; PT_BEGIN(pt); strcpy(dst,"<?xml version=\"1.0\" encoding=\"Windows-1251\"?>"); PT_YIELD(pt); strcpy(dst,"<text>"); PT_YIELD(pt); text=strdup(src); // strtok   ,    pch = strtok (text," ,.!?:"); while (pch != NULL){ sprintf(dst," <word>%s</word>",pch); PT_YIELD(pt); pch = strtok (NULL, " ,.!?:"); } strcpy(dst,"</text>"); PT_YIELD(pt); *dst=0; //     ,     PT_YIELD(pt); free(text); PT_END(pt); } static int writeXmlLine(struct pt *pt, char* fileName, char* str) { static FILE* file; PT_BEGIN(pt); file=fopen(fileName,"w"); //         while(*str){ fprintf(file,"%s\n",str); PT_YIELD(pt); } fclose(file); PT_END(pt); } int main(void) { struct pt pt1,pt2; char xmlString[128]; PT_INIT(&pt1); PT_INIT(&pt2); //    ,     while (makeXmlLine(&pt1,xmlString, "Hello, world! Pleased to meet you!") < PT_EXITED) writeXmlLine(&pt2,"file.xml",xmlString); return 0; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

マルチタスク

組み込みシステムでは、ポートに到着するデータ、バッファを解放する、タイマーをトリガーする、別の操作を完了する、ボタンを押す、一時停止など、常に何かを待つ必要があります。 マルチタスクを使用すると、非同期プログラミングモデルから同期プログラミングモデルに移行できます。 これが適切かどうかは、状況によって異なります。

単純なスレッドマネージャーとコルーチンを使用して、協調マルチタスクを簡単に取得できます。 最も単純なケースでは、ディスパッチャーはコルーチンを順次呼び出す無限ループです。 より複雑なディスパッチャの場合、タスクの追加/削除、優先度システムなどを実装できます。

コルーチンベースのマルチタスクを使用すると、プリエンプティブマルチタスクよりも次の利点があります。

• すべての操作はアトミックであり、データをクリティカルセクションとミューテックスで保護する必要はありません。 ストリーム同期プリミティブは不要であるか、基本的かつ完全にプログラム的に実装されています
• 低流量のオーバーヘッド。 ストリームごとのメモリ消費量は、リターンポイントを格納する2バイトに制限でき、ストリームには独自のスタックがありません。 スレッド間の切り替えは、ユーザー空間での読み取りプロセッサ命令を構成します。 スレッドの数は数百万になります
• 複数のイベントの組み合わせが発生するまでフローをブロックできます。 たとえば、データパケットの到着、タイマーの動作、ユーザーによる操作のキャンセル、エラーの発生などのイベントの待機
• ブロックされたスレッドは中断できますが、通常、標準のブロック操作は中断できません

マルチタスク用に、Protothreadsは次のプリミティブを提供します。

• 特定のイベントが発生するまでスレッドをブロックするマクロPT_WAIT_UNTILおよびPT_WAIT_WHILE
• マクロPT_WAIT_THREAD 、別のスレッドが終了するまでスレッドを停止します
• マクロPT_SPAWNは、あるスレッドが別のスレッドを最初から開始し、終了するのを待つことを許可します
• プリミティブフローマネージャであるマクロPT_SCHEDULEは、次のコルーチンステップを実行し、作業が完了したかどうかを返します
• 構造体pt_sem 、 PT_SEM_INIT 、 PT_SEM_WAIT 、 PT_SEM_SIGNAL-セマフォを操作するためのプリミティブは実際には役に立たない

多数の同一のストリームを開始する場合は、構造関数へのリンクをストリーム関数に渡します。ストリーム関数は、ストリームが独自のストリームに使用するすべてのデータと変数を格納します。 単一スレッドの場合、すべての変数を静的として宣言するだけで、関数内に保存できます。

マルチスレッドの例として、ウィンドウ用のシンプルなコンソールArkanoid（100行強）を作成しましょう。 pastebinのファイル： arkanoid.c



ラケット、ボール、競技場の3つのストリームがあります。 別の補助サブタスクpauseThreadが一時停止します。

スケジューラーは簡単です。各フローに制御を移し、10msの休止をとります。 いずれかのフローが終了すると、ゲームは終了します（ボールがフィールドから飛び出すか、すべてのレンガをノックアウトできます）。

 while (PT_SCHEDULE(printField(&fieldPt)) && PT_SCHEDULE(controlThr(&ctrlPt)) && PT_SCHEDULE(ballThread(&ballPt))) Sleep(10);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

printFieldストリームは、最初にメモリ内にゲームフィールドを作成してから、ループ内でフィールド変更フラグを待機し、画面上のフィールド全体を再描画します。 ブリックが終了すると、フローは終了します。

controlThrストリームはフィールドにビットを描画し、ボタンが押されるのを待ってビットを移動します。 または、「q」を押してゲームを中断します。

pauseThreadスレッドは、 PT_SPAWNを使用して1つのタスクを別のタスクから呼び出す例のために作成された、必要な一時停止を維持するだけです。

ballThreadスレッドは、指定された速度でフィールドを横切ってボールを動かし、レンガをノックアウトし、壁やバットを跳ね返します。 ボールがフィールドから飛び出すと、このフローは終了します。



さらにいくつかのヒント：

gccを使用する場合、ライブラリを接続する前に、次のように#defineを1つ入れることをお勧めします。

 #define LC_INCLUDE "lc-addrlabels.h" #include "pt.h"
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

これにより、値拡張としてgccラベルを使用でき、switchステートメント内で実行フローを中断および切り替えることができます。 そうしないと、拡張機能自体がswitchステートメントを使用して構築され、スイッチとうまく機能しません。

ストリームの終了後、自動的に再開することに注意してください。 SCHEDULEが0を返した後、呼び出しを停止するか、ストリームの最後で永続的にロックする必要があります。PT_WAIT_WHILE（pt、1）