Using FreeRTOS with Arduino AVR [1]

5 min readFeb 3, 2020

‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

บทความนี้แนะนำการเริ่มต้นใช้งาน FreeRTOS Library และเลือกใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino (เช่น Uno หรือ Nano) และใช้ Arduino IDE ในการเขียนโค้ด เนื่องด้วยอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่เข้าถึงได้ง่ายและมีใช้แพร่หลายสำหรับคนทั่วไป จึงเหมาะสำหรับผู้ที่สนใจอยากจะลองศึกษาการหลักการทำงานและใช้งานระบบปฏิบัติการเวลาจริงหรือเรียลไทม์-โอเอส (Real-Time OS: RTOS) ในเชิงปฏิบัติ

ขั้นตอนการติดตั้ง FreeRTOS สำหรับ Arduino IDE

ขั้นตอนการติดตั้งไลบรารี FreeRTOS สำหรับ Arduino ที่พัฒนาโดย **Richard Barry**

ในการเตรียมซอฟต์แวร์เพื่อเขียนโค้ด ให้เปิดใช้งาน Arduino IDE แล้วไปที่เมนู Sketch > Include Library > Manage Libraries ค้นหาไลบรารีด้วยคำว่า freertos จะปรากฏรายการตามรูปภาพตัวอย่าง จากนั้นเลือกเวอร์ชันล่าสุดแล้วกดปุ่มคลิก Install

โค้ดตัวอย่างแรก: ทำให้ LED สองดวงกระพริบ

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

ตัวอย่างแรกเป็นโค้ด Arduino Sketch ที่สาธิตการทำให้เกิดการสลับสถานะ LOW และ HIGH ที่ขาเอาต์พุต D12 และ D13 ตามลำดับ (มี 2 ช่องสัญญาณเอาต์พุต) ในโค้ดตัวอย่างนี้ ได้ใช้คำสั่ง millis() ของ Arduino เพื่อคอยอ่านเวลาของระบบ (หน่วยเป็นมิลลิวินาที) จากนั้นจะนำไปเทียบกับเวลาอ้างอิงที่บันทึกเอาไว้ (Timestamp: ts)

ถ้าอ่านเวลาปัจจุบัน (now) ลบด้วยเวลาอ้างอิง (ts) แล้วผลต่างที่ได้มากกว่าหรือเท่ากับช่วงเวลาที่กำหนดไว้ (INTERVAL_MSEC) ในกรณีนี้คือ 17 มิลลิวินาที จะต้องสลับสถานะลอจิกของเอาต์พุตหนึ่งครั้ง แต่ให้ทำเพียงขาเดียวและสลับช่วงเวลากัน และให้อัปเดทและบันทึกเวลาอ้างอิงล่าสุดด้วย

#include <Arduino_FreeRTOS.h> // tested on Uno#define NUM_LEDS        (2)
#define INTERVAL_MSEC   (17)
const int LED_PINS[ NUM_LEDS ] = { 12, 13 }; // D12 and D13uint32_t ts, now, cnt = 0;
void setup() {
  for ( int i=0; i < NUM_LEDS; i++ ) { // configure output pins
     pinMode( LED_PINS[i], OUTPUT ); 
     digitalWrite( LED_PINS[i], LOW );
  }
  ts = millis();
}void loop() {
  now = millis(); // get the current timestamp (in msec)
  // Do we need to update output now ?
  if ( now - ts >= INTERVAL_MSEC ) { 
     ts = now; // keep the timestamp 
     int p = LED_PINS[cnt % NUM_LEDS]; // select the pin
     cnt++;    // increment the counter by 1
     // toggle the selected pin either D12 or D13
     digitalWrite( p, !digitalRead( p ) );
  }
}

ถ้าทดสอบกับฮาร์ดแวร์จริง ใช้บอร์ด Arduino Uno หรือ Nano และวัดสัญญาณเอาต์พุตด้วยเครื่องออสซิลโลสโคป จะเห็นว่า คลื่นสัญญาณเอาต์พุตที่ขา D12 และ D13 จะเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม มีคาบ (Period) ค่อนข้างคงที่ ครึ่งหนึ่งของคาบ (Half Period) ของแต่ละสัญญาณกว้างประมาณ 34 มิลลิวินาที

รูปคลื่นสัญญาณที่ได้จากการทำงานของโค้ดตัวอย่างแรก (TIME/DIV = 20 msec)

คำถาม: ทำไมจึงเลือกการทำให้ LED กระพริบ มาเป็นตัวอย่าง ?

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

I/O Toggle เป็นการทำงานที่จะเกิดขึ้นซ้ำ ด้วยอัตราคงที่ ดังนั้นจึงเป็นตัวแทนของการทำงานเสมือนโปรแกรมย่อย (Task) ที่เกิดซ้ำต่อเนื่องกันไป (Cyclic) และมีการเว้นช่วงเวลาคงที่ (Periodic)
ถ้ามีมากกว่าหนึ่งงาน เช่น ทำให้ I/O เกิดการสลับสถานะที่ขาเอาต์พุตมากกว่าหนึ่งขา ก็เป็นการกำหนดงานย่อยหลายงาน (Multi-Tasking) ที่ทำงานอิสระจากกัน และอาจเกิดขึ้นพร้อม ๆ กันได้ (Concurrent Independent Tasks)
พฤติกรรมการทำงานของทาส์ก สามารถสังเกตได้ที่ขา I/O เช่น สามารถดูว่า เกิดการเปลี่ยนสถานะหรือไม่ และถ้าใช้เครื่องออสซิลโลสโคปวัดสัญญาณเอาต์พุต ก็จะเห็นการเปลี่ยนแปลงเชิงเวลาที่ขา I/O แต่ละขาได้ในรูปของกราฟสัญญาณ เช่น สามารถทราบได้ว่า ขอบขาขึ้นหรือขาลง (Rising or Falling Edge) เกิดขึ้นเมื่อใด และสามารถวัดความกว้างของพัลส์หรือคาบได้ เป็นต้น

โค้ดตัวอย่างที่ 2: เริ่มสร้าง FreeRTOS Task

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

ตัวอย่างที่ 2 ถ้าเราลองเขียนโค้ด Arduino Sketch ใหม่ โดยใช้วิธีการสร้างทาส์ก (Task) โดยใช้คำสั่งต่าง ๆ ของ FreeRTOS Library แทนการทำงานในฟังก์ชัน loop(){…} ก็สามารถทำได้ดังนี้

#include <Arduino_FreeRTOS.h> // tested on Uno#define NUM_LEDS  (2)
const int LED_PINS[ NUM_LEDS ] = { 12, 13 };
void task( void *pvParameters );void setup() {
   for ( int i=0; i < NUM_LEDS; i++ ) {
     pinMode( LED_PINS[i], OUTPUT ); // configure output pins
     digitalWrite( LED_PINS[i], LOW );
   } 
   // create a new task
   xTaskCreate( task, "Task", 128, NULL, tskIDLE_PRIORITY+1, NULL );
   // Note the task scheduler is started automatically.  
}void loop() {} // do nothingsvoid task( void *pvParameters ) {
   uint32_t cnt = 0; // a counter variable, increment by 1
   while(1) { 
     int p = LED_PINS[ cnt%2 ]; // select the pin
     cnt++;
     // toggle the selected pin 
     digitalWrite( p, !digitalRead( p ) );
     vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS(17) ); // task delay for 1 tick
   }
}

ฟังก์ชันสำหรับการทำงานของทาส์กดังกล่าว ในกรณีนี้เป็นฟังก์ชันชื่อ void task( void *pvParameters ){…} ที่เราได้สร้างขึ้นมา เพื่อทำหน้าที่สลับสถานะของเอาต์พุตที่ขาหมายเลข 12 และ 13
ชื่อทาส์ก (Task Name) ที่เป็นข้อความแบบ String ในภาษา C
ขนาดของหน่วยความจำแบบ Stack สำหรับของแต่ละทาส์ก (Task Stack Depth) ถ้าตั้งค่าไว้น้อยเกินไป ถ้าฟังก์ชันของทาส์กทำงานแล้วเรียกฟังก์ชันซ้อนกัน อาจจะทำให้เกิด Stack Overflow ได้ แต่ถ้าตั้งค่ามากเกินไป ก็อาจเป็นใช้ SRAM ไม่เหมาะสม
พารามิเตอร์ (Task Parameter) ที่จะนำไปใช้กับฟังก์ชันของทาส์กได้ ถ้าไม่มี ก็ให้ระบุเป็น NULL
ระดับความสำคัญของทาส์ก (Task Priority Level) เป็นเลขจำนวนเต็มบวก โดยทั่วไปก็จะให้มีค่าสูงกว่า ระดับความสำคัญของ Idle Task (tskIDLE_PRIORITY)
ข้อสังเกต: Idle Task เป็นทาส์กที่จะถูกเรียกโดยตัวจัดการงานของ FreeRTOS เมื่อไม่มีทาส์กใดพร้อมที่จะทำงาน)
และพอยน์เตอร์ (เรียกว่า Task Handle) ที่ใช้อ้างอิงทาส์กที่จะถูกสร้างขึ้นใหม่ ถ้าไม่ต้องการ ก็ให้ระบุเป็น NULL

ภายในฟังก์ชัน task(){…} มีประโยคคำสั่ง while(1){…} ดังนั้นทาส์กจะทำงานซ้ำไปเรื่อย ๆ ทาส์กจะหยุดการทำงานชั่วคราวได้ตามระยะเวลาที่ต้องการ เช่น ถ้ามีการทำคำสั่ง vTaskDelay()

การหน่วงเวลาของทาส์ก จะใช้วิธีเรียกฟังก์ชัน vTaskDelay() ของ FreeRTOS และระบุค่าเป็นจำนวนครั้งของการนับโดย Tick Timer ของ FreeRTOS หรือเรียกว่า Tick Count และเมื่อเกิด Tick Event ในแต่ละครั้ง จะเกิดการจัดลำดับทาส์กที่พร้อมจะทำให้ และเลือกทาส์กที่จะได้ช่วงเวลาในการทำงานถัดไป การตัดสินใจและกำหนดว่าทาส์กใดจะได้ทำงานเป็นหน้าที่ตัวจัดการงานของ FreeRTOS หรือที่เรียกว่า Task Scheduler

ในกรณีของ Arduino (Atmel AVR) อัตราการนับขึ้นหรือความถี่ของ Tick Timer จะถูกตั้งค่าไว้เท่ากับ 62 Hz (default) หรือมีคาบในการนับแต่ละครั้งเท่ากับ 16 มิลลิวินาที (msec) โดยประมาณ

ดังนั้นการทำคำสั่ง vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS(17) ) เป็นการหน่วงเวลาไว้เท่ากับ 1 Tick และ pdMS_TO_TICKS() จะใช้สำหรับแปลงช่วงเวลา (หน่วยเป็นมิลลิวินาที) ให้เป็นจำนวนนับตามจังหวะของ Tick Timer ในกรณีนี้ 17 มิลลิวินาที จะได้เท่ากับ 1 Tick

การทำคำสั่ง vTaskDelay() จะทำให้ทาส์กดังกล่าวหยุดทำงานชั่วคราว โดยเปลี่ยนจากสถานะ “กำลังทำงาน” (RUNNING) ไปเป็นสถานะ “หยุด” (BLOCKED) และจะกลับมาอยู่ในสถานะ “พร้อม” (READY) เมื่อเวลาผ่านไปตามที่กำหนดไว้ เพื่อรอจัดลำดับให้ทำงานอีกครั้งในสถานะ “กำลังทำงาน” (RUNNING) ตามลำดับ

ไดอะแกรมแสดงสถานะและการเปลี่ยนสถานะของทาส์กใน FreeRTOS

รูปคลื่นสัญญาณที่ได้จากการทำงานของโค้ดตัวอย่างที่ 2

ข้อสังเกต: การเปลี่ยนสถานะจาก LOW->HIGH หรือ HIGH->LOW เมื่อเปรียบเทียบกันทั้งสองสัญญาณ จะเห็นว่า ไม่ตรงกัน (มี Phase Shift) เลื่อนเวลาไป 90 องศา

โค้ดตัวอย่างที่ 3: FreeRTOS Mulit-Tasking

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

ตัวอย่างที่ 3 สาธิตการสร้างทาส์กจำนวน 2 ชุด (T0 และ T1) โดยให้ทำงานอิสระจากกัน มีระดับความสำคัญเท่ากัน ให้ทาส์ก T0 ทำหน้าที่สลับสถานะลอจิกที่ขา 12 และทาส์ก T1 สำหรับขา 13 … ลองมาดูว่า จะเขียนโค้ดอย่างไร

#include <Arduino_FreeRTOS.h> // tested on Uno#define NUM_LEDS   (2)
const int   LED_PINS[ NUM_LEDS ] = { 12, 13 };
const char *TASK_NAMES[ NUM_LEDS ] = { "T0", "T1" };
void task( void *pvParameters );void setup() {
  for ( int id=0; id < NUM_LEDS; id++ ) {
    xTaskCreate(
      task, TASK_NAMES[ id ], 128, 
      (void *)id, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL );
  }
  // Note the task scheduler is started automatically.  
}void loop() {}void task( void *pvParameters ) {
   int id = (int)pvParameters;
   pinMode( LED_PINS[ id ], OUTPUT );
   digitalWrite( LED_PINS[id], LOW ); 
   vTaskDelay( id );
   while(1) {  
     int p = LED_PINS[id];
     digitalWrite( p, !digitalRead( p ) ); 
     vTaskDelay( NUM_LEDS );
   }
}

ในโค้ดตัวอย่างนี้ จะเห็นได้ว่า มีการสร้างทาส์ก ตามจำนวนของ LED (2 ดวง สำหรับขา 12 และ 13) และมีการป้อนพารามิเตอร์ให้ฟังก์ชันของทาส์ก โดยใช้เลขจำนวนเต็ม (id มีค่าเป็น 0 หรือ 1) เป็นตัวจำแนกว่า เมื่อฟังก์ชัน task(){…} ทำงาน เป็นของทาส์กใด เช่น ถ้าค่า id เป็น 0 ทาส์กนั้นจะใช้ขา 12 เป็นเอาต์พุต แต่ถ้าเป็น 1 จะใช้ขา 13 เป็นต้น และสังเกตว่า เมื่อเริ่มต้น ทาส์กจะถูกหน่วงเวลาไว้เป็นจำนวน Ticks ที่ขึ้นอยู่กับค่าของ id ก่อนทำงานลำดับถัดไป และถ้านำไปทดสอบกับฮาร์ดแวร์จริง ก็จะได้ผลเหมือนกับโค้ดตัวอย่างที่ 2

ข้อสังเกต: จะเห็นได้ว่า มีการประกาศและสร้างฟังก์ชัน task(){…} เพียงฟังก์ชันเดียว แต่ก็สามารถใช้ร่วมกันระหว่างทาส์กได้มากกว่าหนึ่งทาส์กได้ (T0 แะล T1) เนื่องจากฟังก์ชันนี้ มีคุณสมบัติที่เรียกว่า Function Reentrancy และเมื่อทาส์กทำงานตามโค้ดของฟังก์ชันที่กำหนด (แม้ว่าจะเป็นฟังก์ชันเดียวในกรณีนี้) ทาส์กแต่ละอัน จะมี “Context” แยกกันสำหรับการทำงาน

คำถาม: ถ้าจะเพิ่มขา I/O และมีจำนวนของทาส์กตามจำนวน I/O ที่ต้องการ (เช่น เพิ่มเป็น 4 ขา) จะต้องแก้ไขโค้ดในตัวอย่างที่ 3 อย่างไร และรูปคลื่นสัญญาณที่ปรากฏที่ขา I/O จะมีลักษณะเป็นอย่างไร ?

ถ้าสนใจและมีเวลา โปรดอ่านต่อเนื้อหาตอนที่ 2

Creative Commons, Attribution-Non Commercial-Share Alike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)

Using FreeRTOS with Arduino AVR [1]

ขั้นตอนการติดตั้ง FreeRTOS สำหรับ Arduino IDE

โค้ดตัวอย่างแรก: ทำให้ LED สองดวงกระพริบ

คำถาม: ทำไมจึงเลือกการทำให้ LED กระพริบ มาเป็นตัวอย่าง ?

โค้ดตัวอย่างที่ 2: เริ่มสร้าง FreeRTOS Task

โค้ดตัวอย่างที่ 3: FreeRTOS Mulit-Tasking

Written by <rawat.s>

No responses yet