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Multiple infinite loops.md	Wootaik Lee(wootaik@changwon.ac.kr)	2017-09-01

Multiple infinite loops

시작하는 질문

실제 마이크로컨트롤러 프로그램을 구성할 때는 여러개의 수행 주기를 가진 일들을 동시에 실행 해야 하는데 어떻게 구성할 수 있지?

맞습니다. 임베디드 시스템, 특히 제어시스템의 경우에는 복수개(Multiple)의 주기를 갖는 여러가지 일(Task)들을 동시에 실행해야 합니다. 이런 역할을 해주는 전문적인 프로그램, RTOS(Real-Time OS),을 사용하면 가능합니다. 그러나 여러가지 일을 동시에 실행 시킬 때도

인터럽트 처럼 하던 일을 중단 하고 다른 일을 하느냐 (선점형, Preemptive 방식)
아니면 하던 일이 끝날 때까지 기다렸다가 바로 시작하느냐 (비선점형, Non-preemptive 방식)

으로 분류할 수 있습니다. 선점형 방식이 여러가지 면에서 성능이 좋습니다만, 이 좋은 성능을 사용하려면 선점을 함으로써 발생되는 문제를 방지하기 위하여 올바른 설계를 해야하고, RTOS에서 제공하는 서비스 들을 정확하게 알고 사용해야 합니다. 이 내용은 OSEK-Certified ErikaOS & RT-Druid 에서 구체적으로 살펴보도록 하겠습니다.

대안적인 방법이 있습니다. RTOS 처럼 성능이 좋지는 않지만, 예전 부터 현장의 엔지니어들이 애용하던 방법입니다. 주기적인 인터럽트를 발생시켜주는 인터럽트 하나와 간단한 함수 몇가지를 구성하면 쓸만한 스케쥴러를 만들 수 있습니다.

Objectives

BSP에서 제공하는 시간지연 함수 활용 방법을 익힌다.
시스템타이머를 사용하여 실행주기가 다른 여러개의 함수들을 실행시킬 수 있는 방법을 익힌다.

References

[Example Code]

MyIlldModule_TC23A - VadcAutoScan
InfineonRacer_TC23A - TestStm

Infinite-loop을 활용한 실행

MyIlldModule_TC23A - VadcAutoScan 예제의 main 함수를 살펴보자.

#include "SysSe/Bsp/Bsp.h"
#include "VadcAutoScanDemo.h"
  /* 중간 생략 */

int core0_main(void)
{
  /* 중간 생략 */
  IfxCpu_enableInterrupts();

  /* Demo init */
  VadcAutoScanDemo_init();

  initTime(); // Initialize time constants

  while (TRUE)
  {
    VadcAutoScanDemo_run();
    wait(TimeConst_100ms*5);  /* Waste CPU time for 500ms */
  }
}

main 함수에 있는 Infinite-loop 에서 필요한 실행 코드들을 순차적으로 무한반복으로 실행하도록 구성되어 있다.
전체 실행 주기를 맞추기 위해서 wait()함수를 만들어 loop 의 끝부분에서 실행하도록 되어 있다.
- initTime( )함수를 호출하여 TimeConst_100ms를 초기화 한다.
- wait(TimeConst_100ms*5)를 실행하여 약 500msec 의 시간지연을 발생시킨다.
wait 함수(delay 함수)의 문제점1 : CPU Time의 낭비
- 이 예제에서 CPU는 다른 코드를 실행할 필요가 없으므로 문제가 없지만,
- 복잡한 다른 일을 실행해야 한다면 귀중한 CPU의 시간을 낭비
wait 함수(delay 함수)의 문제점2 : 서로다른 여러 주기의 일을 실행시킬 수 없음
- 간단하게 한 주기의 일을 시킬 경우에는 문제가 없지만,
- 복잡한 여러 주기의 일을 실행시킬 경우에는 loop을 복잡하게 구성해야 한다.

[참고용 mermaid diagram source]

sequenceDiagram
	Main ->> BSP: initTime( )
	Main ->> VadcAutoScanDemo: VadcAutoScanDemo_init( )
	loop Every Cycle
		Main ->> VadcAutoScanDemo: VadcAutoScanDemo_run()
	    activate VadcAutoScanDemo
	    VadcAutoScanDemo -->> Main: 
	    deactivate VadcAutoScanDemo
	    Main ->> BSP: wait(TimeConst_100ms*5)
	    activate BSP
	    BSP -->> Main: 
	    deactivate BSP
	end

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여러개의 Timer Interrupt 활용한 주기적 실행

Timer interrupt을 사용하여서 특정 함수(혹은 태스크)를 개별적인 주기마다 수행 시킬 수 있다.

void ISR_Timer_1ms(void){
    /* 중간생략*/
    Task1ms();
}

void ISR_Timer_10ms(void){
    /* 중간생략*/
    Task10ms();
}

특정 함수(혹은 태스크)가 Interrupt context로 실행된다.
- 위의 예에서 Task1ms() , Task10ms()
- 간단한 함수, 즉 실행시간이 길지 않을 경우에는 문제가 없지만,
- 복잡한 연산이나 반복등으로 실행시간이 길다면 다른 Interrupt의 실행을 방해할 수 있게 된다.

[참고용 mermaid diagram source]

sequenceDiagram
	opt Every TIMER INTERRUPT 1ms
		TIMER ->> Task: Task1ms()
		activate Task
		Note right of Task: Long Task1ms() blocks other timing		
		deactivate Task
	end
	opt Every TIMER INTERRUPT 10ms
		TIMER ->> Task: Task10ms()
		activate Task
		Note right of Task: Long Task10ms() blocks other timing		
		deactivate Task
	end

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간단한 Scheduler 활용하기

Scheduler 란 개발자가 원하는 조건(주기, 혹은 이벤트)에 따라서 해당하는 Task 를 실행시키는 프로그램이다.
infinite-loop 와 Hardware Timer(Stm)를 조합하여 프로그램의 실행을 흐트러트리지 않는 작은 Scheduler 를 만들 수 있다.

사용자 측면

Main 함수에서
- Scheduler 초기화 함수(BasicStm_init( ))를 호출하고
- 무한루프에서 Scheduler Loop() 함수(BasicStm_run( ))를 호출한다.
Scheduler 초기화 함수는 Task 초기화 함수 (appTaskFu_init())를 호출한다.
- 사용자는 Task 초기화 함수에 필요한 초기화 동작을 프로그래밍 한다.
Scheduler Loop() 함수는 설정된 주기 정보에 따라 Task 들(appTaskFu_xxxs)을 호출한다.
- 사용자는 실행주기에 맞는 Task에 해당 동작을 프로그래밍 한다.
Interrupt Context로 실행되어야 하는 부분은 Callback 함수 영역(appIsrCb_1ms())에 프로그래밍 한다.

[참고용 mermaid diagram source]

sequenceDiagram
	Main ->> BasicStm: BasicStm_init()
	activate BasicStm
	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu_init()
	deactivate BasicStm
	loop Every Cycle
		activate BasicStm
		BasicStm ->> BasicStm: STM_Int0Handler()
		BasicStm ->> appTaskFu: appIsrCb_1ms()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
		deactivate BasicStm
		Main ->> BasicStm: BasicStm_run()
        opt Every1ms
        	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu_1ms()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
        end
        opt Every10ms
        	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu10ms()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
        end
        opt Every100ms
        	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu_100ms()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
        end
        opt Every1000ms
        	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu_1000ms()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
        end
       	BasicStm ->> appTaskFu: appTaskfu_Idle()
            activate appTaskFu
            deactivate appTaskFu
    end

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Scheduler 구현

Stm 를 사용하여 가장 기본이 되는 주기신호를 발생시킨다. 일반적으로 이것을 Tick 이라 부른다.
- 이 시스템 타이머를 사용하여 Tick 변수 (g_Stm.counter)를 기본 주기로 계속 증가시키고, 설정한 범위를 지나가면 다시 0이 되도록 동작시킨다.
Scheduler_Loop() 함수에서는 Tick Counter 변수값을 참고하여 각 Task 의 주기를 관리하고 해당 주기에 따라 사용자의 Task 들을 호출한다.
SystemTimer 와 SchedulerLoop() 사이에는 Flag를 하나 사용하여 동기화 시킨다.
이와 같이 구현함으로써 ISR로 인한 실행 지연등을 최소화한 상태로 주기적인 사용자 Task 를 실행시킬 수 있게 된다.

[참고용 mermaid diagram source]

sequenceDiagram
	opt Every TIMER INTERRUPT
		activate STM_Int0Handler
		Note right of STM_Int0Handler: Tick++		
		Note right of STM_Int0Handler: Set task_flag_1ms
		Note right of STM_Int0Handler: Set task_flag_10ms
		Note right of STM_Int0Handler: Set task_flag_XXX		
		deactivate STM_Int0Handler
	end
	loop infinite loop
		activate BasicStm_run
		Note left of BasicStm_run: Check task_flag_1ms
		BasicStm_run ->> AppTaskFu: appTaskfu_1ms()
		Note left of BasicStm_run: Clear task_flag_1ms
		Note left of BasicStm_run: Check task_flag_10ms
		BasicStm_run ->> AppTaskFu: appTaskfu_10ms()
		Note left of BasicStm_run: Clear task_flag_10ms
		deactivate BasicStm_run
	end

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/******** BasicStm.c ***********/

void STM_Int0Handler(void)
{
    g_Stm.counter++;
    if(g_Stm.counter == 1000){
    	g_Stm.counter = 0;
    }

    task_flag_1m = TRUE;

    if(g_Stm.counter % 10 == 0){
    	task_flag_10m = TRUE;
    }
		/* 중간생략 */
    appIsrCb_1ms();
}

void BasicStm_run(void)
{
	if(task_flag_1m == TRUE){
		appTaskfu_1ms();
		task_flag_1m = FALSE;
	}

	if(task_flag_10m == TRUE){
		appTaskfu_10ms();
		task_flag_10m = FALSE;
	}
		/* 중간생략 */

	appTaskfu_idle();
}

/*************** AppTaskFu.c *****************/
IFX_EXTERN boolean task_flag_1m;
IFX_EXTERN boolean task_flag_10m;
/* 중간생략 */
void appTaskfu_1ms(void);
void appTaskfu_10ms(void);
/* 중간생략 */
void appIsrCb_1ms(void);

void appTaskfu_1ms(void)
{
	/* 중간생략 */
}
void appTaskfu_10ms(void)
{
	/* 중간생략 */
    BasicLineScan_run();
    InfineonRacer_detectLane();
}

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