- Meu Kernel – Minha Vida
- Meu Kernel Minha Vida – Round-Robin
- Meu Kernel, Minha Vida – Escalonador Cooperativo com Lista Circular
Olá caro leitor, tudo bem? Dando continuidade na série de artigos Meu Kernel – Minha Vida. Nos dois primeiros artigos foram apresentados os conceitos básico de kernel cooperativo e Round-Robin, com demonstração de código-fonte e exemplo de aplicação. Neste artigo será apresentado uma nova implementação do kernel cooperativo, utilizando Lista Circular, além de uma breve introdução sobre Lista. Também será apresentado o código-fonte do kernel e uma aplicação de demonstração.
Lista Encadeada
Lista encadeada ou lista ligada é uma série elementos, todos do mesmo tipos interligados. Cada elemento da série é uma célula da lista. As célula essencialmente é composta por dois itens; o primeiro informação ou dado, o segundo item é endereço da próxima célula (um ponteiro).
A célula de uma lista basicamente é estrutura, composta por uma variável onde será armazenada a informação, outro item da estrutura é um ponteiro, onde será armazenado o endereço da próxima célula. Essa estrutura de dados comumente é chamado de “nó” ou de “registro”.
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/* estrutura de No*/ struct no { <tipo da variável> dado; struct no *próximo; }; |
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/* declaração do No*/ typedef struct no { int data; struct no next; }list_t; |
Para manipulação de listas, necessita de algumas operações fundamentais, são elas:
criação / inicialização,
O processo de criação (ou inicialização) é criar uma lista vazia, sem nenhum elemento. A lista é representado por ponteiro que aponta para um determinado elemento, já uma lista vazia é representado por ponteiro que aponta para um endereço nulo (NULL), pois a lista não possui nenhum elemento.
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/* Função de inicialização de lista */ lista_t* list_init(void) { return NULL; } |
inclusão / inserção,
Uma vez que uma lista foi inicializada, podemos inserir elementos nela. Todo elemento que inserido na lista, deve ser alocado dinamicamente, o espaço ocupado na memória por cada elemento e encadeá cada novo elemento na lista.
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/* Função de inserção de elementos */ list_t* list_insert(list_t* list, int data) { list_t * new = (list_t*)malloc( sizeof(list_t) ); new->data = data; new->next = list; return new; } |
busca,
Função que realiza a busca de um determinado elemento na lista. A função recebe a informação referente ao elemento que deseja ser buscado e fornece como resposta o ponteiro com endereço do elemento desejado.
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/* Função busca elemento na lista */ list_t* list_search (list_t* list, int data) { list_t* aux; for (aux = 1; aux != NULL; aux = aux->next; { if (aux->data == data) { return aux; } } return NULL; } |
Para os caso no qual o valor informado não corresponder a nenhum elemento da lista, a função retorna o valor nulo (NULL).
remoção,
Outra função que é muito importe é recurso de remover elemento da lista. Esse processo recebe como parâmetro a informação do elemento que deseja remover da lista.
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/* Remove item da lista */ list_t* list_remove (list_t* list, int data) { list_t* previous = NULL; list_t* aux = list; while ( aux != NULL && aux->data != data) { previous = aux; aux = aux->next; } if ( aux == NULL ) { return list; } if ( previous == NULL ) { list = aux->next; } else { previous->next = aux->next; } free( aux ); return list; } |
destruição / deletar
E por fim temos a função que deleta a lista. Essa função libera os espaços alocado em memória de cada elemento que foi inserido na lista.
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/* Função que apaga lista */ void list_delete( list_t* list) { list_t* aux = list; while ( aux != NULL ) { list_t* no_next = aux->next; free( aux ); aux = no_next; } } |
Lista encadeada pode ser utilizada em diversos algoritmos, onde se faz necessário obter a representação uma sequência de objetos (dados) do mesmo tipo. Diferente de vetor (ou array) que se faz necessário informar o número de elementos, no momento de sua criação, a lista é mais dinâmica, podendo assim adicionar e remover elementos a qualquer momento do código fonte, sem se preocupar com a quantidade de elementos.
Nota: A preocupação com a quantidade de memória utilizada ainda continua.
Lista Circular
A principal diferença entre lista encadeada e lista circular, é que o último elemento da lista circular aponta para o primeiro item da lista, assim obtendo uma estrutura de dados circular. Enquanto na lista encadeada o último elemento da lista aponta para um endereço nulo (NULL).
A lista circular conta com o mesmo recursos de;
- criação / inicialização,
- inclusão / inserção,
- busca,
- remoção,
- destruição / deletar
Mudando apenas alguns detalhes em sua implementação, que tem como objetivo garantir a representação de forma cíclica do seu conjunto de elementos.
O kernel
O kernel desenvolvido segue com a mesma estrutura utilizada no primeiro artigo da série (Meu Kernel – Minha Vida, que conta com escalonador cooperativo). Na verdade algoritmo passou por um upgrade, trocando o vetor por uma lista circular em seu escalonador. A seguir é apresentado resultado do novo kernel cooperativo.
Código fonte do kernel.h
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/* kernel.h Author: Evandro Teixeira */ #ifndef KERNEL_KERNEL_H_ #define KERNEL_KERNEL_H_ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdint.h> #include <stdbool.h> #include "MK22F51212.h" #ifndef ptrTask typedef void(*ptrTask_t)(void); #endif #ifndef kernel_tick typedef uint32_t kernelTick_t; #endif #ifndef idTask typedef uint8_t idTask_t; #endif #ifndef KERNEL_NULL #define KERNEL_NULL ((void *)0) #endif typedef enum { kernel_fail = false, kernel_ok = true, } kernelStatus_t; typedef enum { kernel_task_running = true, kernel_task_waiting = false, } kernelTask_t; typedef enum { Task_Ready = 0, Task_Blocked, Task_Paused, //Task_Deleted, } stateTask_t; typedef enum { Priority_Idle = 0, Priority_Low, Priority_Medium, Priority_High, } priorityTask_t; typedef struct { ptrTask_t task; stateTask_t state; priorityTask_t priority; kernelTick_t pausedtime; kernelTask_t kernel_task_state; } strTask_t; /** Parametros da Lista */ typedef struct no { idTask_t index; strTask_t param; struct no * next; } noKernel_t; void kernel_init(void); void kernel_run(void); void kernel_add_task_ilde(ptrTask_t task); idTask_t kernel_add_task(ptrTask_t task, priorityTask_t priority, stateTask_t state); void kernel_task_delete(idTask_t index); void kernel_task_delay(idTask_t id, kernelTick_t tick); void kernel_idle(idTask_t id); #endif /* KERNEL_KERNEL_H_ */ |
Código fonte do kernel.c
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/* kernel.c Author: Evandro Teixeira */ #include "kernel.h" /** */ static idTask_t id = 0; static ptrTask_t idleTask; static kernelTick_t kernelTick = 0; noKernel_t* kernel_list; noKernel_t* kernel_list_init; idTask_t id_idle; /** */ noKernel_t* kernel_init_list(void); noKernel_t* kernel_list_insert(noKernel_t* list, idTask_t index, strTask_t param); noKernel_t* kernel_list_get(noKernel_t* list, idTask_t index); noKernel_t* kernel_list_remove(noKernel_t* list, idTask_t index, idTask_t max); void kernel_list_delete(noKernel_t* list); void kernel_task_idle(void); void kernel_tick_init(void); uint32_t kernel_tick_get(void); /** */ void kernel_init(void) { kernel_tick_init(); kernel_list = kernel_init_list(); id_idle = kernel_add_task(kernel_task_idle, Priority_Idle, Task_Ready); } /** */ void kernel_task_delay(idTask_t index, kernelTick_t tick) { uint8_t i = 0; for (i = 0; i < id; i++) { if (kernel_list->index == index) { kernel_list->param.pausedtime = tick + kernel_tick_get(); kernel_list->param.state = Task_Paused; break; } kernel_list = kernel_list->next; } } /** */ void kernel_run(void) { ptrTask_t taskRun = {KERNEL_NULL}; idTask_t index = 0; while (1) { // Checa se existe alguma tarefa pausada for (index = 0; index < id; index++) { if (kernel_list->param.state == Task_Paused) { if (kernel_list->param.pausedtime <= kernel_tick_get()) { kernel_list->param.state = Task_Ready; } } kernel_list = kernel_list->next; } // Busca tarefa de alta prioridade for (index = 1; index < (id + 1); index++) { if ( (kernel_list->param.state == Task_Ready) && (kernel_list->param.priority == Priority_High) && (kernel_list->param.kernel_task_state == kernel_task_waiting)) { taskRun = kernel_list->param.task; kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_running; break; } kernel_list = kernel_list->next; } if (index > id) { // Busca tarefa de media prioridade for (index = 1; index < (id + 1); index++) { if ( (kernel_list->param.state == Task_Ready) && (kernel_list->param.priority == Priority_Medium) && (kernel_list->param.kernel_task_state == kernel_task_waiting)) { taskRun = kernel_list->param.task; kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_running; break; } kernel_list = kernel_list->next; } if (index > id) { // Busca tarefa de baixa prioridade for (index = 1; index < (id + 1); index++) { if ( (kernel_list->param.state == Task_Ready) && (kernel_list->param.priority == Priority_Low) && (kernel_list->param.kernel_task_state == kernel_task_waiting)) { taskRun = kernel_list->param.task; kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_running; break; } kernel_list = kernel_list->next; } if (index > id) { // Busca tarefa de Idle for (index = 1; index < (id + 1); index++) { if ( (kernel_list->param.state == Task_Ready) && (kernel_list->param.priority == Priority_Idle) && (kernel_list->param.kernel_task_state == kernel_task_waiting)) { taskRun = kernel_list->param.task; kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_running; break; } kernel_list = kernel_list->next; } if (!(index > id)) { kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_waiting; } } else { kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_waiting; } } else { kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_waiting; } } else { kernel_list->param.kernel_task_state = kernel_task_waiting; } if (taskRun != KERNEL_NULL) taskRun(); } } /** */ idTask_t kernel_add_task(ptrTask_t task, priorityTask_t priority, stateTask_t state) { strTask_t param; param.pausedtime = 0; param.priority = priority; param.state = state; param.task = task; param.kernel_task_state = kernel_task_waiting; kernel_list = kernel_list_insert(kernel_list, ++id, param); return id; } /** */ void kernel_add_task_ilde(ptrTask_t task) { idleTask = task; } /** */ void kernel_task_idle(void) { if (idleTask != KERNEL_NULL) idleTask(); } /** */ void kernel_task_delete(idTask_t index) { kernel_list = kernel_list_remove(kernel_list, index, id); } /** */ void kernel_idle(idTask_t id) { kernel_task_delay(id, 0); } /*************** List ********************************************/ /** @brief */ noKernel_t* kernel_init_list(void) { return KERNEL_NULL; } /** */ noKernel_t* kernel_list_insert(noKernel_t* list, idTask_t index, strTask_t param) { static noKernel_t* init_no; noKernel_t* new_no = (noKernel_t*)malloc(sizeof(noKernel_t)); // checa se lista já possui algum elemento if (list == KERNEL_NULL) { init_no = new_no; } else { list->next = new_no; } new_no->index = index; new_no->param = param; new_no->next = init_no; return new_no; } /** */ noKernel_t* kernel_list_get(noKernel_t* list, idTask_t index) { noKernel_t* item; for (item = list; item != KERNEL_NULL; item = item->next) { if (item->index == index) return item; } return KERNEL_NULL; } /** */ noKernel_t* kernel_list_remove(noKernel_t* list, idTask_t index, idTask_t max) { idTask_t i = 0; noKernel_t* previous;// = list; noKernel_t* item = list; for (i = 1; i < (max + 1); i++) { previous = item; if (item->index == index) { item = item->next; break; // achou } //previous = item; item = item->next; } if (i > max) { return list; } else { // Busca o no que aponta para index que deseja remover noKernel_t* no = item; for (i = 1; i < (max + 1); i++) { if (no->next == previous) { no->next = previous->next; break; // achou } no = no->next; } if (i > max) { return list; } free(previous); previous->next = item->next; return no; } } /** */ void kernel_list_delete(noKernel_t* list) { noKernel_t* aux = list; while (aux != KERNEL_NULL) { noKernel_t* no_next = aux->next; free(aux); aux = no_next; } } /** */ void kernel_tick_init(void) { uint32_t ticks = SystemCoreClock / 1000; SysTick->LOAD = ticks - 1; SysTick->VAL = 0; SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; NVIC_EnableIRQ(SysTick_IRQn); } /** */ uint32_t kernel_tick_get(void) { return kernelTick; } /** */ void SysTick_Handler(void) { kernelTick++; } |
O projeto de demonstração
O projeto de demonstração utiliza o NXP Freedom Board K22F, que conta com o microcontrolador ARM Cortex-M4 que contém as seguintes características: MK22FN512VLH12 MCU – 120 MHz, 512 KB memória Flash, 128 KB memória RAM.
O algoritmo contém três tarefas que inverte o valor do GPIO que possuem os LED’s. Sendo que a tarefa “task_led_red” realizar uma contagem de execução, e quando essa contagem atinja o valor de 20, a tarefa “task_led_red” é removida do escalonador do kernel. A tarefa “tarefa_led_blue” também realiza a contagem de execução, quando a contagem chegar ao número 40, é adicionado novamente ao escalonador a tarefa “task_led_red”.
Código fonte do main.c
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/** This is template for main module created by New Kinetis SDK 2.x Project Wizard. Enjoy! **/ #include "board.h" #include "pin_mux.h" #include "clock_config.h" #include "fsl_common.h" #include "fsl_port.h" #include "../kernel/kernel.h" #define DELAY_LED_GREEN 50000 void task_led_red(void); void task_led_blue(void); void task_led_green(void); idTask_t red, blue; /*! @brief Application entry point. */ int main(void) { /* Init board hardware. */ BOARD_InitPins(); BOARD_BootClockRUN(); BOARD_InitDebugConsole(); /* Add your code here */ CLOCK_EnableClock(kCLOCK_PortA); CLOCK_EnableClock(kCLOCK_PortD); PORT_SetPinMux(PORTA, 1U, kPORT_MuxAsGpio); PORT_SetPinMux(PORTA, 2U, kPORT_MuxAsGpio); PORT_SetPinMux(PORTD, 5U, kPORT_MuxAsGpio); // Inicializa LED's LED_RED_INIT(LOGIC_LED_OFF); LED_BLUE_INIT(LOGIC_LED_ON); LED_GREEN_INIT(LOGIC_LED_OFF); // Inicializa kernel kernel_init(); // Adiciona tarefa no kernel red = kernel_add_task(task_led_red, Priority_High, Task_Ready); blue = kernel_add_task(task_led_blue, Priority_High, Task_Ready); kernel_add_task_ilde(task_led_green); // Executa Kernel kernel_run(); for (;;) { /* Infinite loop to avoid leaving the main function */ __asm("NOP"); /* something to use as a breakpoint stop while looping */ } } /** */ void task_led_red(void) { static uint8_t counter = 0; LED_RED_TOGGLE(); counter++; if (counter > 20) { // Deleta Task RED counter = 0; kernel_task_delete(red); return; } // Pausa Task RED por 1000 tick's kernel_task_delay(red, 1000); } /** */ void task_led_blue(void) { static uint8_t counter = 0; LED_BLUE_TOGGLE(); counter++; if (counter > 40) { counter = 0; red = kernel_add_task(task_led_red, Priority_High, Task_Ready); } // Pausa Task BLUE por 2000 tick's kernel_task_delay(blue, 2000); } /** */ void task_led_green(void) { static uint32_t i = 0; i++; if (i > DELAY_LED_GREEN) { i = 0; LED_GREEN_TOGGLE(); } } |
Conclusão
Objetivo neste artigo foi apresentando os conceitos básicos de lista encadeada e circular e demonstração da utilização de lista circular para realizar o “upgrade” no kernel cooperativo.
Próximos passos… É estudar sobre a troca de contexto e as técnicas existentes para o mesmo. E assim conseguir desenvolver kernel preemptivo. Assim que for evoluindo nos meus estudos, prometo trazer mais artigos relacionados ao assunto.
O código fonte do projeto com aplicação e kernel deixei disponível no meu Github. E fica aqui o meu convite a você caro leitor, que se interessou pelo assunto, a contribuir com o projeto, testando e aperfeiçoando o mesmo.
Referencia
https://www.ime.usp.br/~pf/algoritmos/aulas/lista.html
https://www.cprogressivo.net/2013/10/Como-fazer-uma-lista-em-C.html
https://pt.wikipedia.org/wiki/Lista_ligada
http://www.ic.unicamp.br/~ra069320/PED/MC102/1s2008/Apostilas/Cap10.pdf
https://github.com/evandro-teixeira/kernel_lista_circular
https://www.nxp.com/support/developer-resources/evaluation-and-development-boards/freedom-development-boards/mcu-boards/nxp-freedom-development-platform-for-kinetis-k22-mcus:FRDM-K22F
Desenvolvedor de Sistemas Embarcados.
Sou formado Técnico em Instrumentação e Automação Industrial/Mecatrônica pelo Colégio Salesiano Dom Bosco de Americana-SP, cursei o Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica pela UNISAL Centro Universitário Salesiano de São Paulo e atualmente estou cursando Superior de Tecnologia em Análise e Desenvolvimento de Sistemas pela UNIP Universidade Paulista.
