- 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”.
1 2 3 4 5 6 |
/* estrutura de No*/ struct no { <tipo da variável> dado; struct no *próximo; }; |
1 2 3 4 5 6 |
/* 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.
1 2 3 4 5 |
/* 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 |
/* 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
/* 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 |
/* 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
/* 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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 |
/* 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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 |
/* 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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 |
/** 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