ディレクトリ: ArduinOS

OSは日常のあらゆる場所で目にします. パソコンには必ずと言っていいほどOSが走っており, 携帯, ゲーム機などにもOSが走っております. このような普段よく使うOSですが, そのOSの仕組みを分かっていても, 実際どのように作るのかはよく知られておらず気になります.

このページでは, 実際にArduinoで動くOSを作成することで, OSの理解を深めます. 使用するプログラミング言語はC言語です. (作成といいましても, すでに在りますFreeRTOSから必要な機能を抜き出し, Arduinoで動くようにしました.) なお, 今回扱うOSは汎用OSではなくリアルタイムOS(RTOS)と呼ばれるものです. 汎用OSとは, すべてのタスクに等しく優先度が与えられますが, RTOSではタスクごとに優先度を設定できます.

話の進め方ですが, 今回のOS製作では実装に重きを置くため, コードを中心に話を進めていきます. 各コードごとに簡単な説明を行い, その中で特に重要な部分―OSの仕組みに深くかかわる部分―もしくはさらに詳しい説明については別ページで行います. これら別ページ―詳細ページ―は子コンテンツである"仕組み"にまとめられています.

話の流れは次のとおりです.

• RTOSとは
• 目標と使い方
• 準備
• ファイル構成
• スクリプト
• ボードの設定
• 仕組み

対応状況

動作確認済み環境

ここでは, C言語に関する詳細を説明します.

ここでは, OSの機能とArduino標準機能と融合していきます. 融合するものとしては, Arduino言語―setup(), loop()―, Arduino標準関数に影響するタイマー割り込み部分です.

C言語には, マクロと呼ばれるものがあります. マクロとは, コンパイル前にある規則に従って文字を置き換える機能を持ちます^[1].

ここでは, マクロの詳しい機能の説明を行います.

ここでは, 今回のOS製作で新しく作られるファイルの説明を行います.

OSはタスクごとにメモリを動的に割り当てる必要があります(タスクが保有するメモリに関することはのちに説明します). というのも, これらのタスクはアプリケーション実行中に生成, 削除される可能性があるからです.

今回では, このメモリ管理をOSが行うことにします. OSがメモリ管理を行うことで, OS動作の理解がしやすくなるからです.

このページでは, OSによるメモリ管理をどのように実装するのか説明します.

OSを作成するにあたって, まずこのOSの使い方を説明します. (まず, 使い方を説明することでOS完成のイメージをつかむことができます.)

OSを作成するにあたっての準備を行います.

ここでは, 筆者が参考にしたページ, 資料の一覧が書かれます.

ここでは, OSの設定方法について説明します.

設定ファイルは,ArduinOSConfig.hです. このファイル内にOSの設定を書きます. また, 設定ではハードウェアの基本構成に加え, 各機能の有効化, システムフックを行うか, などといった設定を行えます.

ここでは, OSをArduinoIDE上で使用できるようにします.

するべきことは, コアフォルダの追加とボードの追加です.

ここには, OSの仕組みに関する情報が書かれます. OSは非常に多くのことが関わっているため以下のように分けていきます.

• メモリ管理
• タスク管理
• OSの設定
• Arduino標準機能との融合

タスクの切り替えをする際, その時のCPUの状態を保存する必要があります. このCPUの状態をコンテキストと呼びます. あるタスクから離れるときはコンテキストの保存を行い, あるタスクに復帰するときはコンテキストの復帰を行います.

ここでは, コンテキストに関する詳しい説明とコンテキストの保存と復帰の方法について説明します.

ここでは, OSには必ずなくてはいけない機能の一つであるタスク管理について説明します.

タスク管理には非常に多くのことが関わっているため以下のように分けていきます.

• タスクコントロールブロック(TCB)
• メモリの構造
• 状態リスト
• コンテクスト
• システム割り込み

ここでは, 実際にタスクが作成されたときのメモリの構造を示していきたいと思います. メモリでの各領域の説明, この構造によるmallocの問題を示します.

それぞれのタスクにはそのタスクの状態というものがあります. 今回のOSでは, このタスクの状態を状態リストを用いて判別することにします. 以下から, タスク状態の種類, 状態リストの構造, リストを用いたタスク状態の切り替え方法を詳しく見ていきます.

タスクを管理するにあたり, 各タスクの情報を保持しておく必要があります. このような情報の塊をタスクコントロールブロック(TCB)と呼びます.

OSがタスクの切り替えを行うためには, 定期的にOSが現在実行中のタスクの処理を中断してタスク切り替え処理を行う必要があります.

ここでは, このようなOSが定期的に割り込み処理を行う方法を説明します. また, 割り込み時の処理について説明します.

ここでは, ArduinOSの使用方法を説明します.

RTOSは, 組み込み系のシステムで用いられることが多いです.

一般OSと同様にタスクの切り替えを行う点は同じですが, タスクの切り替え規則に特色があります^[1]. タスクの実行可能状態になるまでの時間の最悪値が保証されるように作られています.