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parent: TaskScheduler
title: システム割り込み
date: 2017-9-5
tags: タイマ, C言語
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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.
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# 割り込み設定
割り込みは, AVRマイコンに搭載されているタイマー割り込み機能を用いることで実現します.
使用するタイマーはタイマー0にします.
ここでは, このタイマー割り込みの設定を行います.
まず, タイマー0に関する簡単な説明をし, 具体的な設定方法を説明します.
# タイマー0について
タイマー0は, 0から255までカウントできるものです.
タイマー0には, 二つの出力―OCR0A, OCR0B―を持ち, これらのピンはそれぞれ
ポートDの6, 5番ピンに接続されています(Unoの場合, デジタルピンの6, 5番ピンを指します).
これらのピンから, タイマーを使用した様々な出力(PWMなど)を出すことができます.
加えて, タイマーのカウントがオバーフローしたときに割り込み関数を呼び出すこともできます
(今回のシステム割り込みではこの機能を使います).
# タイマー0の設定
タイマー0は, 二つのレジスタ―TCCR0A(TC0 Control Register A), TCCR0B―で設定を行います.
これら二つのレジスタの詳細は以下のとおりです.
|[TCCR0A]
|-------||---------|-------|--------|---------|------|----|------|-------|
| ビット || 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 名前 || COM0A1 | COM0A0 | COM0B1 | COM0B0 | NON | NON | WGM01 | WGM00 |
|[TCCR0B]
|-------||--------|-------|-----|-----|------|-------|------|-------|
| ビット || 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 名前 || FOC0A | FOC0B | NON | NON | WGM02 | CS02 | CS01 | CS00 |
COM0A1(Compare Output Mode for Channel A), COM0A0および, COM0B1, COM0B0は, 出力OCR0A, OCR0Bの挙動を設定するフラグです.
今回のシステム割り込みでは, 何も出力しないのでこれらフラグを立てません(つまり, これらのビットを0にします.).
何もフラグを立てない場合, 出力OCR0A, OCR0Bは出力ピンと切り離されます.
FOC0A(Force Output Compare A), FOC0Bは, 強制コンペアマッチを行うかどうかのフラグです.
今回のシステム割り込みでは, この機能を利用しないのでこれらフラグを立てません.
WGM02(Waveform Generation Mode), WGM01, WGM00は, タイマーのモードを設定するフラグです.
今回のシステム割り込みで設定するモードですが,
Arduinoの標準関数analogWrite()―PWMを出力する関数―は, 内部でタイマー0の高速PWMの機能を用いる必要があるため,
高速PWMモード(Top = 0xFF)に設定します.
WGMの役割は以下のとおりです.
|[WGMの役割]
| Mode | WGM02 | WGM01 | WGM00 | タイマーモード | Top |
|------|-------|-------|-------|---------------|-----|
| 0 | 0 | 0 | 0 | Normal | 0xFF |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 位相基準PWM | 0xFF |
| 2 | 0 | 1 | 0 | CTC | OCRA |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 高速PWM | 0xFF |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 予約 | |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 位相基準PWM | OCRA |
| 6 | 1 | 1 | 0 | 予約 | |
| 7 | 1 | 1 | 1 | 高速PWM | OCRA |
CS2, CS1, CS0は分周を設定するフラグです.
通常, タイマーが一つカウントを進める周期はCPUの動作周波数と一致します.
CPUの動作クロックが一つ進むのと同時にカウンタも一つ進みます.
このカウンタの速度を調整するのがこの分周の役割です.
分周1/8の場合は, 動作クロック8つ分でカウンタを一つ進めます.
分周1024/1の場合は, 動作クロック1024個分でカウンタを一つ進めます.
CSと設定内容の関係は以下のとおりです.
|[CSと設定内容の関係]
| CS02 | CS01 | CS00 | 説明 |
|------|------|------|-------------|
| 0 | 0 | 0 | タイマー停止 |
| 0 | 0 | 1 | 分周なし |
| 0 | 1 | 0 | 1/8分周 |
| 0 | 1 | 1 | 1/64分周 |
| 1 | 0 | 0 | 1/256分周 |
| 1 | 0 | 1 | 1/1024分周 |
| 1 | 1 | 0 | 外部クロック使用. 立ち下りでクロック |
| 1 | 1 | 1 | 外部クロック使用. 立ち上がりでクロック |
分周の設定ですが, 今回のOSは1秒間に1000回システム割り込みを行うように設定することにします.
ArduinoUNO, Megaともに動作周波数が16Mhz, また, タイマー0の最大カウント数が256のことから,
分周なしの場合の割り込み周波数は(16Mhz / 256) = 62.5khzとなります.
これを目標の1khzにするためには, (62.5khz / 1khz) = 62.5分周である必要があります.
ただ, 62.5分周は設定できないためこれに近い64分周を採用します.
以上を踏まえ, タイマー0による割り込み設定のコードは以下のようになります.
<pre class="brush: cpp;">
//
// 分周: 64
// Timerトップ値: 255
//
// クロック周波数ごとのTimer割り込み周波数:
// クロック周波数: 16Mhz
// Timer割り込み周波数: 16Mhz / (256 * 64) = 976.5625 Hz
//
// Setup timer 0 compare match A to generate a tick interrupt.
static void SetupTimerInterrupt( void )
{
// On the ATmega168, timer 0 is also used for fast hardware pwm
// (using phase-correct PWM would mean that timer 0 overflowed half as often
// resulting in different mills() behavior on ATmega8 and ATmage168)
#if defined(TCCR0A) && defined(WGM01)
sbi(TCCR0A, WGM01);
sbi(TCCR0A, WGM00);
#endif
// set timer 0 prescale factor to 64
#if defined(__AVR_ATmega128__)
// CPU spwcific: different values for the ATmega128
sbi(TCCR0, CS02);
#elif defined(TCCR0) && defined(CS01) && defined(CS00)
// This combination is for the standard atmega8
sbi(TCCR0, CS01);
sbi(TCCR0, CS00);
#elif defined(TCCR0B) && defined(CS01) && defined(CS00)
// This combination is for the standard 168/328/1280/2560
sbi(TCCR0B, CS01);
sbi(TCCR0B, CS00);
#elif defined(TCCR0A) && defined(CS01) && defined(CS00)
// This combination is for the standard __AVR_ATmega645__ series
sbi(TCCR0A, CS01);
sbi(TCCR0A, CS00);
#else
#error Timer 0 prescale factor 64 not set correctry
#endif
// enable timer 0 overflow interrupt
#if defined(TIMSK) && defined(TOIE0)
sbi(TIMSK, TOIE0);
#elif defined(TIMSK0) && defined(TOIE0)
sbi(TIMSK0, TOIE0);
#else
#error Timer 0 overflow interrupt not set correctly
#endif
}
</pre>
上のコードを見ると分かりますが, 各レジスタ設定でそのレジスタ, そして設定するフラグが存在するか確認しています.
これは, マイコンによって存在するレジスタ, フラグが異なるためです. 各マイコンに応じた設定がなされております.
最後のレジスタTIMSK0の設定では, TOIE0フラグを立てることでオバーフローによる割り込みを有効にしています
(これをしなかった場合は, 割り込みが行われません).
# 割り込み時処理
以上までで, 割り込みの設定が終わりました. ここからは, 実際に割り込み時の処理について説明していきます.
割り込み関数内に, 割り込み処理を書くのですが, OSにプリエンプション機能を持たせるか持たせないかで異なります.
プリエンプション機能を持たせる場合, 次の処理を行います.
* コンテキストの保存
* システム時間の更新
* コンテキストの切り替え
* コンテキストの復帰
一方, プリエンプション機能を持たせない場合は, 次の処理のみ行います.
* システム時間の更新
[プリエンプション]
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プリエンプションとは, OSがタスクの切り替えを自動に行うことを言います.
詳しく言うと, OSが現在実行中のタスク処理を一時停止にし, 別のタスク処理を実行します.
プリエンプション機能を有効にすることで, ユーザ側はタスク切り替えに関する処理を省ける利点がありますが,
タスクの競合に注意する必要があります.
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システム時間の更新では, システム時間を1tick進めると同時に, ブロックされているタスクの有効化を行います.
コンテキストの保存では, 現時点でのCPUの状態を保存します.
こうすることで, 一時停止された処理を復帰することができます.
コンテキストの切り替えでは, 実行するタスクを切り替えます.
ここで, 実行中のタスクより優先度の高いタスクがあれば, この優先度の高いタスクに切り替えられます.
コンテキストの復帰では, 休止される前のCPUの状態に復帰します.
以上を踏まえて, 割り込み時の処理は以下のようになります.
<pre class="brush: cpp;">
//
// Context switch function used by the tick. This must be identical to
// PortYield() from the call to TaskSwitchContext() onwards.
// The only difference from PortYield() is the tick is incremented as the
// call comes from the tick ISR.
void PortYieldFromTick(void) __attribute__((naked));
void PortYieldFromTick(void)
{
PortSaveContext();
TaskIncrementTick();
TaskSwitchContext();
PortRestoreContext();
asm volatile ("ret");
}
#if CONFIG_USE_PREEMPTION == 1
// Tick ISR(Interrupt Service Routine) for preemptive scheduler. We can use a naked attribute as
// the context is saved at the start of PortYieldFromTick(). The tick count
// is incremented after the context is saved.
#if defined(__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84)
void TIM0_OVF_vect(void) __attribute__((signal, __INTR_ATTRS, naked));
void TIM0_OVF_vect(void)
#else
void TIMER0_OVF_vect(void) __attribute__((signal, __INTR_ATTRS, naked));
void TIMER0_OVF_vect(void)
#endif
{
PortYieldFromTick();
asm volatile("reti");
}
#else
// Tick ISR(Interrupt Service Routine) for the cooperative scheduler. All this does is increment
// the tick count. We do't need to switch context, this can only be done by manual calls to TaskYield()
#if defined(__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84)
void TIM0_OVF_vect(void) __attribute__((signal, __INTR_ATTRS));
void TIM0_OVF_vext(void)
#else
void TIMER0_OVF_vect(void) __attribute__((signal, __INTR_ATTRS));
void TIMER0_OVF_vect(void)
#endif
{
TaskIncrementTick();
}
#endif
</pre>
<p>
割り込みの処理を書く関数の名前は"TIMER0_OVF_vect()"です.
この関数名内に書かれた処理が, 割り込み時に実行されることになります.
</p>
<pre class="brush: cpp;">
void TIMER0_OVF_vect(void)
{
//ここに割り込みで行いたい処理を書く.
}
</pre>