Chapter 03 Kernel Structure

3.1 uC/OS-II File Structure

MicroC/OS-II는 다음과 같은 file structure로 구성된다.

가령 target CPU가 바뀔 경우, uC/OS-II Port를 수정하면 된다.

3.2 Critical Sections

MicroC/OS-II에서는 인터럽트를 활성화/비활성화할 수 있는 2가지 매크로를 제공한다. (critical sections)

• OS_ENTER_CRITICAL()

• OS_EXIT_CRITICAL()

주의할 점으로 인터럽트가 비활성화 상태일 때, 일부 함수를 호출하면 시스템이 멈출 수 있다. 예를 들어, OSTimeDly()은 인터럽트가 비활성화 상태이므로, 타임 틱 인터럽트가 발생할 수 없어서 문제가 발생한다.

주로 지연(PEND) 관련된 함수는 모두 이런 문제를 가진다. 대부분의 uC/OS-II 서비스는 인터럽트가 활성화 상태일 때 호출해야 한다.

3.2.1 OS_CRITICAL_METHOD

critical section은 크게 세 가지 방식으로 구현할 수 있으며, 프로세서 및 컴파일러에 따라서 알맞은 방식을 선택해야 한다.(OS_CPU.H에 정의된 OS_CRITICAL_METHOD 상수에 알맞은 값을 지정하는 방식으로 선택)

asm: inline assembly로 C code에서 assembly를 삽입하는 문법에 해당된다. (c 컴파일러에 따라서 문법은 다를 수 있다.)

PSW(Processor Status Word)는 interrupt status 정보를 담으며, interrupt enable/disable, supervisor/user mode 등의 status flag를 갖는다.

asm("EI")를 할 필요가 없는 이유: asm("POP PSW") 과정에서 interrupt enable bit이 복원되기 때문

3.3 Tasks = Infinite Loop

task는 기본적으로 다음과 같이 무한루프 형태로 설계한다.

void YourTask (void *pdata)
{
  for (;;) {
    /* USER CODE */
    Call one of uC/OS-II services:
    OSFlagPend();
    OSMboxPend();
    OSMutexPend();
    OSQPend();
    OSSemPend();
    OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);
    OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);
    OSTimeDly();
    OSTimeDlyHMSM();
    /* USER CODE */
  }
}

3.4 Task Control Block: OS_TCB

task가 생성할 때, 각 task마다 TCB(Task Control Block)가 할당된다.(OS_TCBInit()) TCB는 task의 상태를 담고 있는 OS_TCB 구조체 형태로 RAM에 reside(상주)한다.

reside: physically exist (c.f., 반례로 virtual memory는 swap되어 사라질 수 있고, 따라서 reside하지 않음)

OS_TCBInit(): OSTaskCreate()나 OSTaskCreateExt() 함수에서 호출된다.

OS_TCB 구조체는 다음과 같이 doubled linked list 형태로 구현된다.

OSTCBFreeList
OSTCBList

다음은 OS_TCBInit()이 호출되었을 때, doubled linked list가 변화하는 과정을 나타낸 도식이다. 예시에서는 OSTCBFreeList에서 TCB 1을 꺼내 OSTCBList에 추가한다.(task가 삭제될 경우, 다시 OSTCBFreeList에 추가된다.)

OSTCBFreeList
OSTCBList

이때, linked list는 다음과 같은 포인터를 기반으로 관리된다.

3.4.1 typedef struct os_tcb

다음은 OS_TCB 구조체의 구성을 나타낸 도식이다.

• OSTCBHighRdy: 가장 높은 우선순위

• OSTCBCur: 현재 실행 중인 task

다음은 OS_TCB 구조체를 정의한 코드이다.

unsigned int8로 정의된 state에 주목하자.

typedef struct os_tcb {
  OS_STK *OSTCBStkPtr;          /* Pointer to current top of stack */

// EXT: 확장 기능(extension)을 의미하며, 반드시 존재할 필요는 없다. 
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0 
  void *OSTCBExtPtr;           /* Pointer to user definable data for TCB extension*/
  OS_STK *OSTCBStkBottom;      /* Pointer to bottom of stack */
  INT32U OSTCBStkSize;         /* Size of stack (in number of stack elements) */
  INT16U OSTCBOpt;             /* Task options */
  INT16U OSTCBId;              /* Task ID (0..65535) */
#endif

  struct os_tcb *OSTCBNext;    /* Pointer to next TCB in the TCB list */
  struct os_tcb *OSTCBPrev;    /* Pointer to previous TCB in the TCB list */

#if ((OS_Q_EN > 0) && (OS_MAX_QS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0) || (OS_SEM_EN > 0) || (OS_MUTEX_EN > 0)
  OS_EVENT *OSTCBEventPtr;     /* Pointer to event control block */
#endif

#if ((OS_Q_EN > 0) && (OS_MAX_QS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0)
  void *OSTCBMsg;              /* Message received from OSMboxPost() or OSQPend() */
#endif

#if (OS_VERSION >= 251) && (OS_FLAG_EN > 0) && (OS_MAX_FLAGS > 0)
#if OS_TASK_DEL_EN > 0
  OS_FLAG_NODE *OSTCBFlagNode;  /* Pointer to event flag node */
#endif
  OS_FLAGS OSTCBFlagsRdy;       /* Event flags that made task ready */
#endif

  INT16U OSTCBDly;              /* Nbr ticks to delay task */
  INT8U OSTCBStat;              /* Task status */
  INT8U OSTCBPrio;              /* Task priority */

  INT8U OSTCBX;                 /* Bit position in group  */
  INT8U OSTCBY;                 /* Index into ready table */
  INT8U OSTCBBitX;              /* Bit mask position in group */
  INT8U OSTCBBitY;              /* Bit mask position in ready table */

#if OS_TASK_DEL_EN > 0
  BOOLEAN OSTCBDelReq;            /* Indicates whether a task needs to delete itself */ 
#endif
} OS_TCB;

3.4.2 OS_TCBInit()

OS_TCB를 생성하는 OS_TCBInit() 초기화 함수는, 다음과 같은 7개 인자를 필요로 한다.

3.4.3 OSTCBStat

다음은 OSTCBStat가 나타내는 task status를 정리한 도표이다.

3.5 Ready List

uC/OS-II에서는 현재 Task Ready인 task를 Ready List에 기록하여 관리한다. Ready List는 두 가지 자료구조를 기반으로 한다.

• INT8U OSRdyGrp: 한 그룹이 8개 우선순위 task에 대응되며, 그룹에서 적어도 하나의 Task Ready가 있다면 flag가 켜진다.

• INT8U OSRdyTbl[8]: 각 task가 Task Ready인지 표시

우선순위는 6bits로 표현하는데, 상위 3bit는 OSRdyGrp, 하위 3bit는 OSRdyTbl을 조회하기 위해 사용한다.

상위 3비트(Y): prio >> 3, 하위 3비트(X): prio & 0x07로 획득 (0x07 = 0000 0111)

3.5.1 OSMapTbl[]

Ready List를 조작하는 과정을 살펴보자. 이때, 우선순위 각 3 bit마다, OSMapTbl[]에서 대응되는 bitmask 값을 가져온다.

예를 들어. Priority 0001 1010(=26)인 task가 있다면, bitmask 값은 다음과 같다.

3.5.2 Operations on Ready List

다음은 이를 기반으로 Ready List를 조작하는 예시다.

|=: bitwise OR 결과를 할당

제거 시 주의사항으로, OSRdyTbl 행의 값(그룹)이 모두 0이 됐을 때, OSRdyGrp flag를 끈다.

또한, 후술할 OSUnMapTbl을 활용해, 최고 우선순위 task를 빠르게 조회할 수 있다.

3.5.3 Finding the Highest Priority Task: OSUnMapTbl[]

(context switching 시) 가장 높은 우선순위 task를 찾을 때는, OSUnMapTbl을 활용하여 빠르게 조회한다.

다음은 OSRdyGrp가 현재 0110 1000(=0x68) 때, 최고 우선순위 task를 찾는 예시다.

y = OSUnMapTbl[0x68] = 3 
x = OSUnMapTbl[0xE4] = 2 
prio = (y << 3) + x = (3 << 3) + 2 = 26