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TOPPERSとFreeRTOSのAPIを比べてみる

Last updated at Posted at 2020-12-23

目的

最近、電子工作向けのデバイスのソフトウェアにはFreeRTOSが使われているのをよく目にするようになりました。
FreeRTOSのAPIとTOPPERSのAPIを並べて理解を深め、RTOSの利用の参考になれば良いかなと思い、この記事を書きました。
まだ、FreeRTOSは意識して使ったことがないので、GR-ROSEWio Terminalを利用して、TOPPERSで動かそうとした時に自分でも参考にしようと思ってます。

FreeRTOS

Amazon Web Servicesがデバイス向けに提供しているRTOSがFreeRTOSになります。
クラウドサービスを提供する企業がデバイス向けのRTOSを提供するのは、IoTシステムを構築するには、デバイス側のソフトウェアも重要でRTOSが有用なソフトウェアだからだと思います。

μITRONとTOPPERS

RTOSは古くからあるソフトウェアで、日本ではμITRONが多く使われてきたようですが、TOPPERSもμITRONから発展したRTOSを提供しています。
μITRONはAPI仕様だけの規格なのですが、TOPPERSプロジェクトではOSSとしてAPIを実装したものを提供してきました。
IoT時代でも有用なソフトウェアだと思っています。

それぞれのAPIリファレンス

FreeRTOSのAPIリファレンスは下記のサイトにあります。
https://www.freertos.org/Documentation/RTOS_book.html

TOPPERSのAPIリファレンスは下記のサイトにあります。
https://www.toppers.jp/documents.html

APIは思ったより量があるので、掻い摘んで書きたいと思います。

動作検証

現段階では、動作検証していません。APIの説明を見て対応付けしただけです。

動作検証に使えそうなデバイスとして、Wio Terminalを使おうと思っています。Wio Terminalには開発元からFreeRTOSが提供されています。
また、TOPPERS/ASP Arduino ライブラリ(TA2LIB)があります。

両方ともArduino IDEで使用できるので、APIの動作を同じ環境で試すことが出来ますので、これを使おうと思います。

注意として、TA2LIBのAPIは標準のTOPPERS/ASPのAPIに加えて、動的生成がサポートされています。
TOPPERS/ASPの動的生成機能拡張パッケージでは、オブジェクトの生成とIDの採番を行うacre_xxxというAPIがありますが、これとは違い、TA2LIBではあらかじめ定義されたIDでオブジェクトを生成するcre_xxxというAPIを使います。

下記のAPI比較はTA2LIBのAPIを使用しています。

また、FreeRTOSが載ったGR-ROSEというボードあり、日本語でFreeRTOSの使い方が載っているので、こちらも参考にしました。

タスクとスケジューラ―

タスクの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xTaskCreate cre_tsk stk=NULL
xTaskCreateStatic cre_tsk stk=Memory
vTaskDelete del_tsk

タスク制御

FreeRTOS TOPPERS
vTaskDelay dly_tsk
vTaskDelayUntil -
uxTaskPriorityGet get_pri
vTaskPrioritySet chg_pri
vTaskSuspend sus_tsk
vTaskResume rsm_tsk
xTaskResumeFromISR -
xTaskAbortDelay rel_wai

キュー

キューの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xQueueCreate cre_dtq pk_cdtq->dtqmb=NULL
xQueueCreateStatic cre_dtq pk_cdtq->dtqmb=Memory
vQueueDelete del_dtq

キューの操作

FreeRTOS TOPPERS
xQueueSend snd_dtq/psnd_dtq/tsnd_dtq
xQueueSendToBack snd_dtq/psnd_dtq/tsnd_dtq
xQueueSendToFront -
xQueueSendFromISR ifsnd_dtq
xQueueSendToBackFromISR ifsnd_dtq
xQueueSendToFrontFromISR -
xQueueReceive rcv_dtq/prcv_dtq/trcv_dtq
xQueueReceiveFromISR -
uxQueueMessagesWaiting ref_dtq
uxQueueMessagesWaitingFromISR -
uxQueueSpacesAvailable -
xQueueReset ini_dtq
xQueueOverwrite fsnd_dtq
xQueueOverwriteFromISR ifsnd_dtq
xQueuePeek -
xQueuePeekFromISR -
vQueueAddToRegistry -
vQueueUnregisterQueue -
pcQueueGetName -
xQueueIsQueueFullFromISR -
xQueueIsQueueEmptyFromISR -

キューセット

TOPPERSには見当たりませんでした。

FreeRTOS TOPPERS
xQueueCreateSet -
xQueueAddToSet -
xQueueRemoveFromSet -
xQueueSelectFromSet -
xQueueSelectFromSetFromISR -

セマフォ

FreeRTOSではセマフォとミューテックスは同じハンドラで操作しますが、TOPPERSでは分かれているのでミューテックスは別の章にしました。
また、FreeRTOSではBinary版とCounting版がありますが、詳しい違いはわかってません。

セマフォの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xSemaphoreCreateBinary -
xSemaphoreCreateBinaryStatic -
xSemaphoreCreateCounting cre_sem
xSemaphoreCreateCountingStatic cre_sem
vSemaphoreDelete del_sem

セマフォの操作

FreeRTOS TOPPERS
xSemaphoreGetMutexHolder ref_sem
uxSemaphoreGetCount ref_sem
xSemaphoreTake wai_sem/pwai_sem/twai_sem
xSemaphoreTakeFromISR -
xSemaphoreTakeRecursive -
xSemaphoreGive sig_sem
xSemaphoreGiveFromISR isig_sem
xSemaphoreGiveRecursive -

ミューテックス

ミューテックスはTA2LIBにはないが、TOPPERS/ASPの拡張パッケージにあるので表は埋めておきます。
FreeRTOSでは無印Mutex版とRecursiveMutex版がありますが、詳しい違いはわかってません。

ミューテックスの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xSemaphoreCreateMutex cre_mtx
xSemaphoreCreateMutexStatic cre_mtx
xSemaphoreCreateRecursiveMutex -
xSemaphoreCreateRecursiveMutexStatic -
vSemaphoreDelete del_mtx

ミューテックスの操作

FreeRTOS TOPPERS
uxSemaphoreGetCount -
xSemaphoreGetMutexHolder ref_mtx
xSemaphoreGive unl_mtx
xSemaphoreGiveFromISR -
xSemaphoreGiveRecursive -
xSemaphoreTake loc_mtx/ploc_mtx/tloc_mtx
xSemaphoreTakeFromISR -
xSemaphoreTakeRecursive -

イベントグループ

TOPPERSではイベントフラグに相当すると思われます。

イベントグループの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xEventGroupCreate cre_flg
xEventGroupCreateStatic cre_flg
vEventGroupDelete del_flg

イベントグループの操作

FreeRTOS TOPPERS
xEventGroupWaitBits wai_flg/pwai_flg/twai_flg
xEventGroupSetBits set_flg
xEventGroupSetBitsFromISR iset_flg
xEventGroupClearBits clr_flg
xEventGroupClearBitsFromISR -
xEventGroupGetBits ref_flg
xEventGroupGetBitsFromISR -
xEventGroupSync -

ストリームバッファ

ストリームバッファはTA2LIBにも他のTOPPERSカーネルにも見当たりませんでした。
FreeRTOSでは注意書きがあり、他のタスク間通信オブジェクトと違い、1対1の送信を前提とした機能のようです。
特定の割り込みルーチンから特定のタスクへの送信や、ある特定のタスクから別の特定のタスクへの送信のみに利用できるようです。

ストリームバッファの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xStreamBufferCreate -
xStreamBufferCreateStatic -
vStreamBufferDelete -

ストリームバッファの操作

FreeRTOS TOPPERS
xStreamBufferReceive -
xStreamBufferReceiveFromISR -
xStreamBufferReset -
xStreamBufferSend -
xStreamBufferSendFromISR -
xStreamBufferSetTriggerLevel -
xStreamBufferSpacesAvailable -
xStreamBufferBytesAvailable -
xStreamBufferIsEmpty -
xStreamBufferIsFull -

メッセージバッファ

メッセージバッファはTA2LIBにはないが、TOPPERS/ASPの拡張パッケージにあるので表は埋めておきます。

メッセージバッファの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xMessageBufferCreate cre_mbf
xMessageBufferCreateStatic cre_mbf
vMessageBufferDelete del_mbf

メッセージバッファの操作

FreeRTOS TOPPERS
xMessageBufferSend snd_mbf/psnd_mbf/tsnd_mbf
xMessageBufferSendFromISR -
xMessageBufferReceive rcv_mbf/prcv_mbf/trcv_mbf
xMessageBufferReceiveFromISR -
xMessageBufferReset ini_mbf
xMessageBufferSpacesAvailable ref_mbf
xMessageBufferIsEmpty ref_mbf
xMessageBufferIsFull ref_mbf

ソフトウェアタイマー

FreeRTOSのソフトウェアタイマーは、TOPPERSの周期ハンドラとアラームハンドラに相当しそうです。
FreeRTOSのソフトウェアタイマー構築時に、uxAutoReload=pdTRUEとしたものが周期ハンドラで、uxAutoReload=pdFALSEとしたものがアラームハンドラと同等の機能になります。

FreeRTOSではソフトウェアタイマー用のタスクからハンドラーが呼ばれるようですが、TOPPERSでは非タスクコンテキストでハンドラーが呼ばれます。

ソフトウェアタイマーの生成と破棄

FreeRTOS TOPPERS
xTimerCreate cre_cyc/cre_alm
xTimerCreateStatic cre_cyc/cre_alm
xTimerDelete -

ソフトウェアタイマーの操作

FreeRTOS TOPPERS
xTimerIsTimerActive ref_cyc/ref_alm
xTimerStart sta_cyc/sta_alm
xTimerStartFromISR -/ista_alm
xTimerStop stp_cyc/stp_alm
xTimerStopFromISR -/istp_alm
xTimerChangePeriod (cre_cyc)/(cre_alm)
xTimerChangePeriodFromISR -
xTimerReset -/-
xTimerResetFromISR -/-
pvTimerGetTimerID -/-
vTimerSetTimerID -/-
xTimerGetTimerDaemonTaskHandle -/-
xTimerPendFunctionCall -/-
xTimerPendFunctionCallFromISR -/-
pcTimerGetName -/-
xTimerGetPeriod -/-
xTimerGetExpiryTime ref_cyc/ref_alm

まとめ

FreeRTOSの基本のAPIについて、TOPPERSでもおおむね提供されていた。FreeRTOSでは割り込みルーチンから呼べるAPIが多いようだった。
今後、動作検証も行いこの記事を更新し、もう少し詳しくし書いていこうと思います。

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