こんにちは！
組み込みエンジニアなら誰もが一度は夢見る「OS自作」を実現しました。
本記事では、ARMv7-Mアーキテクチャ（Cortex-Mコア）向けに教育目的でゼロから開発した最小限のリアルタイムOS (RTOS) である「tinyos-rtos」の設計思想と、その核となるタスクスケジューリングの仕組みを徹底解説します。

低レイヤーの仕組みを深く理解したい方、RTOSの仕組みをわずか数百行のコードで学びたい方は、ぜひ最後までご覧ください！

🌟 tinyos-rtos の特徴

特徴	説明
ターゲット	ARMv7-M (Cortex-M) 例: STM32, Kinetisなど
目的	RTOSの基礎（タスク管理、スケジューリング）を学ぶための教育用
実装言語	C言語と最小限のインラインアセンブラ
ライセンス	MIT License (自由に利用・改変可能)

🔗 GitHubリポジトリはこちら
https://github.com/cmc-labo/tinyos-rtos

🧠 RTOSの核！コンテキストスイッチの仕組み

RTOSの面白さは、複数のタスクが同時に動いているように見せかけるための「コンテキストスイッチ」にあります。

tinyos-rtosでは、このスイッチングにCortex-Mが提供する**例外ハンドラ（割り込み）**を利用しています。

1. PendSV割り込みとタスクスイッチ

タスク切り替えの要求は、ソフトウェアがトリガーできるPendSV (Pendable Service Call) 割り込みによって処理します。

タスクA 実行中に切り替えが必要になると（例: タイムアウト）、PendSVをペンディング（保留）します。
現在の処理が完了した後、PendSVハンドラが実行されます。

PendSVハンドラ内で行われるのが、以下の処理です。

古いコンテキスト（タスクAの状態）の保存
現在のスタックポインタ（SP）が指すメモリに、タスクAの実行に必要なレジスタの値（R4-R11 など）を保存します。
次タスクの決定
スケジューラが次に実行すべきタスク（例: タスクB）を決定します。
新しいコンテキスト（タスクBの状態）の復元
タスクBのスタックポインタから、保存されていたレジスタの値（R4-R11 など）をレジスタへ復元します。
タスクBへ制御を移行
例外ハンドラから復帰する際、スタックからPC（プログラムカウンタ）などが復元され、タスクBの実行が再開されます。

この一連の処理を数百行のCコードとアセンブラで実現している点が、このOSの最もエキサイティングな部分です。

📚 注目ポイント
最小限のコードでタスクスイッチを実現するため、アーキテクチャが自動的に保存するレジスタ（R0-R3, R12, LR, PC, PSR）を最大限活用し、手動で保存するレジスタ数を削減しています。

🛠️ tinyos-rtos のセットアップと実行

実際にこのOSがどのように動くかを確認してみましょう。

1. 必要なツール

GCC (ARM Embedded Toolchain)
CMake
ターゲットマイコン向けの環境（例: OpenOCDなど）

2. ビルドと実行 (例: XXXボード)

# GitHubからクローン
git clone [https://github.com/cmc-labo/tinyos-rtos.git](https://github.com/cmc-labo/tinyos-rtos.git)
cd tinyos-rtos

# ビルドディレクトリ作成とCMake実行
mkdir build && cd build
cmake ..
make

# バイナリの書き込みと実行
# (ご自身の環境に合わせてコマンドを記載。例: openocd -f ... -c "flash_write tinyos.elf")

3.デモコード解説 (Lチカの例)

main.c には、タスク切り替えが目で見てわかるように、異なる速度でLEDを点滅させるデモが含まれています。

// 💡 Task 1: 500ms周期でLEDを点滅
void task_led1(void *arg) {
    // ...
    while (1) {
        // LED点灯/消灯処理
        // os_delay(500); // 500ms待機 (ここでタスクスイッチが発生する)
    }
}

// 💡 Task 2: 250ms周期でLEDを点滅
void task_led2(void *arg) {
    // ...
    while (1) {
        // LED点灯/消灯処理
        // os_delay(250); // 250ms待機 (ここでもタスクスイッチが発生する)
    }
}

それぞれのタスクが独立して実行され、周期的にCPU時間を分け合っていることが確認できます。

今後の展望とコントリビュートのお願い

現在は最小限の機能に絞っていますが、今後は以下の機能を追加する予定です。

動的メモリ管理 (malloc/free) の追加
セマフォやミューテックスなど、より高度な同期プリミティブの実装
デバッグ機能の強化

この記事を読んで興味を持った方、低レイヤー開発が好きな方は、ぜひGitHubで Star を押したり、Issue や Pull Request で開発に参加していただけると嬉しいです！

🎉 自作OSの世界へようこそ！一緒に tinyos-rtos を育てていきましょう！