FreeRTOS – Ein Echtzeitbetriebssystem in Theorie und Praxis

Dieser 3-tägige Kurs veranschaulicht die Konzepte eines Echtzeitbetriebssystems. FreeRTOS wird als Beispiel verwendet. Der Kurs ist so konzipiert, dass Sie schnell auf den neuesten Stand gebracht werden. Die Konzepte und Befehle, die für eine effektive Nutzung von FreeRTOS notwendig sind, werden durch eine Kombination aus Theorie und praktischen Beispielen beschrieben. Erfinden Sie das Rad nicht neu, sondern lernen Sie von einem erfahrenen Trainer und nehmen Sie ein funktionierendes Wissen über FreeRTOS und die Fähigkeit, es in Ihrem eigenen Embedded-Entwicklungsprojekt effektiv einzusetzen, mit nach Hause.

• je nach Host
  • Grundlegende Kenntnisse im Umgang mit einem GNU/Linux-System als Endnutzer
  • (Der Kursleiter wird Ubuntu als Host-System verwenden.)
• Grundkenntnisse in der Programmierung mit C

Personen, die sich für die Entwicklung ressourcenbeschränkter Echtzeitsysteme interessieren oder damit betraut sind, wie Softwareentwickler, Außendiensttechniker, (Projekt-)Manager…

Tag 1

Einführung

• Einführung | Lizenzvergabe | FreeRTOS-Lizenzierung | Echtzeit-Intro (Zeit/Utility Funktionen | Was ist Echtzeit? | Determinismus | Was ist harte Echtzeit?) | RTOS vs. Linux | IDE/Board

Aufgabenverwaltung

• Einführung (Was ist ein task? | Task Erstellung)
  • Example01: grobe Schleife
  • Example02: task Parameter
  • Example03: task Prioritäten (starvation)
  • Example04: vTaskDelay() (idle task)
  • Example05: vTaskDelayUntil()
  • Example06: „kontinuierliche Verarbeitung“ und vTaskDelayUntil()
  • Example07: idle hook
  • Example08: mit Prioritäten spielen
  • Example09: task löschen
• Scheduling (Was ist ein Betriebssystem? | Was ist ein task? | Was ist ein scheduler?)
• Schedulers (Schleife | cyclic executives | Einschränkungen von⁣ cyclic executives | manual preemption | mit Unterbrechungen | nicht/präemptiv | priorisiert, präemptiv⁣ | rate monotonic | deadline | cooperative | hybrid)

Verwaltung von Warteschlangen

• Einführung (Was ist eine Warteschlange? | Warteschlange als Datentyp) | Queue Management (Datenspeicherung) | Zugriff durch mehrere tasks | Blockierung beim Lesen/Schreiben | Inter Task Kommunikation | Beispiel Queue Access)
  • Example10: Warteschlange für Senden/Empfangen (Client-Server-Modell)
  • Example11: Warteschlangen/idle task
• Arbeiten mit großen Daten | Generische Nachrichtenübermittlung (Indirekt/Direkt Synchron/Asynchron)

Tag 2

Interrupt Verwaltung

• Intro (Interrupt vs. Polling | Wie kann ein Interrupt arbeiten? | Hardware/Software Interrupts | Was wäre, wenn zwei interrupts zur gleichen Zeit ankommen? | Programmabschnitte | Was ist ablaufinvarianter Code? | Was ist ein event? | Welche Art von "Ereignissen" kennen Sie?)
• Einführung in die Gleichzeitigkeit
  • Semaphoren Intro (Gegenseitiger Ausschluss) | Synchronisierung) | Mutex vs. Synchronisation | Semaphore-Typen (Signal/Wait Muster | Binäres Semaphor | FreeRTOS Binäre Semaphore | Zählendes Semaphor)
• Events Intro | Interrupt Handler | Interrupt Bearbeitung (aufgeschoben) | Synchronisieren einer Task mit einer "Unterbrechung"
  • Example12: verzögerte ISR + Binärsemaphor (Binärsemaphor-API)
  • Example13: verzögerte ISR + Zählsemaphor (Binärsemaphor vs. Zählsemaphor – Ereignisse werden zwischengespeichert) | Zählende Semaphore API)
  • Example14: Aufgeschobene ISR + Warteschlangen (Warteschlangen und ISRs – API, | ⁣Ineffiziente Nutzung der Warteschlange, | Effizientere Nutzung der Warteschlange)
• Interrupt nesting (NVIC Kortex M3 | LPX17xx NVIC | CMSIS | FreeRTOS und interrupt nesting | Prioritäten)

Ressourcenmanagement

• Intro (Gleichzeitigkeit | kritische Regionen/Abschnitte | atomar | race condition | Thread safety | die einzelne Variable | Verriegelung | Arten/Ursachen der Gleichzeitigkeit | Was muss geschützt werden und was nicht? | Deadlock | Reihenfolge der Locks | Contention)
• Ressourcenverwaltung (Möglicher Konflikt – gleichzeitiger Zugriff auf Objekte) | Lesen/Ändern/Schreiben | nicht-atomarer Zugriff | reentrancy | Schutz gemeinsamer Ressourcen)
• Schutz kritischer Bereiche/Abschnitte (Deaktivieren/Aktivieren von Interrupts) | Aussetzung/Sperrung des Schedulers | Mutex)
  • Example15: Mutex (Mutex-API)
• Prioritätsumkehrung (Unbegrenzt/Bounded | Quellen für unbegrenzte Prioritätsumkehrung | Lösungen? | Prioritätsumkehrung und FreeRTOS) | Deadlock (Bedingungen für Deadlock | Prävention) | Gate-keeper Tasks
  • Example16: Gate-keeper (vApplicationIdleHook() vs. Priorität 0)
• Mutex vs. Semaphore (Ownership/Recursive Mutex) | Geschichte

Speicherverwaltung

• Speicherarten | Fragmentierung | Memory exhaustion | Speicherzuweisungsmuster (fest/statisch) | Variabel/Dynamisch | Stapelzuweisung, Scratch-Pad | Speicherpool) | FreeRTOS Statische Zuweisung | Dynamische Speicherzuweisung in FreeRTOS: FreeRTOS-Heap | (Warum nicht malloc()/free() | Portierung der Speicherverwaltung heap_1/3/3/4/5.c) | xPortGetFreeHeapSize()

Tag 3

Störungsbeseitigung

• Intro (Was ist ein Fehler/Debugging | Arten von bugs | Fehlerbehebungsstrategie) | Fehlervermeidung (Coding Wars) | Produktive Arbeitsumgebung | Build Environment | Wiederverwendung) | Spelunking (find(1), grep(1), cscope(1), global(1), ...) | Modellierung/Abstraktion | Prototypen | Schulung | Anforderungen/Architektur/Entwurf (Design for Test) | Firmware Standard | Code Review) | Fehlersuche (GNU-Toolchain)
• Fehlersuche durch Anhalten (Simulator | JTAG-Fehlersuche | RTOS-fähiger Debugger)
  • Example17: Queue Table
• Fehlersuche im laufenden System (Hardware-Ausnahmen) | Stack)
  • Example18: vApplicationStackOverflowHook()/uxTaskGetStackHighWaterMark()
  • Example19: FreeRTOS-Heap MallocFailedHook()
  • Example20: FreeRTOS task Statistik
  • Example21: FreeRTOS-Laufzeitstatistiken
• Profilierung (gprof | gcov) | Andere Methoden (Hardware-Trace | Softwaregesteuerte LEDs | Oszilloskop | Logik-Analysator | 7-Segment-Anzeige | Zeichenbasiertes LCD | Grafisches Display) | FreeRTOS Trace hook macros
  • Example22: FreeRTOS-Trace-Hook-Makros 1
  • Example23: FreeRTOS-Trace-Hook-Makros 2
• FreeRTOS: Häufige Fehlerquellen

FreeRTOS-MPU

• Einführung (Speicherverwaltung) | Prozessor-Modi) | FreeRTOS MPU (LPC17xx MPU | Zugriffsberechtigungen | FreeRTOS-MPU-API | vom privilegierten zum Benutzermodus | Linker-Konfiguration | Praktische Tipps für die Verwendung | unter task Kommunikation)
  • Example24: FreeRTOS MPU (Wo ist der Absturz aufgetreten?)

Ampelsteuerung

• Ampelsteuerung – Wende das bisher Gelernte an
  • Example40: Ampelsteuerung (kompilieren und ausführen) | Heartbeat-Task, | FSM-Aufgabe, | Benutzereingabe-Wert, | Fußgänger)

• "FreeRTOS in Theorie und Praxis (3 Tage)"
  • https://rlbl.me/freertos-r-de-pdf

• "Embedded Linux - Von der Systemarchitektur bis zur Echtzeit (5 Tage)"
  • https://rlbl.me/elisa-de-pdf
• "Auffrischung zu Embedded Linux & Einführung in das Yocto Projekt (5 Tage)"
  • https://rlbl.me/intely-r-de-pdf
• "Embedded Linux Kernel Interna und Gerätetreiber (5 Tage)"
  • https://rlbl.me/ldd-de-pdf
• "Das Yocto-Projekt - Ein gründlicher Überblick (4 Tage)"
  • https://rlbl.me/yocto-r-de-pdf
• "Einführung in Embedded Linux & Real-Time, Vogelperspektive des Yocto-Projekts (4 Tage)"
  • https://rlbl.me/entirety-de-pdf
• "Einführung in Embedded Linux in Theorie und Praxis - ein Crashkurs (3 Tage)"
  • https://rlbl.me/elin-de-pdf
• "(Embedded) Linux-Fehlerbehebung (3 Tage)"
  • https://rlbl.me/lindeb-r-de-pdf