FreeRTOSで開発する
高効率・高安定マルチタスク・マイコン・システム

プリエンプティブ・マルチタスクで優先順位管理＆停滞回避

RTOSとは，リアルタイム・オペレーティング・システム（Rear Time Operating System）の略です．タスクの実行をリアルタイムにスケジューリングする機能を持ち，特定の時間内にタスクを完了させることが求められるアプリケーションに利用します．

中でも“FreeRTOS”は，小型で軽量な設計を特徴としており，メモリやリソースの制約があるマイクロコントローラ（MCU）や組み込みデバイスに適しています．STM32，ESP32，Arduinoなど，幅広くマイコンに利用されています．

次の特徴があります．

円滑なマルチタスク処理を実現するために「プリエンティブ・マルチタスク」という機能が欠かせません．これは，各タスクに一定の実行時間を割り当て，時間が来たら別のタスクに強制的に切り替えるものです．タスクA，B，Cがある場合，時間が経つとAからB，次にCへと順番に切り替えます．

あるタスクが他のタスクの実行を長く待たせることがなくなり，システムがスムーズに動きます．さらに，重要なタスクには優先的に多くの時間を割り当てることができ，リアルタイム性が必要な処理にも対応できる仕組みです．

システムの効率性，応答性，安定性を向上させる重要な技術であり，多くのRTOSが採用しています．

図1に示すのは，通常のRTOSのタスク・スケジューリングとタスクの状態遷移です．


図1　一般的なリアルタイムOSのタスク状態遷移とスケジューリング

システムが起動すると，各タスクは実行待機状態（レディ）になり，いくつかあるタスクの中から，優先順位の高いタスクから先に処理されます．レベルが同じなら，順番どおりにタスクが処理されます．

もしタスクが「I/O待ち」または「時間待ち」になったら「待ち」状態とし，順番を待っていた次のタスクを実行します．待ち状態となったタスクは「I/O処理終了」や「待ち時間終了」などのイベントがあったときに，再度レディー状態となって実行待ちの順番の中に登録されます．

この「イベント待ち」をタスク切り替えの条件にする方法は，長い実行時間を占有するタスクがあったときに，ほかのタスクの実行が停滞します．優先順位の高いタスクばかりが実行されて，ほかのタスクが処理されなくなります．

FreeRTOSは，この課題を回避できる「プリエンプティブ・マルチタスク」という機能を備えています．

これは，特定のタスクに対して一定の実行時間を割り当て，その時間が経過したら，強制的に別のタスクに実行権を移す機能です．

図2にそのようすを示します．常時，一定間隔でタスク・スイッチングが行われます．


図2　FreeRTOSが備えるプリエンプティブ・マルチタスク機能の動作

A，B，C，Dの複数のタスクがある場合．Tickというシステム・タイマの割り込みでタスクが強制的に切り替えられて実行されます．

タスクの優先レベルが同じなら，A→B→C→D→A→B→C→D という順で，タスクが切り替わります．

Tickの割り込みで切り替えが起きますから，タスク実行は無条件で途中で中止され，次の順番が来るまで待たされます．

ほかの外部からの割り込みが入って別の高優先のタスクEがアクティブにされると，このタスクが先に実行され，Tick割り込みが入っても高い優先順位のタスクEが先に実行されます．このタスクEが終了すると，また元の順繰りに実行される状態に戻ります．

プリエンプティブ・マルチタスクのメリットを次にまとめました．