リアルタイムOS入門 高速で確実な連続割り込み

インターネット通信もセンサ計測も並行処理！マルチタスクIoTを作る

割り込みの基本と高速な連続処理

セマフォは，リアルタイムOSにおいて重要な同期機構の1つです．主に2種類のセマフォがあります．バイナリ・セマフォとカウンティング・セマフォです．

バイナリ・セマフォは0か1の値をもち，単純なイベント通知や排他制御に使用されます．一方，カウンティング・セマフォは複数の値を取ることができ，リソースの数を管理したり，複数のイベントを追跡したりするのに適しています．

セマフォの基本操作には，Take（P操作，待機）とGive（V操作，解放）があります． Takeはセマフォの値を減少させ，リソースを獲得しようとします．Giveはセマフォの値を増加させ，リソースを解放します．これらの操作により，タスク間の同期や排他制御を実現できます．

高速連続割り込みとカウンティング・セマフォの重要性

バイナリ・セマフォでは，割り込み処理内でのGive操作がTake操作に先行した場合，Take操作が実行される前に新しいGive操作が無視されることがあります．特に割り込みが頻繁に発生し，セマフォのGive操作が連続して行われると，一部のGive操作が無視される可能性があります．

カウンティング・セマフォは，この問題を解決するために使用されます．カウンティング・セマフォは，複数の値を保持できるため，連続した割り込みイベントを正確に追跡できます．各Giveは操作はセマフォの値を増加させ，各Take操作は値を減少させます．これにより，高速で連続的な割り込みが発生しても，イベントの抜けを防ぐことができます．

セマフォの実装と使用方法

リアルタイムOSでは，セマフォを生成し，Take，Giveするための関数が提供されています．$xSemaphoreCreateBinary（）$でバイナリ・セマフォを，$xSemaphoreCreateCounting（）$でカウンティング・セマフォを生成できます．$xSemaphoreTake（）$と$xSemaphoreGive（）$関数を使用して，セマフォの操作を行います．

割り込み処理内からセマフォを操作する場合は，特別な関数（$xSemaphoreGiveFromISR（）$など）を使う必要があります．これは，割り込みコンテキストでの特別な処理が必要なためです．

セマフォを適切に使用することで，タスク間の同期，排他制御，そして高速な連続割り込みの管理が可能になり，リアルタイムシステムの信頼性と効率性を向上させることができます．

割り込み処理の基礎

割り込み処理は，リアルタイム・システムにおいて極めて重要な概念です．割り込みとは，現在実行中のタスクを一時停止させ，優先度の高い処理を即座に実行するメカニズムです．

割り込みには主に2種類あります．

1. ハードウェア割り込み
   外部デバイスやタイマなど，CPU外部からの信号によって発生する割り込みです．
2. ソフトウェア割り込み
   CPU内部で発生する割り込みで，システム・コールやゼロ除算などによって引き起こされます．

割り込み処理の流れは次のとおりです．

1. 割り込み要求（IRQ）がCPUに通知されます
2. CPUは現在の処理を中断し，割り込みベクタテーブルを参照します
3. 対応する割り込みハンドラが呼び出されます
4. 割り込み処理が完了すると，中断されていた処理に戻ります

割り込み処理は，リアルタイム・システムの応答性を確保する上で非常に重要です．例えば，緊急停止ボタンの押下や，センサからの異常値検出など，即座に対応が必要なイベントを処理するために使用されます．

割り込み処理には注意点もあります．割り込みハンドラは通常，短時間で完了する必要があります．長時間の処理を行うと，ほかの重要な割り込みの処理が遅れる可能性があります．また，割り込みハンドラ内でのリソース競合を避けるため，適切な同期機構（セマフォなど）を使用する必要があります．

割り込み処理とセマフォを適切に組み合わせることで，高速で連続的なイベントにも対応できる堅牢なリアルタイム・システムを構築できます．これにより，さまざまな分野（車載システム，産業機器，家電製品など）で，高い信頼性と応答性をもつシステムの実現が可能になります．〈著：ZEPマガジン〉

マルチタスク処理とは

マルチタスク処理とは，複数のタスクを同時に実行するように見せる技術のことです．リアルタイムOS（RTOS）などでは，タスクの優先順位やタイミングを制御することで，効率的かつスムーズな並行処理を実現します．この仕組みを用いることで，システムのリソースを最大限に活用でき，特に組み込みシステムやリアルタイム制御が求められる環境で重要な役割を果たします．

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著者紹介

• 1971年　東北大学　工学部卒　大手通信機メーカにて制御機器開発に従事
• 1996年　ホームページ「電子工作の実験室」を開設
• 2003年　有限会社マイクロチップ・デザインラボ設立　代表取締役 計測制御システムコンサルタント，書籍執筆　セミナ講師
• 2012年　神奈川工科大学　工学部　客員教授

著書

1. ［VOD/KIT/Book/data］ラズパイPico W×ChatGPT APIで学ぶ 会話型IoTエッジ開発，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］PICマイコン オールイン1日学習キット ，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］PICマイコン オールイン1日学習キット ，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Node-REDで作ろう！IoTアプリ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. 電子工作のための PIC16F1ファミリ活用ガイドブック，技術評論社．

参考文献

1. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］M5Stack Core2付き！ESP32で学ぶPython＆Arduinoプログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］STM32マイコン＆Wi-Fiモジュールで学ぶ C/C++プログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］M5Stackで一緒に作ろう！IoTセンシング・エッジ×クラウド連携システム開発［改訂版］，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］実習キットでできる！ラズパイPicoでマイコン入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御【改訂版】，ZEPエンジニアリング株式会社．