Операционная система на платформе Arduino

Этот проект представляет собой операционную систему для платформы Arduino, включающую планировщик задач, файловую систему в оперативной памяти, управление GPIO, системный таймер, логгер и системные вызовы. Система предназначена для микроконтроллеров AVR (например, Arduino Uno) и предоставляет базовые функции для многозадачности и управления ресурсами.

Структура проекта

Проект организован в несколько модулей, каждый из которых отвечает за определённую функциональность:

• driver/: Драйверы для работы с аппаратным обеспечением (GPIO, таймер).
• fs/: Файловая система в оперативной памяти и логгер.
• kernel/: Планировщик задач и ядро системы.
• syscalls/: Интерфейс системных вызовов для взаимодействия с ядром и файловой системой.
• system/: Мониторинг системных ресурсов (память, напряжение).
• main.cpp: Основной файл, инициализирующий систему и пример задач.

Зависимости

• Arduino.h: Библиотека Arduino для работы с аппаратным обеспечением.

Установка

1. Установите совместимую среду разработки.
2. Скопируйте файлы проекта в папку проекта Arduino.
3. Загрузите скетч на плату.

Использование

Система автоматически инициализируется при запуске. Основные функции:

• Планировщик задач: Управляет выполнением задач с заданным периодом и приоритетом.
• Файловая система: Хранит до 5 файлов (максимум 512 байт каждый) в оперативной памяти.
• Логгер: Записывает сообщения с временными метками в файл log.txt.
• GPIO: Управление пинами (ввод/вывод, PWM, прерывания).
• Таймер: Системный таймер с точностью 1 мс.
• Мониторинг: Отслеживание свободной памяти и напряжения питания.

Пример задач

• blinkTask: Переключает состояние светодиода на пине 13.
• counterTask: Увеличивает счётчик и сохраняет его в файл counter.txt.
• fsTask: Проверяет целостность файловой системы и читает конфигурацию.
• systemMonitorTask: Выводит статистику системы (задачи, файлы, память).
• ledStatusTask: Выводит значение счётчика в Serial.
• lcdTask: Обновляет информацию на LCD-дисплее (свободная память, счётчик).

Модули

gpio

• Описание: Управление пинами ввода-вывода Arduino.
• Функции:
  • Установка режима пина (GPIO_INPUT, GPIO_OUTPUT, GPIO_INPUT_PULLUP, GPIO_PWM).
  • Чтение/запись состояния пина.
  • Переключение состояния пина (toggle).
  • Управление PWM (0–255).
  • Подключение обработчиков прерываний.
• Ограничения: Поддерживаются пины 0–13. Прерывания доступны для пинов 2–13.

timer

• Описание: Системный таймер на базе Timer1 с частотой 1 кГц (1 мс).
• Функции:
  • Инициализация таймера (begin).
  • Получение текущего времени (millis).
  • Задержка с выполнением задач (delay).
  • Обновление счётчика времени (update).
• Ограничения: Использует прерывания Timer1, что может конфликтовать с другими библиотеками.

fs

• Описание: Файловая система в оперативной памяти.
• Функции:
  • Создание/чтение/запись/удаление текстовых и бинарных файлов.
  • Проверка существования файлов и их списка.
  • Валидация имени файла (макс. 16 символов) и размера (макс. 512 байт).
  • Поддержка до 5 файлов одновременно.
• Ограничения: Ограниченный объём памяти для хранения файлов.

logger

• Описание: Логгер для записи сообщений с временными метками.
• Функции:
  • Инициализация (begin) с созданием файла log.txt.
  • Запись сообщений в лог и Serial (log).
• Ограничения: Лог обрезается при превышении 1024 байт.

scheduler

• Описание: Планировщик задач с поддержкой приоритетов и семафоров.
• Функции:
  • Добавление/удаление задач.
  • Установка периода и приоритета задач.
  • Управление семафорами.
  • Аварийный дамп системы при сбоях.
  • Поддержка сторожевого таймера.
• Ограничения: Задачи выполняются кооперативно, без вытеснения.

syscalls

• Описание: Интерфейс системных вызовов для упрощения взаимодействия с ядром и ФС.
• Функции:
  • Создание/удаление задач.
  • Задержка выполнения.
  • Работа с файлами (чтение, запись, удаление, проверка существования).
  • Получение системной информации.
  • Управление семафорами.

monitor

• Описание: Мониторинг системных ресурсов (только для AVR).
• Функции:
  • Измерение свободной памяти (freeMemory, freeMemoryPercent).
  • Проверка критического уровня памяти.
  • Измерение напряжения питания (getVccVoltage).
  • Проверка низкого напряжения.

Ограничения и рекомендации

• Память: Система рассчитана на микроконтроллеры с ограниченной памятью (например, 2 КБ SRAM на Arduino Uno). Используйте SystemMonitor для контроля памяти.
• Сторожевой таймер: Включён с таймаутом 8 секунд. Отключайте при отладке, если необходимо.
• Конфликты: Timer1 используется системным таймером, что может конфликтовать с библиотеками, использующими тот же таймер.
• Файловая система: Хранит данные в SRAM, что ограничивает размер и количество файлов.

Отладка

• Логи выводятся в Serial и сохраняются в log.txt.
• Используйте systemMonitorTask для получения статистики системы.
• Аварийный дамп активируется при превышении времени выполнения задачи или таймауте Watchdog.