RTOSのCPUオーバーヘッド

著者 ： Jean J. Labrosse氏、RTOSのエキスパート

RTOSは必要な処理を実行するためにCPUサイクルを消費します。割込みなどのイベントが発生すると、RTOSのスケジューラが呼び出され、そのイベントを待っている優先度のyより高いタスクがないか調べます。もしあれば、RTOSは、その優先タスクへコンテキストスイッチを行います。コンテキストスイッチでは、プリエンプトされたタスク（優先度の低いタスクなど）を後で再開するのに十分なCPUレジスタを保存し、新しいタスクのCPUレジスタを復元するのに十分なCPUレジスタを保存します。消費されるCPUサイクル数はCPUアーキテクチャによって異なります。CPUに浮動小数点演算装置（FPU）が搭載されている場合、タスクがFPUを利用するかどうかに応じて、FPUのレジスタの保存／復元が必要となる場合があります。もしCPUに何らかのハードウェアメモリ保護機能として、メモリ管理ユニット（MMU）やメモリ保護ユニット（MPU）がある場合、コンテキストスイッチには、それらのレジスタ分のサイクルも必要となります。

たとえば、FPUとMPUの両方を搭載したCortex-MでRTOSを実行した場合、コンテキストスイッチのオーバーヘッドは、おおよそ以下のようになります。

• スケジューラ：200クロックサイクル
• 整数レジスタの保存／復元：80クロックサイクル
• FPUレジスタの保存／復元：80クロックサイクル
• 新しいタスク用にMPUを設定：60クロックサイクル

この場合、合計420クロックサイクル（ウェイトステートはゼロと仮定）となり、CPUが100MHzで動作すると、システムはコンテキストスイッチの実行に4マイクロ秒強を必要とします。別の言い方をすれば、アプリケーションでRTOSスイッチタスクを毎秒5000回行うと、オーバーヘッドは2％となります。尚、このオーバーヘッドには、次に実行するタスクの決定、タスクを交代するためのレジスタ保存、新しいタスクのレジスタ復元以外は含まれていません。

CPUサイクルは、イベント発生の通知やタスクへのメッセージ送信、タスク実行の遅延など、どのようなRTOSサービスが起動されても消費されます。オーバーヘッドは、処理されるサービスごとに変わります。

通常、RTOSはイベント駆動型です。すなわち、タスクは、待っていたイベントが発生した場合にのみ処理を行います。アプリケーションの全てのタスクがイベントの処理を終えると、RTOSはCPUやMCUの低消費電力モードに容易に移行できるため、エネルギーの節約につながります。これは、バッテリ電源のアプリケーションにとって理想的です。

RTOSを採用する場合、控えめに見積もっても、使用するCPUのクロックサイクルの10%～30%がRTOSのサービスに割り当てられます。言い換えると、CPUの採用計画では、最初の案よりも11%～43%高速なCPUが必要です。

否定的に聞こえるかもしれませんが、RTOSを使用することには大きなメリットがありますが、欠点もあることは認識が必要です。