ナノRK

Nano-RKはカーネギーメロン大学のワイヤレスセンサーネットワーキング リアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）^{[1] [2]}であり、センサーネットワークで使用するためにマイクロコントローラ上で動作するように設計されています。Nano-RKは、リアルタイムタスクセットをサポートするために、きめ細かいタイミングプリミティブを備えた固定優先度の完全プリエンプティブスケジューラをサポートしています。「Nano」は、2KBのランダムアクセスメモリ（RAM）と18KBのフラッシュメモリを使用するRTOSが小さいことを意味し、RKはリソースカーネルの略です。リソースカーネルは、システムリソースを使用できる頻度の予約を提供します。たとえば、タスクは150ミリ秒ごとに10ミリ秒しか実行できないようにしたり（CPU予約）、ノードは1分間に10個のネットワークパケットしか送信できないようにしたりできます（ネットワーク予約）。これらの予約は仮想エネルギー予算を形成し、ノードが設計されたバッテリ寿命を満たすようにし、障害が発生したノードが過剰なネットワークトラフィックを生成するのを防ぎます。 Nano-RKはオープンソースソフトウェアであり、C言語で書かれており、 AtmelベースのFireFlyセンサーネットワークプラットフォーム、MicaZモート、およびMSP430プロセッサ上で動作します。^[3]

センサーネットワークでRTOSを使用する場合、トレードオフが発生します。^[4]

NanoRK は、優先度ベースのプリエンプティブ スケジューリングを利用して、決定論的であるというリアルタイム要素を尊重し、タスクの適時性と同期を確保します。ワイヤレス ノードのバッテリー電力が限られているという特性上、Nano-RK は仮想エネルギー予約を使用して中央処理装置(CPU)、ネットワーク、およびセンサーの効率性を提供し、このシステムをリソース カーネルと呼んでいます。これらのエネルギー予約により、エネルギーと通信の予算を強制して、ネットワーク内の他のノードによる意図しないエラーや悪意のある動作によるノードの動作寿命への悪影響を最小限に抑えることができます。軽量のワイヤレス ネットワーク スタックの助けを借りて、パケット転送、ルーティング、およびその他のネットワーク スケジューリング プロトコルをサポートします。他の現在のセンサー オペレーティング システムと比較して、Nano-RK は、組み込みのリソース カーネル (RK) のサイズが小さく、豊富な機能と適時性スケジューリングを提供します。^[5]

静的構成– Nano-RK は、エネルギー使用制御に静的な設計時アプローチを使用し、動的なタスク作成を許可しないため、アプリケーション開発者は静的テストベッド設計でタスクと予約の割り当て/優先順位の両方を設定する必要があります。この設計により、各タスクのエネルギー予算を作成し、システムの寿命全体にわたってアプリケーション要件とエネルギー効率を維持できます。静的構成アプローチを使用すると、すべてのランタイム構成と電力要件は、システムが実際に展開されて実行される前に、設計者によって事前に定義および検証されます。このアプローチは、従来の RTOS と比較して安定性と小型サイズの特性を保証するのにも役立ちます。

ウォッチドッグ タイマーのサポート– ウォッチドッグは、システムが重大な障害で長時間停止した場合にシステム リセット アクションをトリガーするソフトウェア タイマーです。ウォッチドッグ メカニズムは、タイマーが切れるまで待機し、その後デバイスを再起動することで、システムを無応答状態から通常動作に戻すことができます。Nano-RK では、ウォッチドッグ タイマーはプロセッサのリセット信号 REBOOT ON ERROR に直接結び付けられています。デフォルトでは、システムの起動時に有効になり、スケジューラが実行されるたびにリセットされます。システムが定義済みの時間内に応答しない場合、システムは再起動し、初期化命令シーケンスを実行して制御を取り戻そうとします。

ディープ スリープ モード– エネルギー効率の理由から、実行可能なタスクがない場合、システムの電源をオフにして、ディープ スリープ モードに入るオプションが提供されます。システムがこのモードの場合、ディープ スリープ タイマーのみが、事前定義された遅延期間でシステムを起動できます。スリープ モードから起動した後、次のコンテキスト スワップ時間が設定され、CPU が時間内に起動することが保証されます。センサー ノードがディープ スリープを実行したくない場合は、周辺機器の管理を継続しながら低エネルギー使用状態に入るオプションも提供されます。

Nano-RK は、レディ キューと呼ばれる固定サイズの配列内にレディ キュー ノードの二重リンク リストを実装しており、すべてのレディ タスクをタスクの優先度が高い順に降順で並べます。Nano-RK 実装内で実行されるタスクの数は、展開前にテストベッドで静的に構成されるため、レディ キューのサイズも実行準備が可能なタスクの数に固定されます。nrk readyQ という固定長配列は、nrk defs.h ファイル内にあり、この配列内の最も重要な 2 つのセルを参照する 2 つのポインターと共に存在します。空きノード ポインター (空きノード) とヘッド ノード ポインター (ヘッド ノード) は、それぞれ、割り当てられる配列内の次セルと、実行準備が整っている現在最も優先度が高いタスクを指します。

Nano-RK のコアは、優先度ベースでエネルギー効率に優れた静的プリエンプティブ リアルタイム スケジューラです。優先度ベースのプリエンプティブ スケジューリングでは、スケジューラは常に準備完了キューから最も優先度の高いタスクを選択します。エネルギーを節約するため、タスクはリソースをポーリングせず、特定のイベントでブロックされ、イベントが発生したときにロック解除されます。準備完了キューにタスクがない場合、システムの電源を切ってエネルギーを節約できます。システムが動作しているときは、nrk cur task tcb で示される 1 つのタスク (現在のタスク) のみが、定義済みの期間実行されます。したがって、スケジューラの最も重要な仕事は、次に実行するタスクと、スケジューラが再度実行されるようにトリガーされるまで次のタスクをどのくらいの時間実行するかを決定することです。

• 公式サイト