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Comunicación y Sincronización entre Tareas

Para garantizar un funcionamiento libre de condiciones de carrera (race conditions) y evitar cuellos de botella en la entrega de datos, el firmware de LAMULA DRx hace uso de tres mecanismos fundamentales de FreeRTOS: semáforos binarios, colas de mensajes y semáforos mutex.

Diagrama de Comunicación Inter-Proceso (IPC)

La siguiente figura muestra el flujo de datos y sincronización entre las rutinas de interrupción, las tareas productoras de datos y la tarea consumidora de transmisión TCP:

flowchart TB
    subgraph HARDWARE["Hardware & ISR"]
        DMA_IRQ["Interrupción AXI DMA S2MM<br/>(IRQ ID 61)"]
        ISR["ray_isr()<br/>(Manejador de Interrupción)"]
    end

    subgraph SYNC_IPC["Mecanismos IPC FreeRTOS"]
        SEM_RAY[("Semáforo Binario<br/>g_sem")]
        Q_FREE[("Cola FreeRTOS<br/>g_libres (Slots Vacíos)")]
        Q_READY[("Cola FreeRTOS<br/>g_listos (Slots Listos)")]
        MUTEX_TX[("Mutex FreeRTOS<br/>g_tx")]
    end

    subgraph TASKS["Tareas FreeRTOS"]
        TSK_RAY["drx_ray<br/>(Procesador de Rayos)"]
        TSK_STATUS["drx_status<br/>(Monitoreo BITE)"]
        TSK_TRANSPORT["drx_transport<br/>(Receptor TCP)"]
        TSK_TX["drx_tx<br/>(Emisor TCP)"]
    end

    subgraph NETWORK["Conexión de Red"]
        SOCKET["Socket TCP lwIP<br/>(Puerto 5000)"]
    end

    %% Hardware to ISR & Semaphore
    DMA_IRQ --> ISR
    ISR -- "xSemaphoreGiveFromISR()" --> SEM_RAY
    SEM_RAY -- "xSemaphoreTake()" --> TSK_RAY

    %% Ray Task to Slots
    TSK_RAY -- "1. Toma Slot Vacío" --> Q_FREE
    TSK_RAY -- "2. Formatea Rayo en Slot" --> TSK_RAY
    TSK_RAY -- "3. Encola Slot Listo" --> Q_READY

    %% Status Task to Slots
    TSK_STATUS -- "1. Toma Slot Vacío" --> Q_FREE
    TSK_STATUS -- "2. Formatea Status" --> TSK_STATUS
    TSK_STATUS -- "3. Encola Slot Listo" --> Q_READY

    %% TX Task Processing
    Q_READY -- "xQueueReceive()" --> TSK_TX
    TSK_TX -- "Toma Mutex" --> MUTEX_TX
    MUTEX_TX -- "lwip_send()" --> SOCKET
    TSK_TX -- "Libera Slot Vacío" --> Q_FREE
    TSK_TRANSPORT -- "Toma Mutex (Acks)" --> MUTEX_TX

Mecanismos IPC en Detalle

1. Semáforo Binario ISR → Tarea (g_sem)

  • Archivo: fw/src/app/drx_ray.c.
  • Creación: g_sem = xSemaphoreCreateBinary();.
  • Propósito: Desconectar la rutina de interrupción del procesamiento pesado de datos.
  • Operación:
  • La ISR ray_isr() ejecuta xSemaphoreGiveFromISR(g_sem, &woken) en cuanto el DMA completa un rayo en DDR.
  • La tarea drx_ray permanece bloqueada en xSemaphoreTake(g_sem, portMAX_DELAY) y despierta inmediatamente sin consumir ciclos de CPU en espera activa (polling).

2. Piscina de Slots y Colas de Estado (g_libres y g_listos)

  • Archivo: fw/src/app/drx_transport.c.
  • Definiciones: DRX_TX_SLOTS define la cantidad de buffers de transmisión asíncrona.
  • Creación: 
    g_libres = xQueueCreate(DRX_TX_SLOTS, sizeof(uint8_t));
g_listos = xQueueCreate(DRX_TX_SLOTS, sizeof(uint8_t));
  • Mecanismo de Trabajo:
  • Al arrancar, todos los índices de slot (0 .. DRX_TX_SLOTS-1) se envían a la cola g_libres.
  • Cuando drx_ray o drx_status necesitan emitir una trama, extraen un índice de slot libre con xQueueReceive(g_libres, &slot, 0).
  • Formatean el paquete C en el buffer asignado al slot.
  • Envían el índice del slot formateado a g_listos con xQueueSend(g_listos, &slot, 0).
  • La tarea drx_tx extrae el índice de g_listos, transmite los bytes por el socket TCP y finalmente regresa el índice a g_libres.

Gestión ante desbordamiento de cola

Si el enlace Ethernet es demasiado lento o el cliente TCP no consume datos, la cola g_libres se vaciará. En este caso, xQueueReceive(g_libres, &slot, 0) devuelve pdFALSE, indicando que no hay slots disponibles. La tarea de rayos incrementa el contador sink_drops y descarta el rayo en lugar de bloquear el datapath del radar.

3. Mutex de Protección del Socket TCP (g_tx)

  • Archivo: fw/src/app/drx_transport.c.
  • Creación: g_tx = xSemaphoreCreateMutex();.
  • Propósito: Garantizar exclusión mutua durante el uso del descriptor del socket TCP de lwIP.
  • Operación: Tanto la tarea drx_tx (al enviar rayos y tramas status) como la tarea drx_transport (al enviar respuestas de comandos de control) toman el mutex g_tx con xSemaphoreTake(g_tx, portMAX_DELAY) antes de invocar lwip_send() y lo liberan inmediatamente después con xSemaphoreGive(g_tx).

Admoniciones sobre Trampas de Sincronización en RTOS

Trampa: Invocación de API de FreeRTOS dentro de ISRs

En FreeRTOS, nunca debes llamar a funciones estándar como xSemaphoreGive() o xQueueSend() desde el contexto de una rutina de interrupción. Se deben utilizar exclusivamente las versiones seguras para ISR (xSemaphoreGiveFromISR(), xQueueSendFromISR()) pasándole el puntero pxHigherPriorityTaskWoken e invocando a portYIELD_FROM_ISR() al finalizar.

Trampa: Reentrada y contención en llamadas a lwIP

La pila lwIP en modo sockets permite operaciones concurrentes solo si cada sentido de transmisión (lectura vs escritura) está protegido. Omitir el mutex g_tx provocará la corrupción de los buffers de salida de lwIP o crashes intermitentes en la memoria del kernel de FreeRTOS.