RTOS ফান্ডামেন্টাল — টাস্ক ও শিডিউলিং

১ · RTOS কী, এবং কেন দরকার

একটি RTOS হলো একটি ছোট, হালকা অপারেটিং সিস্টেম কার্নেল যা মাইক্রোকন্ট্রোলারে চলে এবং একাধিক স্বাধীন টাস্কTaskRTOS-এ একটি স্বাধীনভাবে শিডিউল হওয়া কাজের একক — নিজস্ব স্ট্যাক ও স্টেট সহ, সাধারণ OS-এর একটি থ্রেডের অনুরূপ। (একটি সাধারণ OS-এর "থ্রেড"-এর অনুরূপ, কিন্তু সাধারণত অনেক হালকা) সামলাতে পারে — প্রতিটি টাস্কের নিজস্ব স্ট্যাক ও স্টেট থাকে, আর RTOS শিডিউলার ঠিক করে কোন মুহূর্তে কোন টাস্ক CPU পাবে। বাস্তব RTOS-এর উদাহরণ — FreeRTOS ও Zephyr — দুটোই ওপেন-সোর্স, ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত, বাস্তব সিলিকনে চলে (এই কোর্সের সিমুলেশন তাদের আচরণ অনুকরণ করে, বাস্তব RTOS কার্নেল চালায় না)।

২ · প্রায়োরিটি-ভিত্তিক প্রি-এম্পটিভ শিডিউলিং

সবচেয়ে সাধারণ RTOS শিডিউলিং নীতি হলো ফিক্সড-প্রায়োরিটি প্রি-এম্পটিভ শিডিউলিং: প্রতিটি টাস্কের একটি প্রায়োরিটি থাকে, আর শিডিউলার নিয়মিত বিরতিতে (প্রতি "টিক"-এ) পরীক্ষা করে — সব রেডি (কার্যকর হওয়ার জন্য প্রস্তুত) টাস্কের মধ্যে সবচেয়ে বেশি প্রায়োরিটিরটি কে, আর সেটিকেই CPU দেয়। যদি চলমান একটি নিম্ন-প্রায়োরিটি টাস্কের মাঝপথেই একটি উচ্চ-প্রায়োরিটি টাস্ক রেডি হয়ে যায়, শিডিউলার তাৎক্ষণিকভাবে চলমান টাস্কটিকে প্রি-এম্পট করে উচ্চ-প্রায়োরিটিরটি চালায় — L27-এ ইন্টারাপ্টের ক্ষেত্রে যেমনটা দেখা গিয়েছিল, একই নীতি এখানে টাস্ক-লেভেলে প্রযোজ্য। সমান প্রায়োরিটির একাধিক টাস্ক রেডি থাকলে সাধারণত রাউন্ড-রবিন (পালাক্রমে, ন্যায্যভাবে) ভাগাভাগি করা হয়।

৩ · একটি সত্যিকারের শিডিউলার সিমুলেশন

নিচের কোডে পাঁচটি Task — প্রতিটির নাম, প্রায়োরিটি (১ = সর্বোচ্চ), রেডি হওয়ার টিক, ও কতটুকু কাজ বাকি (work_ticks) — এবং একটি শিডিউলার লুপ যা প্রতি টিকে সব রেডি টাস্কের মধ্যে সবচেয়ে বেশি প্রায়োরিটিরটি বেছে নেয় (সমান প্রায়োরিটিতে যেটা সবচেয়ে বেশিদিন ধরে অপেক্ষা করছে সেটিকে রাউন্ড-রবিন নিয়মে অগ্রাধিকার দিয়ে)। ট্রেসে লক্ষ করুন — Comm_Send (সর্বোচ্চ প্রায়োরিটি) মাঝপথে এসে চলমান Sensor_Read-কে সত্যিই প্রি-এম্পট করছে, আর Sensor_Read পরে আবার চালিয়ে গিয়ে সম্পন্ন হচ্ছে।

class Task:
    def __init__(self, name, priority, ready_tick, work_ticks):
        self.name = name
        self.priority = priority  # ১ = সর্বোচ্চ প্রায়োরিটি, সংখ্যা বাড়লে প্রায়োরিটি কমে
        self.ready_tick = ready_tick
        self.remaining = work_ticks
        self.last_run_tick = -1


tasks = [
    Task("Comm_Send",      priority=1, ready_tick=2, work_ticks=2),
    Task("Sensor_Read",    priority=2, ready_tick=0, work_ticks=4),
    Task("Logger_A",       priority=3, ready_tick=0, work_ticks=2),
    Task("Logger_B",       priority=3, ready_tick=0, work_ticks=2),
    Task("Display_Update", priority=4, ready_tick=0, work_ticks=4),
]

TOTAL_TICKS = 15
trace = []

for tick in range(TOTAL_TICKS):
    ready = [t for t in tasks if t.ready_tick <= tick and t.remaining > 0]
    if not ready:
        trace.append((tick, None))
        continue
    # প্রায়োরিটি অনুযায়ী সাজানো, সমান প্রায়োরিটিতে যে সবচেয়ে বেশিদিন অপেক্ষা করছে (round-robin) তাকে আগে
    ready.sort(key=lambda t: (t.priority, t.last_run_tick))
    chosen = ready[0]
    chosen.remaining -= 1
    chosen.last_run_tick = tick
    trace.append((tick, chosen.name))

prev = None
switches = 0
for tick, name in trace:
    if name is None:
        print(f"tick {tick:>2}: CPU আইডল (কোনো টাস্ক রেডি নয়)")
    else:
        marker = " <- কনটেক্সট সুইচ" if name != prev else ""
        if marker:
            switches += 1
        print(f"tick {tick:>2}: {name} রান করছে{marker}")
    prev = name

print(f"\nমোট কনটেক্সট সুইচ: {switches}")
print("\nপ্রতিটি টাস্কের চূড়ান্ত অবস্থা:")
for t in tasks:
    status = "সম্পন্ন" if t.remaining == 0 else f"অসম্পন্ন (বাকি {t.remaining} টিক)"
    print(f"  {t.name:<15} priority={t.priority}  শেষ রান tick={t.last_run_tick:>2}  -> {status}")