タスク / スレッド

概要

タスク（Task）またはスレッド（Thread）は、CPUが独立して実行できる処理の最小単位です。複数のタスクがスケジューラによって管理され、時分割または優先度ベースで実行されることで、一つのCPUコアが複数の処理を「並行して」動かしているように見えます。

組み込み分野では、RTOSの文脈でよく「タスク」と呼ばれます。LinuxなどのOS文脈では「スレッド」や「プロセス」が使われますが、組み込みRTOSでは保護メモリ空間を持たないことが多く、全タスクが同一のアドレス空間を共有します。

各タスクは独自のスタック（ローカル変数・関数呼び出し履歴の格納域）、プログラムカウンタ（現在の実行位置）、レジスタの値を持ちます。タスクが切り替わるとき、これらの情報が保存・復元されます（コンテキストスイッチ）。

タスク設計は組み込みシステムの応答性・安定性に直結します。各タスクの役割を明確に分離し、優先度を適切に設定することがリアルタイム性確保の基本です。

歴史・背景

マルチタスクという概念はメインフレーム時代（1960年代）に生まれましたが、組み込みシステムへの応用は1980年代以降です。リソース制約の厳しいマイコンでは、シングルタスクのスーパーループ（無限ループで各処理を順次実行）が長らく主流でした。

1980年代にVxWorks（Wind River社）やpSOS（Software Components社）などの商用RTOSが登場し、優先度ベースのマルチタスク機能を組み込み分野にもたらしました。

1993年に策定されたTOPPERS/ITRON（日本発のRTOS仕様）は国産家電・自動車電子機器への普及に貢献。同年のPOSIX.1b（リアルタイム拡張）ではスレッドAPI（pthreads）が標準化されました。

2000年代以降はFreeRTOS（2003年）がオープンソースで公開され、コスト・ライセンス面から急速に普及。2017年にAmazonがFreeRTOSを取得しAWS IoTとの統合を進め、現在はIoT組み込みの事実上の標準となっています。

技術仕様

タスクの状態遷移

RTOSのタスクは以下の状態を遷移します。

         +-----------+
   作成   |  Ready    |  スケジューラが選択
  ------->| (実行可能) |---------------+
         +-----------+                |
               ^                     v
               |               +-----------+
               |               |  Running  |
               |               |（実行中）   |
               |               +-----------+
               |                     |
         +-----------+          [ブロック条件]
         |  Blocked  |<---------（待機・スリープ）
         |（待機中）  |
         +-----------+
               |  [条件成立：キュー受信・タイムアウト]
               +----> Ready へ

※Suspended（一時停止）状態を持つRTOSもある

FreeRTOSでのタスク仕様

項目	詳細
優先度	0（最低）〜`configMAX_PRIORITIES-1`（最高）
スタックサイズ	ワード単位で指定（例：512ワード = 2048バイト on 32bit）
スタック割り当て	静的（`xTaskCreateStatic`）または動的（`xTaskCreate`）
タスク識別子	`TaskHandle_t`
スケジューリング	優先度ベース・プリエンプティブ（デフォルト）

スタックサイズの設計

タスクのスタックサイズが不足するとスタックオーバーフローが発生し、メモリ破壊や不正動作を引き起こします。

スタックサイズの決定に影響する要因：

ローカル変数のサイズ（配列・大きな構造体に注意）
関数呼び出しの深さ（再帰は特に危険）
ISRからの通知による追加スタック
printf()等のライブラリ関数の内部スタック使用量（数百バイト）

FreeRTOSではuxTaskGetStackHighWaterMark()でスタックの使用済みピーク値を確認できます。

/* スタック使用量の確認 */
UBaseType_t remaining = uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL);
/* remaining ワードが残り空き容量。小さすぎると危険 */

動作原理

タスクの作成と管理（FreeRTOS）

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

/* タスク関数の定義 */
void sensorTask(void *pvParameters) {
    /* 初期化処理 */
    TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

    for (;;) { /* 無限ループ（タスクは終了しないこと） */
        float temp = readTemperature();
        xQueueSend(tempQueue, &temp, 0);

        /* 100ms周期で実行（ジッタを抑制） */
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

void controlTask(void *pvParameters) {
    float temp;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(tempQueue, &temp, pdMS_TO_TICKS(200)) == pdTRUE) {
            adjustHeater(temp);
        }
    }
}

int main(void) {
    SystemInit();
    tempQueue = xQueueCreate(10, sizeof(float));

    /* タスク作成：関数, 名前, スタック(ワード), 引数, 優先度, ハンドル */
    xTaskCreate(sensorTask,  "Sensor",  256, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(controlTask, "Control", 512, NULL, 3, NULL);

    vTaskStartScheduler(); /* スケジューラ起動（戻らない） */
    for (;;);
}

タスク間通信

タスク同士はキュー・セマフォ・イベントグループなどのRTOSオブジェクトで通信します。

/* キューによるタスク間データ転送 */
QueueHandle_t dataQueue;

void producerTask(void *pvParameters) {
    uint32_t data = 0;
    for (;;) {
        data++;
        /* キューへ送信（満杯なら10ms待機後に諦める） */
        xQueueSend(dataQueue, &data, pdMS_TO_TICKS(10));
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50));
    }
}

void consumerTask(void *pvParameters) {
    uint32_t received;
    for (;;) {
        /* キューからデータを受け取るまで無限ブロック */
        if (xQueueReceive(dataQueue, &received, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            processData(received);
        }
    }
}

タスク優先度の設計指針

優先度は処理のタイムクリティカル度に基づいて割り当てます。

高優先度（優先度：高）
  ├ モーター制御タスク（1ms周期、制御ループ）
  ├ UART受信処理タスク（ISRから起床）
  ├ センサ読み取りタスク（10ms周期）
  │
中優先度
  ├ データ処理・フィルタリングタスク
  ├ 通信プロトコル処理タスク
  │
低優先度（優先度：低）
  ├ ログ記録タスク
  ├ 自己診断タスク
  └ アイドルタスク（スタック監視・省電力移行）

用途・ユースケース

産業機器

モーション制御: 軸制御タスク（最高優先度・1ms）、軌跡補間タスク（中）、HMI更新タスク（低）
PLCエミュレーション: IOポーリングタスク、ラダーロジック実行タスク、Modbus通信タスク

IoT機器

センサ収集: センサ読み取りタスク（1秒周期）、データ圧縮タスク、クラウド送信タスク（MQTT）
BLEデバイス: BLEスタックタスク（最高優先度）、アプリケーションタスク、省電力管理タスク

自動車ECU（AUTOSARタスク構造）

AUTOSARではOSタスクをRunnable（実行可能エンティティ）の集合として定義し、静的に周期・優先度を割り付けます。

HighFrequencyTask（1ms周期、優先度高）
  └ ComRead_Runnable, PIDControl_Runnable, ComWrite_Runnable

MediumFrequencyTask（10ms周期）
  └ SignalProcessing_Runnable, Diagnostic_Runnable

BackgroundTask（100ms周期、優先度低）
  └ NvWrite_Runnable, PowerManagement_Runnable

実装・開発のポイント

タスクのアンチパターン

タスク数の過多 タスクが多すぎるとコンテキストスイッチの頻度が増え、スケジューラのオーバーヘッドが増大します。機能をまとめられるタスクは統合を検討します。
グローバル変数での直接共有 タスク間をグローバル変数で直接通信すると、競合状態（Race Condition）が発生します。必ずキュー・セマフォ・ミューテックスを経由します。
スタックサイズの過小設定 スタックオーバーフローは最も発見しにくいバグの一つです。FreeRTOSのスタックオーバーフロー検出機能（configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW）を有効化します。
vTaskDelay()による固定スリープ vTaskDelay(100ms)では、処理時間のばらつきで実効周期がずれます。vTaskDelayUntil()を使って周期を絶対時刻基準にします。

デバッグ支援

/* FreeRTOS デバッグ情報の表示 */
void printTaskInfo(void) {
    char buf[512];
    vTaskList(buf); /* タスク一覧（名前・状態・優先度・スタック空き） */
    printf("%s", buf);

    vTaskGetRunTimeStats(buf); /* タスクごとのCPU使用時間 */
    printf("%s", buf);
}

他技術との比較

観点	RTOSタスク	Linuxスレッド（pthread）	コルーチン
メモリ保護	なし（同一空間共有）	あり（プロセス間は分離）	なし
コンテキストスイッチコスト	数μs	数μs〜数十μs	数ns〜数百ns
優先度の粒度	粗（32〜256段階）	細（99段階，SCHED_FIFO）	ユーザ定義
スタック管理	手動（固定サイズ）	自動拡張（mmap）	小スタック可
タイミング保証	あり（RTOS保証）	PREEMPT_RTで改善	なし
向いている用途	組み込みリアルタイム	エッジAI・GUI・ネット	高並行・省メモリ

タスク設計はリアルタイム性を達成するための根幹です。スケジューラ・プリエンプション・タスク間通信を正しく組み合わせることで、複雑な組み込みシステムを安全かつ保守性高く構築できます。

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