เฟิร์มแวร์หลาย task ด้วย FreeRTOS

หลักสูตร

TESA Firmware SDK สำหรับ Edge AI · การเขียนเฟิร์มแวร์แบบ RTOS

ระดับ

L3 ทำได้เอง

เวลาโดยประมาณ

75 นาที (แนวคิด 45 · ฝึก 20 · เช็กความเข้าใจ 10)

อุปกรณ์

Dev Kit · Eva Kit

ทักษะที่ฝึก

• พื้นฐาน RTOS ถึง L2
• FreeRTOS ถึง L2
• อินเทอร์รัปต์ ถึง L2

ควรเรียนก่อน

• แล็บ: GPIO และอุปกรณ์ต่อพ่วงบนฮาร์ดแวร์จริง

สถานะ

ทดลองใช้ (alpha)

• เปิดสไลด์
• ไฟล์ของบทเรียนบน GitHub

Course 1 · Module 4
Suggested time: ประมาณ 3.5–4 ชั่วโมง (อ่าน + lab หลาย task บนบอร์ด)
Format: บทเรียนเชิงปฏิบัติ — สร้างและประสาน FreeRTOS tasks ร่วมกับ TESA Firmware SDK

Lab · Cheatsheet · ← Table of Contents · ← M03 · M05 →

หมายเหตุ: โค้ดในบทนี้เขียนสำหรับเฟิร์มแวร์ชุดใด (ตรวจสอบเมื่อ 26 ก.ย. 2026)

โค้ด C ในบทนี้เรียก API ของเฟิร์มแวร์ TESAIoT Bitstream ที่ต้นฉบับเรียกว่า “TESA Firmware SDK” ซึ่งเผยแพร่เป็นไฟล์ HEX สำเร็จรูป (tesaiot-bitstream-<version>.hex) คู่กับ Bitstream Studio ในแพ็กแล็บ TESAIoT_Hackathon ซอร์สโค้ดของเฟิร์มแวร์ชุดนี้ยังไม่เปิดเผยต่อสาธารณะ ฟังก์ชันอย่าง cm55_initialize, cm55_start_scheduler, led_controller_toggle, cm55_button_on_pressed, cm55_i2c_manager_i2c_lock จึงยังไม่มี header ให้เปิดดูหรือนำไป build เอง ให้อ่าน snippet เป็นแนวคิดและลำดับการเรียกใช้ ส่วนการเรียก FreeRTOS และ Infineon PDL (เช่น xTaskCreate, vTaskDelay, Cy_GPIO_*) เป็น API สาธารณะตามปกติ

ถ้าต้องการโค้ดที่อ่านและ build ได้จากซอร์สเปิด ให้ดู tesaiot-pse84-devkit-sdk (Apache-2.0) ซึ่งเป็นคนละโค้ดเบสและตั้งชื่อ API ต่างกัน ตัวอย่างที่ตรวจแล้วว่าทำงานเรื่องเดียวกับบทนี้ (commit ef72c1b):

• proj_cm55/main.c และ proj_cm33_ns/main.c — สร้าง task ด้วย xTaskCreate แล้วเรียก vTaskStartScheduler() จาก main โดยตรง (ไม่มี wrapper cm55_start_scheduler)
• proj_cm33_ns/examples/sensors/05_auto_push_task.c — task FreeRTOS ที่อ่านเซ็นเซอร์เป็นคาบภายใต้ mutex และปรับอัตราได้
• proj_cm33_ns/examples/sensors/02_read_imu.c — ล็อกบัสหนึ่งครั้งต่อหนึ่งตัวอย่าง (sensor_i2c_lock / sensor_i2c_unlock)

---

เป้าหมาย (Learning Outcomes)

เมื่อเรียนจบ คุณควรทำได้ดังนี้:

1. อธิบายบทบาทของ RTOS และการแบ่งงานเป็น Task
2. ออกแบบ Task พร้อม stack, priority และเข้าใจ scheduler เบื้องต้น
3. ใช้ Queue, Mutex, Binary Semaphore, Event Group เพื่อสื่อสารและป้องกัน race condition
4. คำนึงถึง timing และข้อห้ามใน ISR / tick hook
5. สร้างระบบหลาย task ที่ทำงานร่วมกับ Driver API จาก M03
6. ทำแบบฝึกปฏิบัติ multi-task บนบอร์ดจริง

เกี่ยวกับ snippet ในบทนี้
ตัวอย่างภาษา C ดึงจาก TESA Firmware SDK (FreeRTOS บน CM55) แล้วนำเสนอเป็น snippet เท่านั้น
ดูตัวอย่างเพิ่มบน TESAIoT Developer Hub (Domain: System / Embedded / Real-Time)

Read alongside this chapter

เอกสาร	ใช้เมื่อ
TESAIoT Developer Hub	ตัวอย่าง multi-task / system ของหลักสูตร
FreeRTOS — xTaskCreate	สร้าง task
FreeRTOS — vTaskDelay	หน่วงแบบให้ CPU ว่าง
FreeRTOS — xQueueCreate	คิวส่งข้อมูลระหว่าง task
FreeRTOS — Queues overview	แนวคิด copy-by-value
FreeRTOS — Mutex / Semaphore	ล็อกทรัพยากรร่วม
FreeRTOS — Event Groups	ธงสถานะระหว่าง task
M03 — GPIO and Peripherals	led_controller_*, cm55_button_*, I²C lock
TESAIoT_Hackathon	HEX / Flasher เมื่อใช้แพ็กแล็บ
Bitstream Studio	ดู telemetry หลังมีหลาย task ส่งข้อมูล (เสริม)

---

1. Why RTOS for Edge Products

ใน M03 โค้ดมักอยู่ในลูปเดียว: อ่านปุ่ม → UART → ADC
เมื่อระบบโต (เซ็นเซอร์หลายตัว, connectivity, UI, Edge AI) ลูปเดียวทำให้:

• งานช้าไปบล็อกงานที่ต้องตอบสนองเร็ว
• ยากต่อการแยกหน้าที่และทดสอบ

RTOS (Real-Time Operating System) ในแพลตฟอร์มหลักสูตรนี้คือ FreeRTOS — สร้างหลาย Task ที่สลับกันทำงานตามลำดับความสำคัญ

แนวคิด	ความหมายสั้น
Task	ฟังก์ชันที่รันอิสระ มี stack ของตัวเอง
Scheduler	เลือก task ที่จะได้ CPU
Priority	ตัวเลขสูงกว่า = สำคัญกว่า (ใน FreeRTOS)
Blocking	task รอคิว/หน่วง → ปล่อย CPU ให้ task อื่น

Key phrase
แยกงานตาม ความรับผิดชอบและจังหวะเวลา — ไม่ใช่แยกไฟล์ C อย่างเดียว

---

2. How the Firmware Starts FreeRTOS

แอปมาตรฐานบน CM55 ไม่เรียก vTaskStartScheduler() จาก main โดยตรง แต่ใช้:

#include "cm55_init.h"

int main(void)
{
    (void)cm55_initialize(system_ready_callback, NULL);
    (void)cm55_start_scheduler(); /* wraps vTaskStartScheduler(); does not return */
}

ขั้นตอน	ความหมาย
cm55_initialize(...)	bring-up + สร้าง task เริ่มต้นบน main stack (ยังไม่รัน scheduler)
callback / โค้ดหลัง init	ลงทะเบียน hook, สร้าง task เพิ่มได้ตามแบบโปรเจกต์
cm55_start_scheduler()	เริ่ม scheduler — โดยปกติไม่กลับมาที่ main

ในแล็บ: สร้าง task ของคุณในจุดที่โปรเจกต์กำหนด (หลัง init / ใน callback) แล้วให้ scheduler ทำงาน

---

3. Tasks, Stack, Priority, Delay

3.1 Create a periodic task (LED heartbeat pattern)

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

#define BLINK_STACK_WORDS   (256U)
#define BLINK_PERIOD_MS     (500U)

static void blink_task(void *arg)
{
    (void)arg;
    for (;;) {
        led_controller_toggle(LED_RED);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(BLINK_PERIOD_MS));
    }
}

void lab_start_blink_task(void)
{
    TaskHandle_t handle = NULL;
    if (xTaskCreate(blink_task,
                    "LAB_BLINK",
                    BLINK_STACK_WORDS,
                    NULL,
                    tskIDLE_PRIORITY + 1U,
                    &handle) != pdPASS) {
        /* create failed — ตรวจ heap / stack / priority */
    }
}

พารามิเตอร์ xTaskCreate	ความหมาย
ฟังก์ชัน task	ต้องลูปตลอด หรือลบตัวเองเมื่อจบงาน one-shot
ชื่อ	สตริงสั้น ๆ สำหรับ debug
stack (words)	เล็กเกินไป → overflow; ใหญ่เกินไป → กิน RAM
priority	สูงกว่า = แย่ง CPU ได้ก่อนเมื่อพร้อมรัน
handle	เก็บไว้ถ้าจะลบ/แจ้ง task ทีหลัง

อ่านเพิ่ม: xTaskCreate · vTaskDelay

3.2 Two tasks, two rates

/* Task A: 250 ms — “fast heartbeat” */
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(250));

/* Task B: 500 ms — LED blink */
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));

สังเกตว่าทั้งคู่รัน “พร้อมกันในมุมมองระบบ” โดยไม่ busy-wait ในลูปเดียว

3.3 Priority rules of thumb (course)

แนวทาง	ตัวอย่างในแล็บ
งาน background / กระพริบ	tskIDLE_PRIORITY + 1
งานตอบสนองปุ่ม / UI เบา	สูงกว่า blink เล็กน้อย
งานวิกฤต (IPC / watchdog path ในผลิตภัณฑ์)	สูงกว่า — อย่ายกทุกอย่างขึ้นสูงสุด

ในผลิตภัณฑ์จริง priority สูงเกินไปของงานหนักอาจ starve งานสำคัญอื่น — ในแล็บให้เปลี่ยนทีละน้อยแล้วสังเกตอาการ

---

4. Queues — Pass Data Between Tasks

คิวของ FreeRTOS คัดลอกข้อมูลตามขนาด item ไม่ใช่ส่ง pointer โดยอัตโนมัติ
อ่านภาพรวม: Queues · xQueueCreate

4.1 Producer / consumer (UART log drain pattern)

แนวทางใน SDK: อย่า printf จาก ISR — enqueue แล้วให้ task ดึงไปพิมพ์

#include "queue.h"

typedef struct {
    char line[64];
} log_item_t;

static QueueHandle_t s_log_q;

static void log_drain_task(void *arg)
{
    (void)arg;
    log_item_t item;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(s_log_q, &item, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            printf("%s", item.line);
        }
    }
}

void lab_log_queue_init(void)
{
    s_log_q = xQueueCreate(8, sizeof(log_item_t));
    (void)xTaskCreate(log_drain_task, "LAB_LOG", 512, NULL,
                      tskIDLE_PRIORITY + 2U, NULL);
}

void lab_log_post(const char *msg)
{
    log_item_t item = {0};
    /* คัดลอกแบบจำกัดความยาว — ตัวอย่างแล็บ */
    for (size_t i = 0; i + 1U < sizeof(item.line) && msg[i] != '\0'; ++i) {
        item.line[i] = msg[i];
    }
    (void)xQueueSend(s_log_q, &item, 0);
}

4.2 From ISR to task

BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
(void)xQueueSendFromISR(s_log_q, &item, &xHigherPriorityTaskWoken);
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);

ปุ่มใน SDK (cm55_button_*) ใช้แนว ISR/bridge + queue ในพาธ IRQ — แล็บอาจใช้ callback ของปุ่มใน task context ก่อน แล้วค่อยฝึก FromISR เมื่อพร้อม

---

5. Mutex and Semaphores — Protect Shared Resources

5.1 Mutex around a shared bus (I²C)

จาก M03: บัส I²C ร่วมต้องล็อก

#include "semphr.h"

static SemaphoreHandle_t s_bus_mtx;

void lab_bus_lock_init(void)
{
    s_bus_mtx = xSemaphoreCreateMutex();
}

void lab_bus_lock(void)
{
    (void)xSemaphoreTake(s_bus_mtx, portMAX_DELAY);
}

void lab_bus_unlock(void)
{
    (void)xSemaphoreGive(s_bus_mtx);
}

ใน SDK จริง การล็อก I²C บางจุดใช้รูปแบบ poll + vTaskDelay(1) แทน portMAX_DELAY เพื่อเลี่ยงสถานการณ์ scheduler ยังไม่พร้อม — ในแล็บพื้นฐาน Take(... portMAX_DELAY) ใช้ได้เมื่อรู้ว่า scheduler รันแล้ว

เรียกผ่าน wrapper ของหลักสูตรเมื่อมี:

cm55_i2c_manager_i2c_lock();
/* sensor / HAL transfer */
cm55_i2c_manager_i2c_unlock();

UART ของผลิตภัณฑ์ใช้ recursive mutex สำหรับ serialize printf — รู้ไว้ว่า mutex ธรรมดา vs recursive คนละกรณี

อ่านเพิ่ม: Mutexes

5.2 Binary semaphore — wait for an event

static SemaphoreHandle_t s_evt;

void lab_evt_init(void)
{
    s_evt = xSemaphoreCreateBinary();
}

/* Task waits */
(void)xSemaphoreTake(s_evt, pdMS_TO_TICKS(1000));

/* Other task or ISR signals */
(void)xSemaphoreGive(s_evt);
/* From ISR: xSemaphoreGiveFromISR(s_evt, &xHigherPriorityTaskWoken); */

ใช้เมื่อต้องการ “มีสัญญาณแล้ว” ไม่ใช่ส่ง payload ใหญ่ — ถ้าต้องส่งข้อมูล ให้ใช้ queue

---

6. Event Groups — Ready Flags

#include "event_groups.h"

#define READY_BIT (1U << 0)

static EventGroupHandle_t s_ready;

void lab_ready_init(void)
{
    s_ready = xEventGroupCreate();
}

void lab_mark_ready(void)
{
    (void)xEventGroupSetBits(s_ready, READY_BIT);
}

BaseType_t lab_wait_ready(TickType_t ticks)
{
    EventBits_t bits = xEventGroupWaitBits(
        s_ready, READY_BIT, pdFALSE, pdFALSE, ticks);
    return ((bits & READY_BIT) != 0) ? pdTRUE : pdFALSE;
}

ใน SDK ใช้แนวนี้กับธง “I²C พร้อมแล้ว” ก่อนให้เซ็นเซอร์เริ่มทำงาน
อ่านเพิ่ม: Event Groups

---

7. Timing Constraints and Real-Time Behavior

หัวข้อ	แนวปฏิบัติในหลักสูตร
Period ของ task	ใช้ vTaskDelay / vTaskDelayUntil ตามแบบที่โปรเจกต์ใช้
งานยาวใน priority สูง	แยกเป็น task ต่ำกว่า หรือหั่นงานเป็นชิ้นสั้น ๆ
ISR	สั้น ๆ · ไม่ printf · ไม่ I²C · ไม่ mutex แบบ blocking
Tick hook	ห้ามเรียก driver ที่ต้องล็อกหรือ I/O ช้า
Heap / queue depth	depth × sizeof(item) กิน RAM — สร้างคิวใหญ่เกินอาจได้ NULL

ห้ามใน ISR / tick hook
xSemaphoreTake (blocking), vTaskDelay, I²C, printf
ใช้ *FromISR แล้วให้ task ทำงานหนักแทน

---

8. Worked Multi-Task Scenario

โจทย์: กระพริบ LED คาบคงที่ + กดปุ่มแล้วส่งข้อความเข้าคิว log + task อื่นพิมพ์ UART

blink_task          → led_controller_toggle + vTaskDelay
button callback     → xQueueSend(log_q, "btn\r\n")
log_drain_task      → xQueueReceive + printf

ต่อยอด M03 Lab D: ADC อ่านใน task ช้า + PWM ปรับใน task เดียวกันหรือส่งค่าผ่านคิว

---

9. Module Summary

1. หลักสูตรใช้ FreeRTOS — เริ่มผ่าน cm55_initialize / cm55_start_scheduler
2. Task + delay เป็นรากฐาน; แยกจังหวะงานด้วยหลาย task
3. Queue ส่งข้อมูล; Mutex ล็อกทรัพยากร; Binary semaphore / Event group ส่งสัญญาณสถานะ
4. เคารพกฎ ISR และ priority เพื่อไม่ให้ระบบ “ค้างเงียบ” หรือ starve
5. ต่อไป M05 จะใช้หลาย task กับ pipeline เซ็นเซอร์ / Edge AI

Next Steps

1. ทำแบบฝึก: Lab
2. เก็บแผ่นสรุป: Cheatsheet
3. เมื่อพร้อม ไปต่อ M05 — Sensor Data and Edge AI Preparation (บทเรียน M05)

---

References and Further Reading

Course portals

1. TESAIoT Developer Hub
2. Bitstream Studio
3. TESAIoT_Hackathon

FreeRTOS

4. xTaskCreate
5. vTaskDelay
6. xQueueCreate
7. Queues overview
8. Mutexes
9. Event Groups
10. FreeRTOS Kernel Book (GitHub)

Prior modules

11. M03 — GPIO and Basic Peripherals
12. M02 — ModusToolbox and VS Code

---

เช็กความเข้าใจ

คำถามสั้นสามข้อใน quiz.yaml ผูกกับเป้าหมายของบทเรียนนี้ข้อละหนึ่งคำถาม ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเทียบกับเฉลยและคำอธิบายในไฟล์

แล็บ

ลงมือต่อที่ แล็บ: เฟิร์มแวร์หลาย task ด้วย FreeRTOS

Lab · Cheatsheet · ← Table of Contents · ← M03 · M05 →

ตัวอย่างบน TESAIoT Developer Hub

ลองของจริงบน TESAIoT Dev Kit: เปิดตัวอย่างบน Developer Hub เพื่ออ่านโค้ด ดาวน์โหลด หรือ flash เฟิร์มแวร์สำเร็จรูป

• EP07 — Final WiFi Manager — รวม scan + profile + connect + auto-retry + ping watchdog เป็น WiFi manager สมบูรณ์ พร้อม state machine บนหน้าจอและ auto-connect จาก profile
• EP07 — SensorHub Final — โปรเจกต์ปิดคอร์ส: แดชบอร์ดรวมเซนเซอร์ทั้ง 4 ตัว (DPS368, SHT4x, BMI270, BMM350) + ไมโครโฟน PDM สเตอริโอ บนจอเดียว

คำถามทบทวน

ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเปิดดูเฉลย

1. ตามหัวข้อ 3.3 งาน background เช่นกระพริบ LED ควรใช้ priority ใด (เป้าหมายข้อ 1)

   1. สูงกว่างานตอบสนองปุ่ม
   2. `tskIDLE_PRIORITY + 1`
   3. priority สูงสุดของระบบ
   4. เท่ากับงาน IPC วิกฤต
   ดูเฉลย

   คำตอบ: B. `tskIDLE_PRIORITY + 1`

   Priority rules of thumb: งาน background ใช้ `tskIDLE_PRIORITY + 1` และอย่ายกทุกอย่างขึ้นสูงสุด

2. ต้องการส่ง “ข้อมูล” จาก task ปุ่มไปยัง task ที่พิมพ์ UART ควรใช้กลไกใด (เป้าหมายข้อ 2)

   1. Mutex
   2. Event group
   3. Tick hook
   4. Queue
   ดูเฉลย

   คำตอบ: D. Queue

   Module Summary ข้อ 3: Queue ส่งข้อมูล, Mutex ล็อกทรัพยากร, Binary semaphore / Event group ส่งสัญญาณสถานะ

3. ข้อใดห้ามทำใน ISR หรือ tick hook ตามบทเรียน (เลือกได้หลายข้อ) (เป้าหมายข้อ 3)

   1. เรียก `portYIELD_FROM_ISR`
   2. เรียก `vTaskDelay`
   3. เรียก `printf`
   4. เรียก `xQueueSendFromISR`
   5. อ่านเซ็นเซอร์ผ่าน I²C
   ดูเฉลย

   คำตอบ: B. เรียก `vTaskDelay` · C. เรียก `printf` · E. อ่านเซ็นเซอร์ผ่าน I²C

   กรอบ “ห้ามใน ISR / tick hook” ในหัวข้อ 7: ห้าม blocking take, `vTaskDelay`, I²C และ `printf` ให้ใช้ `*FromISR` แล้วให้ task ทำงานหนักแทน

อ้างอิงบทเรียนนี้

ถ้านำบทเรียนนี้ไปสอน ทำสไลด์ หรือทำเอกสารต่อ ให้อ้างอิงด้วยข้อความนี้ ถ้าดัดแปลงเนื้อหา ให้เติม (ดัดแปลง)ต่อท้ายชื่อบทเรียน

"เฟิร์มแวร์หลาย task ด้วย FreeRTOS" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

ข้อความอ้างอิงภาษาอังกฤษ: "Multi-task Firmware with FreeRTOS" from TESA Open Knowledge by the Thai Embedded Systems Association (TESA), https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program, licensed under CC BY-NC 4.0

ลิงก์บทเรียน: https://tesaiot.github.io/tesa-qualification-program/courses/firmware-sdk-edge-ai/m04-rtos/l01-freertos-programming/

บทเรียนนี้ดัดแปลงจากต้นฉบับด้านล่าง เมื่ออ้างอิงให้คงเครดิตต้นฉบับไว้ด้วย
https://github.com/drsanti/TESAIoT-Courses/blob/287c21814ba8c75f693136616dcd270349a15966/C1/M04/README.md · Original content by Asst. Prof. Dr. Santi Nuratch (ผศ.ดร.สันติ นุราช), KMUTT. Course 1 (C1/) of drsanti/TESAIoT-Courses. TESA funded the work and holds the rights; published here under CC BY-NC 4.0. The upstream repository carries no licence file. Text kept faithful; structure, front matter, quizzes and notes added by TESA Open Knowledge.

วิธีอ้างอิง TESA ฉบับเต็ม