บทเรียน 4.1 — เฟิร์มแวร์หลาย task ด้วย FreeRTOS

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

1. สร้าง task แบบมีคาบเวลาด้วย vTaskDelay / vTaskDelayUntil แทน busy-wait และกำหนด priority ตามแนวทางของบทเรียน
2. เลือกกลไก FreeRTOS (queue, mutex, binary semaphore, event group) ให้ตรงกับโจทย์ส่งข้อมูล ล็อกทรัพยากร หรือส่งสัญญาณสถานะ
3. ระบุสิ่งที่ห้ามทำใน ISR / tick hook และใช้ฟังก์ชัน *FromISR แทนได้ถูกต้อง

ก่อนเริ่ม

• ผ่าน บทเรียน 3.2 — แล็บ M03 มาแล้ว
• ใช้บอร์ดจริง: TESAIoT Dev Kit หรือ Eva Kit (KIT_PSE84_EVAL)
• บทเรียนเชิงปฏิบัติ — สร้างและประสาน FreeRTOS tasks ร่วมกับ TESA Firmware SDK

หมายเหตุสำคัญ (ตรวจสอบเมื่อ 26 ก.ย. 2026): โค้ด C ในบทนี้เรียก API ของเฟิร์มแวร์ TESAIoT Bitstream ที่ยังไม่เปิดซอร์ส ฟังก์ชันอย่าง cm55_initialize, cm55_start_scheduler, led_controller_toggle, cm55_button_on_pressed, cm55_i2c_manager_i2c_lock จึงยังไม่มี header ให้เปิดดูหรือ build เอง — อ่านเป็นแนวคิดและลำดับการเรียกใช้ ส่วน FreeRTOS เอง (xTaskCreate, vTaskDelay, …) เป็น API สาธารณะตามปกติ

ดูของจริงก่อน — ทำไมต้องมี RTOS

ใน โมดูล 3 โค้ดมักอยู่ในลูปเดียว: อ่านปุ่ม → UART → ADC เมื่อระบบโต (เซ็นเซอร์หลายตัว, connectivity, UI, Edge AI) ลูปเดียวทำให้งานช้าไปบล็อกงานที่ต้องตอบสนองเร็ว และยากต่อการแยกหน้าที่และทดสอบ

RTOS ในแพลตฟอร์มหลักสูตรนี้คือ FreeRTOS — สร้างหลาย Task ที่สลับกันทำงานตามลำดับความสำคัญ

Key phrase: แยกงานตาม ความรับผิดชอบและจังหวะเวลา — ไม่ใช่แยกไฟล์ C อย่างเดียว

แนวคิด — เฟิร์มแวร์เริ่ม FreeRTOS อย่างไร

แอปมาตรฐานบน CM55 ไม่เรียก vTaskStartScheduler() จาก main โดยตรง แต่ใช้ wrapper ของ SDK:

#include "cm55_init.h"

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

ตัวอย่างสมบูรณ์ — สร้าง task แบบมีคาบเวลา (LED heartbeat)

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

#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));
    }
}

xTaskCreate(blink_task, "LAB_BLINK", 256, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1U, &handle) — จาก README.md หัวข้อ 3.1

แนวคิด — priority ตามแนวทางของหลักสูตร

ในผลิตภัณฑ์จริง priority สูงเกินไปของงานหนักอาจ starve งานสำคัญอื่น — ในแล็บให้เปลี่ยนทีละน้อยแล้วสังเกตอาการ

ตัวอย่างสมบูรณ์ — Queue ส่งข้อมูลระหว่าง task

คิวของ FreeRTOS คัดลอกข้อมูลตามขนาด item ไม่ใช่ส่ง pointer อัตโนมัติ — แนวทางในหลักสูตร: อย่า printf จาก ISR ให้ enqueue แล้วให้ task ดึงไปพิมพ์

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);
        }
    }
}

จาก ISR: xQueueSendFromISR(s_log_q, &item, &xHigherPriorityTaskWoken); portYIELD_FROM_ISR(...) — README.md หัวข้อ 4

ตัวอย่างสมบูรณ์ — Mutex ป้องกันบัสร่วม

จาก โมดูล 3: บัส I²C ร่วมต้องล็อก

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); }

เรียกผ่าน wrapper ของหลักสูตรเมื่อมี: cm55_i2c_manager_i2c_lock() ... cm55_i2c_manager_i2c_unlock()

ใน SDK จริง การล็อก I²C บางจุดใช้ poll + vTaskDelay(1) แทน portMAX_DELAY เพื่อเลี่ยงสถานการณ์ scheduler ยังไม่พร้อม

แนวคิด — Binary Semaphore กับ Event Group

Binary semaphore — ใช้เมื่อต้องการ "มีสัญญาณแล้ว" ไม่ใช่ส่ง payload ใหญ่ (ถ้าต้องส่งข้อมูล ให้ใช้ queue)

(void)xSemaphoreTake(s_evt, pdMS_TO_TICKS(1000));   /* task รอ */
(void)xSemaphoreGive(s_evt);                        /* อีก task หรือ ISR ส่งสัญญาณ */

Event group — ธงสถานะที่รอได้หลายบิต เช่น "I²C พร้อมแล้ว" ก่อนให้เซ็นเซอร์เริ่มทำงาน

(void)xEventGroupSetBits(s_ready, READY_BIT);
EventBits_t bits = xEventGroupWaitBits(s_ready, READY_BIT, pdFALSE, pdFALSE, ticks);

แนวคิด — กฎของ ISR และ tick hook

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

ตัวอย่างสมบูรณ์ — โจทย์รวมหลาย task

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

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

ต่อยอดแล็บโมดูล 3 ส่วน D: ADC อ่านใน task ช้า + PWM ปรับในอีก task หรือส่งค่าผ่านคิว

ฝึกเติม/แล็บ

แล็บ: เฟิร์มแวร์หลาย task ด้วย FreeRTOS

• สร้าง task ที่มีคาบเวลาอย่างน้อยสอง task ที่รันพร้อมกัน
• ส่งข้อมูลระหว่าง task ด้วย queue อย่างน้อยหนึ่งเส้นทาง
• ล็อกทรัพยากรร่วม (เช่นบัส I²C) ด้วย mutex เมื่อมีมากกว่าหนึ่ง task ใช้งาน
• เคารพกฎ ISR / tick hook ตลอดทั้งแล็บ

เช็กความเข้าใจ

1. ตามหลักการ priority ของบทเรียน งาน background เช่นกระพริบ LED ควรใช้ priority ระดับใด
2. ต้องการส่ง "ข้อมูล" จาก task ปุ่มไปยัง task ที่พิมพ์ UART ควรใช้กลไกใด (queue / mutex / event group)
3. ข้อใดห้ามทำใน ISR หรือ tick hook ตามบทเรียน (เลือกได้หลายข้อ): portYIELD_FROM_ISR · vTaskDelay · printf · xQueueSendFromISR · อ่านเซ็นเซอร์ผ่าน I²C

ไปต่อ

• หลักสูตรใช้ FreeRTOS — เริ่มผ่าน cm55_initialize / cm55_start_scheduler
• Task + delay เป็นรากฐาน; แยกจังหวะงานด้วยหลาย task
• Queue ส่งข้อมูล · Mutex ล็อกทรัพยากร · Binary semaphore / Event group ส่งสัญญาณสถานะ
• เคารพกฎ ISR และ priority เพื่อไม่ให้ระบบ "ค้างเงียบ" หรือ starve — ต่อไป โมดูล 5 จะใช้หลาย task กับ pipeline เซ็นเซอร์ / Edge AI

บทเรียนโมดูล 5 →

แหล่งที่มา

"บทเรียน 4.1 — 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

เนื้อหาต้นฉบับโดย ผศ.ดร.สันติ นุราช ภาควิชาวิศวกรรมระบบควบคุมและเครื่องมือวัด คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (KMUTT) (https://github.com/drsanti) ภายใต้การสนับสนุนของสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (TESA)
นำเข้าจาก drsanti/TESAIoT-Courses — C1 (commit 287c218) ภายใต้สัญญาอนุญาต CC BY 4.0

ไม่มีภาพจากบุคคลที่สามในสไลด์ชุดนี้