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STM32 RTOS 系列教學 - 第三篇：RTOS 任務間通訊（Queue 與 Semaphore 實作）

STM32 RTOS 系列教學 - 第三篇：RTOS 任務間通訊（Queue 與 Semaphore 實作）

🎯 教學目標

  • 理解 RTOS 中 Queue（佇列）的用途與特性
  • 學會在任務之間安全地傳遞資料
  • 使用 Queue 實作一個簡單的生產者-消費者範例
  • 結合 Semaphore 控制 Queue 的存取

📦 Queue 是什麼？

Queue（佇列）是一種資料結構，可在 RTOS 中讓任務之間以 FIFO（先進先出）方式安全交換資料。每個任務可以是資料的「生產者」或「消費者」。

📌 特性

  • 支援固定長度的訊息資料（byte 或結構）
  • 多任務可同時傳送（Send）與接收（Receive）資料
  • 有 blocking / timeout 功能，等待 Queue 可用
  • 適合用於任務間資料傳輸、命令交換、感測器讀值同步等

🔒 Semaphore 是什麼？

Semaphore（信號量）是 RTOS 中的同步工具，用來控制對共享資源（如 Queue）的存取，避免資源競爭。

📌 常見類型

  • Binary Semaphore：常用於同步（如中斷觸發任務）
  • Counting Semaphore：常用於資源控制（如 Queue 空間或緩衝區）

🛠 STM32CubeMX 設定 Queue 與 Semaphore

Step 1：新增 Queue

  • 開啟 Middleware > FreeRTOS > CMSIS RTOS v2
  • 新增 Message Queue，命名為 myQueue01
  • 設定：
    • 資料長度：sizeof(uint16_t) 或自訂 struct
    • Queue 長度：例如 10（最多可存放 10 筆資料）

Step 2：新增 Semaphore（可選）

  • 在 FreeRTOS > CMSIS RTOS v2 新增 Semaphore
  • 命名為 myBinarySem01，選擇 Binary

Step 3：初始化

// Queue 初始化
osMessageQueueId_t myQueue01Handle;
const osMessageQueueAttr_t myQueue01_attributes = {
  .name = "myQueue01"
};
myQueue01Handle = osMessageQueueNew(10, sizeof(uint16_t), &myQueue01_attributes);

// Semaphore 初始化
osSemaphoreId_t myBinarySem01Handle;
const osSemaphoreAttr_t myBinarySem01_attributes = {
  .name = "myBinarySem01"
};
myBinarySem01Handle = osSemaphoreNew(1, 1, &myBinarySem01_attributes); // 初始為可用

🧪 範例：數值傳送與接收

任務 A（傳送端） - 每秒傳送一個數字：

void StartSenderTask(void *argument)
{
  uint16_t value = 0;
  for(;;)
  {
    osSemaphoreAcquire(myBinarySem01Handle, osWaitForever);  // 取得信號
    osMessageQueuePut(myQueue01Handle, &value, 0, 0);
    osSemaphoreRelease(myBinarySem01Handle);  // 釋放信號
    value++;
    osDelay(1000);
  }
}

任務 B（接收端） - 接收後印出數值：

void StartReceiverTask(void *argument)
{
  uint16_t recvVal;
  for(;;)
  {
    osSemaphoreAcquire(myBinarySem01Handle, osWaitForever);  // 取得信號
    if(osMessageQueueGet(myQueue01Handle, &recvVal, NULL, osWaitForever) == osOK)
    {
      printf("Received: %d\n", recvVal);
    }
    osSemaphoreRelease(myBinarySem01Handle);  // 釋放信號
  }
}

🧠 應用場景

  • 任務間傳送 sensor 資料
  • 接收中斷服務程式的資料（需透過中斷內部觸發任務）
  • 排程控制命令、狀態
  • 結合 Semaphore 確保多任務對 Queue 的安全存取

✅ 成功條件檢查

  • 每秒有數值被傳送與接收
  • 無資料遺失（Queue 空間足夠）
  • 接收順序正確（FIFO）
  • Semaphore 正確同步，無競爭狀況

第 4 篇：RTOS 計時器（Software Timer）與非阻塞處理技巧

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