ESP32 IDF FreeRTOS

안녕하세요, '소프트웨어 공장'입니다! 오늘은 ESP32 IDF 개발 환경에서 FreeRTOS를 사용하는 방법에 대해 알아보겠습니다. FreeRTOS는 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 실시간 운영체제(RTOS)로, 멀티태스킹을 통해 다양한 작업을 효율적으로 관리할 수 있습니다. 이 포스팅에서는 FreeRTOS의 기본 개념부터 ESP-IDF에서 실제로 사용해 보는 방법까지 예제와 함께 자세히 알아보겠습니다.

FreeRTOS 기본 개념 이해하기

1. FreeRTOS란?

FreeRTOS는 오픈 소스 실시간 운영체제로, 임베디드 시스템에서 사용되는 경량 RTOS입니다. FreeRTOS를 사용하면 멀티태스킹, 큐, 세마포어, 타이머 등을 쉽게 활용하여 복잡한 제어 로직을 구현할 수 있습니다.

2. FreeRTOS의 주요 개념

- 태스크(Task)

태스크는 FreeRTOS에서 독립적으로 실행되는 가장 작은 실행 단위입니다. 태스크는 각자 독립된 스택을 가지며, 서로 동시에 실행될 수 있는 구조입니다. 마치 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것과 같은 효과를 냅니다.

- 큐(Queue)

큐는 태스크 간 데이터를 주고받기 위한 자료구조입니다. 큐를 사용하여 태스크 사이에 데이터를 안전하게 전송할 수 있습니다. 주로 프로듀서 태스크와 컨슈머 태스크 간의 데이터 전송에 사용됩니다.

- 세마포어(Semaphore)

세마포어는 태스크 간의 동기화를 위한 기법입니다. 여러 태스크가 공유 자원에 접근할 때 충돌이 발생하지 않도록 제어할 수 있습니다. FreeRTOS에서는 이진 세마포어, 카운팅 세마포어 등이 사용됩니다.

FreeRTOS로 멀티태스킹 구현하기

FreeRTOS의 주요 기능 중 하나는 멀티태스킹입니다. 멀티태스킹을 통해 여러 작업을 동시에 수행하는 것처럼 보이게 할 수 있습니다. ESP32와 같은 마이크로컨트롤러에서는 CPU가 하나뿐이기 때문에 실제로는 작업 간에 빠르게 전환(context switch)하여 실행됩니다.

1. FreeRTOS 태스크 생성 예제

아래 코드는 ESP-IDF 환경에서 FreeRTOS 태스크를 생성하는 간단한 예제입니다.

#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>
#include <stdio.h>

// LED 상태를 관리하는 태스크
void led_task(void *pvParameter)
{
    while (1)
    {
        printf("LED Toggle\n");
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);  // 1초 대기
    }
}

// 메인 함수
void app_main()
{
    // LED Task 생성
    xTaskCreate(&led_task, "LED Task", 2048, NULL, 5, NULL);
}

코드 설명

• led_task 함수는 LED를 토글하는 작업을 수행합니다. vTaskDelay 함수를 사용하여 1초마다 실행되도록 설정했습니다.
• xTaskCreate 함수를 사용하여 태스크를 생성합니다. 매개변수로 태스크 함수, 태스크 이름, 스택 크기, 매개변수, 우선순위, 태스크 핸들을 전달합니다.

2. 태스크 우선순위 관리

태스크의 우선순위는 태스크 간의 실행 순서를 결정합니다. 우선순위가 높은 태스크는 낮은 태스크보다 먼저 실행됩니다. 예를 들어, 아래와 같이 우선순위가 다른 두 개의 태스크를 생성해 보겠습니다.

void high_priority_task(void *pvParameter)
{
    while (1)
    {
        printf("High priority task running\n");
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void low_priority_task(void *pvParameter)
{
    while (1)
    {
        printf("Low priority task running\n");
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void app_main()
{
    xTaskCreate(&high_priority_task, "High Priority Task", 2048, NULL, 10, NULL);
    xTaskCreate(&low_priority_task, "Low Priority Task", 2048, NULL, 5, NULL);
}

위 코드에서는 high_priority_task가 low_priority_task보다 높은 우선순위를 가집니다. 따라서 high_priority_task가 더 자주 실행됩니다.

실시간 제어 예제

이번에는 FreeRTOS를 사용하여 실시간 제어를 구현해 보겠습니다. ESP32의 GPIO 핀을 사용하여 버튼을 누르면 LED가 켜지는 간단한 예제를 만들어 보겠습니다.

1. 하드웨어 구성

• 버튼: GPIO 0번 핀에 연결
• LED: GPIO 2번 핀에 연결

2. 코드 작성

아래는 버튼 입력을 감지하여 LED를 제어하는 코드입니다.

#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>
#include <driver/gpio.h>

#define BUTTON_PIN 0
#define LED_PIN 2

void button_task(void *pvParameter)
{
    gpio_pad_select_gpio(BUTTON_PIN);
    gpio_set_direction(BUTTON_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    gpio_pad_select_gpio(LED_PIN);
    gpio_set_direction(LED_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);

    while (1)
    {
        int button_state = gpio_get_level(BUTTON_PIN);
        if (button_state == 0)  // 버튼이 눌렸을 때
        {
            gpio_set_level(LED_PIN, 1);  // LED 켜기
        }
        else
        {
            gpio_set_level(LED_PIN, 0);  // LED 끄기
        }
        vTaskDelay(10 / portTICK_PERIOD_MS);  // 10ms 대기
    }
}

void app_main()
{
    xTaskCreate(&button_task, "Button Task", 2048, NULL, 5, NULL);
}

코드 설명

• button_task는 버튼의 상태를 계속해서 읽고, 버튼이 눌렸을 때 LED를 켜고, 그렇지 않으면 LED를 끄는 작업을 수행합니다.
• gpio_get_level 함수를 사용하여 버튼의 상태를 읽고, gpio_set_level 함수를 사용하여 LED의 상태를 제어합니다.

FreeRTOS의 주요 기능 정리

• 태스크(Task): 독립적인 실행 단위로, xTaskCreate로 생성하고 vTaskDelay로 주기적으로 실행할 수 있습니다.
• 큐(Queue): 태스크 간 통신을 위해 사용되는 자료구조로, 데이터를 안전하게 주고받을 수 있습니다.
• 세마포어(Semaphore): 공유 자원에 대한 접근을 제어하여 동기화를 보장합니다.

개발 시 유의 사항

• 태스크 스택 크기: 태스크 생성 시 적절한 스택 크기를 설정해야 합니다. 스택 크기가 부족하면 스택 오버플로우가 발생할 수 있습니다.
• 태스크 우선순위: 태스크 간의 우선순위를 신중하게 설정하여 중요한 작업이 원활하게 수행되도록 해야 합니다.
• 실시간 성능: FreeRTOS는 실시간 운영체제이므로, 응답 시간이 중요한 작업에는 높은 우선순위를 부여해야 합니다.

마무리하며

오늘은 FreeRTOS의 기본 개념과 ESP-IDF에서 태스크를 생성하고 관리하는 방법에 대해 알아보았습니다. FreeRTOS는 복잡한 임베디드 애플리케이션을 개발하는 데 있어 매우 유용한 도구이며, 멀티태스킹을 통해 효율적으로 여러 작업을 처리할 수 있습니다.