FreeRTOS 큐(Queue) 완벽 가이드: 태스크 간 데이터 통신 및 예제 (CMSIS-RTOS v2)

임베디드 시스템에서 여러 개의 태스크(Task)가 동시에 돌아갈 때, 가장 중요한 문제 중 하나는 "어떻게 데이터를 안전하게 주고받을 것인가?"입니다. 전역 변수를 사용할 경우 데이터가 깨지는 레이스 컨디션(Race Condition)이 발생할 수 있습니다.

이를 해결하기 위해 FreeRTOS는 큐(Queue)라는 강력한 데이터 구조를 제공합니다. 이번 포스팅에서는 CMSIS-RTOS v2 표준 API를 사용하여 큐의 개념을 이해하고, 센서 데이터를 전송하는 실전 예제를 구현해 보겠습니다.

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1. 큐(Queue)란 무엇인가?

큐는 데이터 항목을 순서대로 저장하고 관리하는 자료 구조로, FIFO(First In First Out, 선입선출) 방식으로 동작합니다. 즉, 먼저 들어간 데이터가 가장 먼저 나옵니다.

언제 큐를 사용하는가?

1. 태스크 간 데이터 전송: 데이터를 생성하는 태스크(Producer)와 처리하는 태스크(Consumer) 간의 통신.
2. 인터럽트와 태스크 간 통신: ISR(인터럽트 서비스 루틴)에서 발생한 급박한 데이터를 태스크로 전달하여 후처리할 때.
3. 버퍼링: 데이터 생성 속도와 처리 속도가 다를 때 데이터를 임시 저장하는 완충 지대 역할.

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2. 핵심 API 사용법 (CMSIS-RTOS v2)

2.1 osMessageQueuePut(): 데이터 삽입

큐에 데이터를 삽입합니다. 큐가 가득 찼을 경우, 설정한 timeout 동안 대기할 수 있습니다.

C

 

osStatus_t osMessageQueuePut(osMessageQueueId_t mq_id, const void *msg_ptr, uint8_t msg_prio, uint32_t timeout);

• mq_id: 생성된 큐의 ID
• msg_ptr: 보낼 데이터의 주소
• timeout: 대기 시간 (osWaitForever 설정 시 데이터 공간이 생길 때까지 무한 대기)

2.2 osMessageQueueGet(): 데이터 추출

큐에서 데이터를 읽어옵니다. 큐가 비어 있다면 데이터가 들어올 때까지 대기합니다.

C

 

osStatus_t osMessageQueueGet(osMessageQueueId_t mq_id, void *msg_ptr, uint8_t *msg_prio, uint32_t timeout);

• msg_ptr: 데이터를 복사해올 버퍼 주소
• timeout: 데이터가 없을 경우 대기할 시간

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3. [실습] 센서 데이터 교환 시스템 구현

시나리오: SensorTask가 주기적으로 값을 읽어 큐에 넣으면, ProcessTask가 이를 받아 출력합니다.

Step 1: 큐 선언 및 생성

C

 

#include "cmsis_os2.h"

#define QUEUE_SIZE 5
osMessageQueueId_t messageQueue;

// main 함수 등 초기화 영역에서 생성
messageQueue = osMessageQueueNew(QUEUE_SIZE, sizeof(uint32_t), NULL);

Step 2: 데이터를 보내는 태스크 (Producer)

C

 

void SensorTask(void *argument) {
    uint32_t sensorData = 0;
    while (1) {
        sensorData = ReadSensor(); // 가상 센서 읽기 함수
        
        // 큐에 데이터 넣기 (대기 시간 0: 즉시 반환)
        if (osMessageQueuePut(messageQueue, &sensorData, 0, 0) == osOK) {
            // 송신 성공 로그
        }
        osDelay(1000); // 1초 주기
    }
}

Step 3: 데이터를 처리하는 태스크 (Consumer)

C

 

void ProcessTask(void *argument) {
    uint32_t receivedData;
    while (1) {
        // 데이터가 올 때까지 무한 대기
        if (osMessageQueueGet(messageQueue, &receivedData, NULL, osWaitForever) == osOK) {
            // 수신 데이터 처리 로직 (예: 출력 또는 연산)
            printf("Received: %lu\n", receivedData);
        }
    }
}

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4. 큐 활용 시 주의사항 (개발자 팁)

1. 복사 방식 전송: FreeRTOS 큐는 데이터의 '값'을 복사해서 저장합니다. 큰 구조체를 보낼 때는 포인터를 보내는 방식을 고려해야 메모리 오버헤드를 줄일 수 있습니다.
2. Timeout 설정: osWaitForever를 사용할 때는 데드락(Deadlock) 가능성을 항상 염두에 두어야 합니다.
3. 우선순위 역전: 큐를 기다리는 태스크들의 우선순위에 따라 스케줄링이 어떻게 변하는지 관찰하는 것이 중요합니다.

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결론

FreeRTOS의 큐는 실시간 시스템에서 데이터의 무결성을 지키며 태스크 간 협력을 가능하게 하는 가장 기본적인 도구입니다. 이번 포스팅에서 다룬 CMSIS-RTOS v2 API를 활용해 보다 안정적인 임베디드 소프트웨어를 설계해 보세요!

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도움이 되셨다면 공감과 댓글 부탁드립니다! 여러분은 큐를 어떤 용도로 주로 사용하시나요?