STM32: FreeRTOS를 이용한 실시간 제어 시스템 개발 🚀

안녕하세요, 여러분! 오늘은 정말 흥미진진한 주제로 여러분과 함께할 거예요. 바로 'STM32와 FreeRTOS를 이용한 실시간 제어 시스템 개발'에 대해 알아볼 거랍니다. 이 주제, 듣기만 해도 좀 어렵고 복잡해 보이죠? ㅋㅋㅋ 걱정 마세요! 제가 쉽고 재미있게 설명해드릴게요. 마치 카톡으로 친구와 대화하듯이 편하게 읽어주세요! 😉

우선, 이 글은 '프로그램 개발' 카테고리의 '프로그램/소스'에 속하는 내용이에요. 그래서 우리는 실제로 코드도 좀 들여다보고, 시스템을 어떻게 구축하는지 자세히 알아볼 거예요. 재능넷(https://www.jaenung.net)의 '지식인의 숲' 메뉴에 등록될 이 글을 통해, 여러분도 곧 STM32와 FreeRTOS의 달인이 될 수 있을 거예요! 🌳🧠

잠깐! 알고 가세요 📢

STM32와 FreeRTOS라는 단어가 생소하신가요? 걱정 마세요! 이 글을 다 읽고 나면, 여러분도 이 용어들을 술술 이야기할 수 있게 될 거예요. 그리고 혹시 이 분야에 더 깊이 빠져들고 싶다면? 재능넷에서 관련 전문가를 찾아 1:1로 배울 수도 있답니다! 😎

1. STM32란 뭘까요? 🤔

자, 이제 본격적으로 시작해볼까요? 먼저 STM32에 대해 알아봐요. STM32는 뭔가 어려워 보이는 이름이죠? ㅋㅋㅋ 하지만 걱정 마세요, 생각보다 쉬워요!

STM32는 ST마이크로일렉트로닉스라는 회사에서 만든 32비트 마이크로컨트롤러예요. 어, 잠깐! 마이크로컨트롤러라고요? 네, 맞아요. 마이크로컨트롤러는 작은 컴퓨터라고 생각하면 돼요. 우리가 일상적으로 사용하는 스마트폰이나 노트북같은 컴퓨터보다는 훨씬 작고 단순하지만, 특정한 일을 수행하는 데 특화된 작은 컴퓨터랍니다.

STM32는 특히 임베디드 시스템에서 많이 사용돼요. 임베디드 시스템이란 특정 기능을 수행하기 위해 컴퓨터 기능을 내장시킨 시스템을 말해요. 예를 들면, 전자레인지, 세탁기, 자동차의 ECU(Electronic Control Unit) 등이 모두 임베디드 시스템이에요. 이런 시스템들은 모두 작은 컴퓨터(마이크로컨트롤러)가 내장되어 있어서 특정 기능을 수행하는 거죠.

재미있는 사실! 🎉

STM32는 ARM Cortex-M 프로세서를 기반으로 하고 있어요. ARM? 어디서 많이 들어본 것 같죠? 맞아요, 여러분의 스마트폰에도 ARM 프로세서가 들어있을 가능성이 높답니다! STM32는 이 ARM 기술을 이용해서 만든 마이크로컨트롤러예요. 그러니까 여러분의 스마트폰과 STM32는 먼~친척 관계라고 할 수 있겠네요! ㅋㅋㅋ

STM32의 특징을 좀 더 자세히 알아볼까요?

🚀 고성능: STM32는 32비트 프로세서를 사용해서 복잡한 연산을 빠르게 처리할 수 있어요.
💡 저전력: 배터리로 동작하는 기기에 적합해요. 전력 소비가 적어서 오래 사용할 수 있죠.
🔌 다양한 주변장치: USB, I2C, SPI 등 다양한 통신 인터페이스를 지원해요. 이게 무슨 말이냐고요? 쉽게 말해, 다른 기기나 센서와 쉽게 연결할 수 있다는 뜻이에요!
🛠 개발 도구의 다양성: STM32를 위한 개발 도구가 많이 있어서 개발자들이 편리하게 사용할 수 있어요.

이렇게 보니 STM32가 왜 인기 있는지 알겠죠? 성능도 좋고, 전력 소비도 적고, 다른 기기와도 잘 연결되고, 개발하기도 편리하니까요. 마치 만능 엔터테이너 같아요! ㅋㅋㅋ

위의 그림은 STM32 마이크로컨트롤러의 기본적인 구조를 보여줘요. CPU, 메모리, 그리고 다양한 주변장치들이 내부 버스로 연결되어 있죠. 이 구조 덕분에 STM32는 효율적으로 동작할 수 있어요.

2. FreeRTOS: 실시간 운영체제의 강자 💪

자, 이제 FreeRTOS에 대해 알아볼 차례예요. FreeRTOS라니, 뭔가 공짜(Free)같은데 RTOS는 뭘까요? ㅋㅋㅋ

RTOS는 Real-Time Operating System의 약자로, 실시간 운영체제를 뜻해요. 그리고 FreeRTOS는 이 RTOS 중에서도 무료로 사용할 수 있는 오픈소스 운영체제랍니다. 실시간 운영체제라고 하니까 뭔가 어려워 보이죠? 걱정 마세요, 차근차근 설명해드릴게요!

실시간 운영체제란? ⏰

실시간 운영체제는 정해진 시간 안에 특정 작업을 반드시 처리할 수 있도록 보장하는 운영체제예요. 예를 들어, 자동차의 에어백 시스템을 생각해보세요. 충돌이 감지되면 몇 밀리초 안에 에어백이 터져야 해요. 이런 시간이 중요한 시스템에서 실시간 운영체제가 사용됩니다.

FreeRTOS의 특징을 좀 더 자세히 알아볼까요?

🕰 실시간성: 정해진 시간 내에 작업을 처리할 수 있어요.
🧵 멀티태스킹: 여러 작업을 동시에 처리할 수 있어요. 마치 여러분이 음악을 들으면서 채팅하고 게임하는 것처럼요! ㅋㅋㅋ
🆓 무료: 이름에서 알 수 있듯이 무료로 사용할 수 있어요.
📱 이식성: 다양한 마이크로컨트롤러에서 사용할 수 있어요. STM32뿐만 아니라 다른 마이크로컨트롤러에서도 잘 동작한답니다.
📚 풍부한 문서: 사용 방법과 예제가 잘 정리되어 있어서 배우기 쉬워요.

FreeRTOS를 사용하면 복잡한 임베디드 시스템을 더 쉽게 개발할 수 있어요. 여러 작업을 동시에 처리해야 하는 경우, FreeRTOS가 그 작업들을 잘 관리해주거든요. 마치 여러분의 집에 똑똑한 집사가 있어서 모든 일을 체계적으로 관리해주는 것과 비슷해요! 👨‍🦳✨

위 그림은 FreeRTOS가 어떻게 여러 태스크(작업)를 관리하는지 보여줘요. FreeRTOS 커널이 여러 태스크를 번갈아가며 실행시키는 거죠. 이렇게 하면 여러 작업을 '동시에' 처리하는 것처럼 보이게 할 수 있어요. 멋지죠? 😎

3. STM32 + FreeRTOS: 최강의 콤보! 🤜🤛

자, 이제 STM32와 FreeRTOS에 대해 각각 알아봤으니, 이 둘을 합치면 어떻게 될까요? 바로 실시간 제어 시스템의 최강 콤보가 탄생합니다! ㅋㅋㅋ

STM32의 강력한 하드웨어 성능과 FreeRTOS의 효율적인 태스크 관리 능력이 만나면, 복잡한 실시간 제어 시스템을 쉽게 구현할 수 있어요. 이게 바로 많은 개발자들이 STM32와 FreeRTOS를 함께 사용하는 이유랍니다.

실제 사용 예시 🌟

STM32와 FreeRTOS의 조합은 다양한 분야에서 사용되고 있어요. 예를 들면:

산업용 로봇 제어 시스템
스마트 홈 기기
의료 기기
자동차 전자 제어 장치
드론 비행 제어 시스템

이런 시스템들은 모두 실시간으로 여러 작업을 처리해야 하기 때문에 STM32와 FreeRTOS의 조합이 딱이에요!

그럼 이제 STM32와 FreeRTOS를 이용해서 실제로 어떻게 시스템을 개발하는지 알아볼까요? 😃

4. STM32 + FreeRTOS 개발 시작하기 🚀

자, 이제 본격적으로 STM32와 FreeRTOS를 이용해서 개발을 시작해볼까요? 걱정 마세요, 어렵지 않아요! 마치 레고 블록을 조립하는 것처럼 차근차근 해나가면 돼요. ㅋㅋㅋ

먼저, 개발에 필요한 도구들을 준비해볼게요:

🖥 STM32CubeIDE: ST에서 제공하는 통합 개발 환경이에요. 이 프로그램으로 코드를 작성하고 컴파일하고 디버깅할 수 있어요.
📦 STM32Cube: STM32 마이크로컨트롤러를 위한 소프트웨어 개발 키트예요. 여기에 FreeRTOS도 포함되어 있어요!
🔌 ST-LINK: STM32 보드와 컴퓨터를 연결하는 디버거/프로그래머예요.
🧠 STM32 개발 보드: 실제로 코드를 실행할 STM32 마이크로컨트롤러가 탑재된 보드예요.

이 도구들만 있으면 우리는 STM32 + FreeRTOS 개발을 시작할 준비가 된 거예요! 👍

그럼 이제 실제로 개발을 시작해볼까요? 간단한 예제를 통해 STM32와 FreeRTOS를 어떻게 사용하는지 알아보겠습니다.

4.1 프로젝트 생성하기

1. STM32CubeIDE를 실행하고 새 프로젝트를 만들어요.

2. 사용할 STM32 보드를 선택해요. (예: STM32F4 Discovery)

3. 프로젝트 이름을 정하고 생성해요.

여기까지 하면 기본적인 프로젝트 구조가 만들어져요. 이제 FreeRTOS를 추가해볼까요?

4.2 FreeRTOS 추가하기

1. 프로젝트 설정에서 'Middleware' 탭으로 이동해요.

2. 'FreeRTOS' 옵션을 체크해요.

3. FreeRTOS 설정에서 필요한 옵션들을 선택해요. (예: 사용할 힙 크기, 태스크 우선순위 등)

이렇게 하면 FreeRTOS가 프로젝트에 추가돼요. 이제 FreeRTOS의 기능들을 사용할 수 있게 된 거죠!

4.3 간단한 예제 코드 작성하기

자, 이제 실제로 코드를 작성해볼까요? LED를 깜빡이는 간단한 예제를 만들어볼게요. 이 예제에서는 두 개의 태스크를 만들어서 각각 다른 주기로 LED를 깜빡이게 할 거예요.


#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"

void LED_Task1(void *argument);
void LED_Task2(void *argument);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();

  // LED 초기화
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

  // FreeRTOS 태스크 생성
  osThreadDef(LED_Task1, LED_Task1, osPriorityNormal, 0, 128);
  osThreadCreate(osThread(LED_Task1), NULL);

  osThreadDef(LED_Task2, LED_Task2, osPriorityNormal, 0, 128);
  osThreadCreate(osThread(LED_Task2), NULL);

  // FreeRTOS 스케줄러 시작
  osKernelStart();

  while (1)
  {
    // 이 루프는 실행되지 않아요. 모든 작업은 FreeRTOS 태스크에서 처리돼요.
  }
}

void LED_Task1(void *argument)
{
  while(1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12);
    osDelay(500); // 500ms 대기
  }
}

void LED_Task2(void *argument)
{
  while(1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_13);
    osDelay(1000); // 1000ms 대기
  }
}

이 코드는 뭘 하는 걸까요? 간단히 설명해드릴게요! 😊

먼저 필요한 헤더 파일들을 포함시켜요.
LED를 제어할 두 개의 태스크 함수를 선언해요.
main 함수에서는 시스템 초기화와 LED 핀 설정을 해요.
그 다음 FreeRTOS 태스크를 두 개 만들어요. 각각 LED_Task1과 LED_Task2예요.
FreeRTOS 스케줄러를 시작해요.
LED_Task1은 500ms마다 한 번씩 LED를 깜빡여요.
LED_Task2는 1000ms마다 한 번씩 다른 LED를 깜빡여요.

이렇게 하면 두 개의 LED가 서로 다른 주기로 깜빡이는 걸 볼 수 있어요. 멋지죠? ㅋㅋㅋ

알아두세요! 💡

FreeRTOS에서는 osDelay() 함수를 사용해서 태스크를 일정 시간 동안 대기시킬 수 있어요. 이 함수를 사용하면 다른 태스크가 실행될 수 있는 기회를 줄 수 있죠. 이런 방식으로 여러 태스크가 효율적으로 실행될 수 있어요!

4.4 코드 컴파일 및 업로드

자, 이제 코드를 다 작성했으니 컴파일하고 STM32 보드에 업로드해볼까요?

STM32CubeIDE에서 '빌드' 버튼을 클릭해서 코드를 컴파일해요.
컴파일이 성공적으로 끝나면, ST-LINK를 이용해 STM32 보드와 컴퓨터를 연결해요.
'디버그' 버튼을 클릭해서 코드를 보드에 업로드하고 실행해요.

와! 이제 두 개의 LED가 서로 다른 속도로 깜빡이는 걸 볼 수 있을 거예요. 축하드려요! 여러분이 방금 STM32와 FreeRTOS를 이용한 첫 번째 프로그램을 만든 거예요! 🎉🎉🎉

5. STM32 + FreeRTOS 개발의 장점 🌟

자, 이제 우리가 왜 STM32와 FreeRTOS를 함께 사용하는지 좀 더 자세히 알아볼까요? 이 조합이 가진 장점들을 살펴보면, 여러분도 '아하! 이래서 이 조합을 쓰는구나!' 하고 이해할 수 있을 거예요. ㅋㅋㅋ

5.1 멀티태스킹의 편리함

FreeRTOS를 사용하면 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이게 할 수 있어요. 우리가 방금 만든 예제에서도 두 개의 LED를 각각 다른 주기로 깜빡이게 했죠? 이렇게 여러 작업을 동시에 처리하는 걸 '멀티태스킹'이라고 해요.

멀티태스킹이 없다면 어떻게 될까요? 예를 들어볼게요:


while(1) {
    // LED1 깜빡이기
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12);
    HAL_Delay(500);

    // LED2 깜빡이기
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_13);
    HAL_Delay(1000);
}

이렇게 하면 LED1이 깜빡인 다음에 LED2가 깜빡이고, 다시 LED1이 깜빡이는 식으로 진행돼요. 두 LED가 독립적으로 깜빡이지 않죠. 하지만 FreeRTOS를 사용하면 각 LED가 독립적으로 깜빡일 수 있어요. 이게 바로 멀티태스킹의 힘이에요! 😎

5.2 실시간 응답성

FreeRTOS는 '실시간' 운영체제예요. 이는 중요한 작업을 정해진 시간 내에 반드시 처리할 수 있다는 뜻이에요. 예를 들어, 자동차의 에어백 시스템을 생각해보세요. 충돌이 감지되면 몇 밀리초 안에 에어백이 터져야 해요. 이런 시간이 중요한 시스템에서 FreeRTOS가 큰 역할을 할 수 있어요.

실제 사용 예시 🚗

자동차의 브레이크 시스템을 예로 들어볼까요? 브레이크 페달을 밟으면 즉시 반응해야 하죠. FreeRTOS를 사용하면 브레이크 신호를 최우선으로 처리하도록 설정할 수 있어요. 다른 작업(예: 라디오 재생)이 실행 중이더라도, 브레이크 신호가 들어오면 즉시 처리할 수 있게 되는 거죠!

5.3 메모리 관리의 효율성

FreeRTOS는 효율적인 메모리 관리 기능을 제공해요. STM32같은 임베디드 시스템은 보통 메모리가 제한적이에요. 그래서 메모리를 효율적으로 사용하는 게 정말 중요하죠.

FreeRTOS는 동적 메모리 할당을 지원해요. 이게 무슨 말이냐고요? 쉽게 설명해드릴게요! ㅋㅋㅋ

동적 메모리 할당은 프로그램이 실행되는 동안 필요할 때마다 메모리를 할당받고, 필요 없어지면 반환하는 기능이에요. 마치 여러분이 필요할 때 연필을 빌리고, 다 쓰면 돌려주는 것과 비슷해요. 이렇게 하면 메모리를 더 효율적으로 사용할 수 있어요!


void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
void vPortFree( void *pv );

이 두 함수가 FreeRTOS에서 동적 메모리 할당을 위해 사용되는 함수예요. pvPortMalloc은 메모리를 할당받고, vPortFree는 메모리를 반환하는 함수죠.

5.4 인터럽트 처리의 용이성

STM32와 FreeRTOS를 함께 사용하면 인터럽트 처리가 훨씬 쉬워져요. 인터럽트? 뭔가 어려워 보이는 단어죠? ㅋㅋㅋ 걱정 마세요, 쉽게 설명해드릴게요!

인터럽트는 갑자기 발생하는 중요한 이벤트예요. 예를 들어, 버튼을 누르거나 센서에서 특정 값을 감지했을 때 발생할 수 있어요. 이런 이벤트가 발생하면 현재 실행 중인 작업을 잠시 중단하고 인터럽트를 처리해야 해요.

FreeRTOS는 인터럽트 처리를 위한 특별한 기능들을 제공해요. 예를 들어, 인터럽트에서 태스크로 신호를 보내는 기능이 있어요:


void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    // 인터럽트 플래그 클리어
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
    
    // 태스크에 신호 보내기
    vTaskNotifyGiveFromISR(myTaskHandle, &xHigherPriorityTaskWoken);
    
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}