キュー（Queue）とはコンピュータ用語の一つで、FreeRTOSではデータをタスク間で転送する場合によく利用されます。語源は順番を待つものの列のことです。

キューは先入れ先出し(First In First Out)のデータ構造となっているバッファ（一時データ格納所）です。

これと逆の動作をする後入れ先出し（Last In First Out）のデータ構造となっているバッファはスタックといいます。

キューを使ったタスク間でのデータ転送の応用例として、EEPROMへのパラメータ書き込みによる保存について解説していきます。

処理Aを行うタスクTaskAと処理Bを行うTaskBが並列実行しているアプリケーションにおいて、それぞれのタスク内に存在するデータを外部メモリEEPROMに書き込んで保存します。

EEPROM書き込み専用タスクTaskCにデータの転送を行ってからキューの順番で書き込んでいきます。EEPROMの書き込み処理はマイコンの処理の中でも比較的時間を要するものです。このため、通常の処理を行うTaskAやTaskBで書き込みを行ってしまうと、肝心な処理が中断してしまいます。

そこで、EEPROMの書き込みだけを行うタスクとしてTaskCを作成し、キューの順番にしたがって処理を行うと効率がよくなります。

キューを利用するためにはまずキューのハンドル用変数xQueueを宣言しておきます。ハンドル用変数とは操作で扱う変数と理解しておいてください。この変数でタスク間のデータ受け渡しを行います。

次にxQueueCreate関数でキューバッファを作成します。

関数の第1引数にはキューに格納するデータの個数を、第2引数にはキューに格納するデータ１つあたりのバイト数を指定します。この例では格納データの個数は10、受け渡すデータは最大255までの数値のため、データ長は1バイトを指定します。これでキューバッファのためのメモリが確保され、キューが使用できるようになります。

この例では、キューバッファにはEEPROMに保存したいデータ値そのものを渡すのではなくデータ値のIDの受け渡しを行っています。そのため、キューのデータ長さは1(1byte)なのですが、文字列などの受け渡しもできます。その場合は使用する文字の個数（1文字1byte）を指定します。

ただし、キューを作成することはメモリを確保することなのでメモリが不十分で確保に失敗するとxQueueCreate関数の返り値ハンドル用変数xQueueはNULLとなります。キューを作成する場合は上例のようにキュー作成の確保を確認してから次に進めます。

キューへデータを渡す（キューへの送信）には処理を行う各タスク内で行います。

キューへのデータ送信はxQueueSendToBack関数を使用します。関数の第1引数はキューハンドル用変数xQueueを、第2引数には送信するデータのポインタ（アドレス）を指定します。関数の第3引数はキューの最大の待ち時間を指定します。指定時間の単位はTickです。マクロのportMAX_DELAYを指定すると待ち時間は制限なしになります。逆に0を指定すると待ち時間はなしになります。

キューへ格納したデータを受け取るのは（キューからの受信）のはタスク内で行います。データを処理したいタスク内で行います。この例ではEEPROMの書き込み専用タスクTaskCで行います。

キューからデータ受信はxQueueReceive関数を使用します。キューからのデータを格納する変数を準備しておきます。この例では1バイトのqueue_bufferとしています。関数の第1引数はキューハンドル用変数xQueueを、第2引数にはデータ格納変数queue_bufferのポインタ（アドレス）を指定します。関数の第3引数はキューの最大の待ち時間を指定します。

送信のときとデータの流れは逆になり、キューからキューハンドル変数xQueueを介してデータを受け取り、データ格納変数queue_bufferで受け取ってそのデータ値にしたがって順次処理していく要領です。

このため、TaskCの実行周期がまわってきたときにキューバッファが空になるまでEEPROMの書き込みを実行することになります。これでTaskAとTaskBは自分の処理だけに集中できることになります。

サンプル例では通常の処理TaskAやTaskBで発生したデータをとりあえずキューバッファにためておいて、比較的実行周期は長めで優先順位は高く設定したEEPROM書き込み専用タスクTaskCに渡しています（優先順位に関しては処理によります）。

アプリケーションプログラムで2種類の処理Aと処理BをRTOSでタスク管理する方法について解説します。処理AはTaskA、処理BはTaskBとして優先順位のあるなし、タスク実行頻度の指定あるなしでどのように実行されるかを見ていきましょう。

FreeRTOSの基本設定では1秒間にTick数を1000で指定しているのでタイムスライス（Tick）は1msです。

つまり、タイムスライス1ms毎にTaskAとTaskBは交互に実行中状態とレディー状態がRTOSカーネルにより切り替えられます。タイムスライス1msの間に処理Aおよび処理Bの内容をそれぞれ繰り返します。例えば、図のように処理Aを一回実行するのに要する時間が0.2msであれば5回処理を繰り返したところで処理Bに切り替わります。

優先順位はxTaskCreate関数の第5引数の数値を1から5まで指定します。（設定ヘッダファイルFreeRTOSConfig.hのconfigMAX_PRIORITIESを6にした場合）
FreeRTOSでは数値が大きい方が優先順位は高くなります。ここではTaskAに優先度2、TaskBに優先度1を指定していますのでTaskAの優先度が高くなります。

TaskAの実行を一定時間中断させるためにはvTaskDelay関数を使用します。関数の引数には待ち時間を指定します。Tickが1msなので引数を5に指定して処理Aを一度実行するとTaskAは5ms間ブロック状態(blocked)となり中断します。この後コンテキストスイッチによりTaskBに切り替わり実行中（Running）となります。

待ち時間5msが経過するとTaskAは最優先度ですので再び実行します。つまり、約5msの周期で処理Aが一度だけ行われます。

次の例は、動作はtype3と同じなのですが、タスクにパラメータを渡しています。
xTaskCreate関数の第4引数に渡したい値を格納したポインタを指定しますとタスクにパラメータ（値）を渡すことができます。TaskAとTaskBのそれぞれの待ち時間を渡す例です。

これまでの例ではvTaskDelay関数でタスクに待ち時間を入れていました。タスク内の処理に要する時間はまちまちのため、実行周期は多少前後します。

実行周期を正確に設定したい場合はvTaskDelayUntil関数を使用します。サンプル図のような構成で、xTaskGetTickCount関数で前回のタスク起動時間を取得してvTaskDelayUntil関数に渡しています。

いままでは待ち時間で時間を指定するのに引数の単位はTickでした。指定単位をmsにするためにはFreeRTOSの定数portTICK_RATE_MSを図のように使用すれば指定値の単位をmsとすることができます。

Tickがちょうど1msであれば定数portTICK_RATE_MSを使用しなくても指定値の単位はmsとなりますが、そうでない場合に使用すると便利です。

FreeRTOSでは任意に複数のタスクのうち、特定のタスクを有効にしたり、無効にしたりすることができます。
xTaskCreate関数で登録したタスクはプログラムが開始するとRTOSカーネルの管理のもとに順次実行されます。

実際のアプリケーションでは複数の機能としてタスクを登録するのですが、登録したすべてが常に必要でなく、必要に応じて有効にしたり、他のタスクと入れ替えたりしながら使用する用途も多いです。

このようなタスクの切り替えに使用するものがvTaskResume関数とvTaskSupend関数です。

関数の引数はxTaskCreat関数の第6引数で指定したタスクハンドラを指定します。タスクが有効な場合にvTaskSuspend関数を実行するとどの状態からもサスペンド状態(Supened)に移行し、休止状態となります。vTaskResume関数を実行するとまずレディー状態(Ready)へ移行して、優先順位などの条件次第で実行中(Running)となります。

タスク切り替えのプログラム例を挙げてみます。
TaskCはタスク切り替え用管理タスクとして、switch関数で変数”mode”が0か1でTaskA、TaskBを切り替えています。

これまでRTOSを使用してタスク管理を解説してきましたが、RTOSを使用しなければ結構手間のかかる処理が、RTOSではいとも簡単に実現できてしまいます。ここではRTOSの基本的なタスク管理に限っていますがこれでも大抵のアプリケーションは実現できてしまいます。慣れるに従って更に踏み込んで発展させて、より効率のよいシステムを構築してみてください。

FreeRTOSはオープンソースとして提供されており、無償で商用アプリケーションに使用することができるマイクロコントローラーおよび小型マイクロプロセッサ向けのリアルタイムオペレーティングシステム (RTOS) です。現状ではAmazon社が維持管理しています。

FreeRTOSはフリーで使用できるのですが、RTOSとして要求される基本機能はそろっており、必要最低限に絞って使用し、コードサイズを小さくすることもできます。 

当サイトではFreeRTOS機能のうちタスクの管理（優先度設定、実行頻度設定、タスク切換え）、キュー（待ち行列）を使ったアプリケーションを解説したいとおもいます。（タスク間通信のバイナリセマフォ、カウンティングセマフォ、ミューテックスについてはとりあげていません）

STM32マイコンの最新開発環境であるSTM32CubeIDEでは自動生成ツールSTM32CubeMXの流れでFreeRTOSも手順に従うと自動的に組み込むことができます。

ところが、自動生成されたコードはペリフェラルドライバがHALになり抽象化されたようにRTOSコードも抽象化されたCMSIS（ARM　Cortex規格）のAPI（Application Programming Interface）がベースのものになっており従来のFreeRTOSとは似ても似つかないものになっています。

早速FreeRTOSを採用したプログラムの構成について見ていきましょう。

タスク管理を行うRTOSの中核部分をカーネルといいます。
アプリケーションプログラムにおいて処理Aと処理Bをそれぞれのタスクに登録してカーネルを起動（タスクスケジューラスタート）して並列処理（マルチタスク）させる例です。

FreeRTOSを使用する場合はまず使用するタスクを登録します。処理Aと処理Bはタスク関数（TaskAとTaskB）として登録し、それぞれの関数のなかにある無限ループwhile(1)内に記述します。この例では処理AをTaskA関数内に、処理BをTaskB関数内に記述します。

それぞれの処理は無限ループ内にありますが、RTOSカーネルがCPUの状態を退避させたり復元したりしてタスクを切り替えます。この切替処理をコンテキストスイッチといいます。

タスクを登録するためにはxTaskCreate関数を使用します。

関数の第1引数はタスク関数名、第2引数はデバッグ用タスク名とありますが例のようにタスク名でいいと思います。第3引数はタスクのデータを格納するスタックの大きさ、第4引数はタスクに渡すパラメータへのポインタ、第5引数は優先順位、そして第6引数はタスク管理に使用するハンドラです。
引数の定義として説明するのに言葉で表すとわかりにくいので例をあげて説明します。

これら引数について具体例で後に説明しますが基本設定ヘッダファイルFreeRTOSConfig.hで設定するパラメータと関連するものもあります。

第3引数はタスクで使用するデータを保管するスタック容量でオーバーフローが起きない程度は確保しておく必要があります。ワード単位で指定し、最小奨励スタック領域は128ワード（512バイト）で標準的に192ワード（768バイト）としておけば大抵は安定しています。ただ、スタック容量は大きい方が安定して安心なのですが、タスク数が増える場合はマイコンのRAM容量を超えないようにしなければいけません。実際にプログラムを動かしながら加減するようにします。

第4,5,6引数は後に実例で解説します。

タスクを登録したあとはvTaskStartScheduler関数を実行するとRTOSのカーネルが起動（スケジューラ起動）します。

main関数の最後には無限ループwhile(1)を挿入しておきます。必要あればこの無限ループ内にエラー処理などを記述しておきます。カーネルが起動し、タスクが実行されると、あらかじめ設定した切り替える期間（タイムスライス）で自動的にタスクは切り替わり（コンテキストスイッチ）交互に実行されます。

FreeRTOSタスク管理の基本的な構成は図に示したものをこれまで解説してきたとおりです。実際のアプリケーションにおいてタスク優先順位、タスク実行頻度を設定したり、タスクの有効、無効を切り替えたりできるようになれば、より複雑で多機能なシステムを容易で柔軟に実現できるようになります。

初期設定はヘッダファイルFreeRTOSConfig.hでパラメータの指定を行います。使用する機能の有無も指定できますので必要な機能だけに絞った設定でサイズを小さくすることができます。この設定ファイルは「Source」フォルダ直下に置いておきます。この中で特に重要なパラメータについて解説していきます。

このファイルの冒頭部分で割り込みハンドラの名称の変更定義を追加していますがこれはFreeRTOSで使用するハンドラ名称とARM Cortex-M3で使用するハンドラ名称が異なるからです。STM32で使われる標準名称に修正しています。

教材ボードではクロックは72MHzですのでconfigCPU_CLOCK_HZは72000000を指定しています。タイムスライス単位を1msとするためconfigTICK_RATE_HZは1秒間のTick数を1000（Tick:1ms）に指定しています。これでタスクを切り替えるコンテキストスイッチが1msごとに発生します。

タスク優先度は5段階としたいためにconfigMAX_PRIORITIESは5に指定しています。優先度は0(IDLEタスク）から機能しますので、この場合、設定優先度は1から4までとなります。必要以上に大きな値を指定するとそれだけメモリを消費します。configMINIMAL_STACK_SIZEには128を指定しておきます。RTOSに割り当てるRAM合計サイズとして確保する値をconfigTOTAL_HEAP_SIZEに指定します。登録するタスクの数と各タスクに割り当てる容量を考慮して値を指定します。

最後のconfigMAX_TASK_NAME_LEN(タスク名最大長）は16(半角16文字)を指定しておきます。

教材ボードではRAMが64kで十分なためRTOSに割り当てるメモリ容量は少し贅沢な設定としていますが、RAMが小さい場合はシビアに調整する必要があります。RTOSを使用するアプリケーションではRAM容量の大部分はRTOSの割当になりますのでマイコンの仕様に合わせて意識して設定するようにしてください。

これでFreeRTOSの初期設定は完了ですので、あとはアプリケーションに合わせて、どのようなタスクの管理ができるかを解説していきます。

OS（オペレーティングシステム）とはコンピュータシステム全体を管理、コントロールしている基本的なソフトウェアのことで、PC、スマートフォン、タブレットで使われているマイクロソフト社のWindows、Google社のAndroid、アップル社のiOSそしてオープンソースのLinuxなどはよく耳にすることがあるかとおもいます。これらは汎用OSと呼ばれるものです。

PCやタブレット等の使用者はCPU、メモリといったハードウェアとアプリケーションPCやスマートフォンを使うときに汎用OSがあるおかげでアプリケーションの使い方を知るだけでよく、PCの仕組みなどハードウェアを意識する必要はありません。通信プロトコルや画面表示用グラフィックなど多機能がOSに盛り込まれている分サイズは大きいです。

汎用OSではアプリケーションを割り当てられた一定時間ごとに切り替えるラウンドロビンスケジューリングと呼ばれる方式ですので、すぐに処理を行いたいタスクの場合でも、他に実行しているタスクが完了するまで待たなければなりません。そのため、厳密な処理時間を管理するハードウェアのコントロールには向いていません。

組み込みで使用するOSはリアルタイムOS(Real Time Operating System)と呼ばれるもので処理時間を予測でき、処理の順番を優先順位で調整して処理時間を厳密に守ることができるリアルタイム性をもって応答速度を重視したOSです。

実行する各処理のことをタスク（スレッド）と呼び、複数のタスクに優先度を設けてタスクスケジューリングを行います。これをタスク優先度スケジューリングと呼んでいます。ハードウェアをコントロールするための必要な最低限の機能を備えていますのでサイズは小さく軽量です。

アプリケーションで多機能となり処理が複数になってくると、通常に処理を順次実行するだけでは仕様を満たすのは困難です。処理には実行頻度の多いものがあれば少なくてすむものもあります。また、緊急性の高いものがあれば表示など比較的後回しにしてもよい処理もあります。

緊急性の高い処理に関しては通常の処理に混じえて、割り込み処理を多用しなければなりませんが複数の割り込み処理が大部分を占めたプログラムというのもシステムの安定性からみて信頼性があるとはいえません。優先度も、頻度もまちまちな処理を割り込みだけで構成するのは大変です。

当サイトではリアルタイムOSの紹介としてFreeRTOSとSTM32アプリを組み合わせたものを一部取り上げ解説していきます。特に複数のタスク管理方法とキューについて詳細を解説しています。

リアルタイムOSは細かな使用方法や設定はOSやマイコンの種類により異なってきますのでつど知識を更新する必要はありますがリアルタイムOSで利用できる基本的な概念はOSやマイコンの種類によらず共通のものですのでここではリアルタイムOSを使用しているときのプログラムの流れをつかむようにしてください。

リアルタイムOSを使用したプログラムを構築するのに初めは試行錯誤する部分はありますが、一度完成すると後はテンプレートとして簡単に応用できます。

当サイトでは使用する教材ボードのマイコンに合わせてFreeRTOSの設定を済ませています。すぐにリアルタイムOSを使用でき、動作確認ができるようになっているのでマイコンの学習をすすめながらぜひ同時にリアルタイムOSを使ってください。