學完本章你將能夠：

  • 用 Queue 傳遞命令結構，避免任務之間共享可變全域狀態。

  • 區分二進位信號量、計數信號量與 Mutex，並選對「DMA 完成」同步。

  • 在 ISR 裡只呼叫 |*FromISR|，並正確處理 |pxHigherPriorityTaskWoken|。

  • 解釋優先權反轉，以及 Mutex 的優先權繼承如何緩解它。

多任務一旦開始「順便改同一個 |g_light_on|」，bug 就會變成時序競賽。 正確做法：誰擁有資料，誰才改它；其他人傳訊息。

Queue：把命令當成郵件

本專案的核心型別：

typedef enum CMD_NONE = 0, CMD_LIGHT_ON, CMD_LIGHT_OFF, CMD_LIGHT_UP, CMD_LIGHT_DOWN, CMD_FAN_ON, CMD_FAN_OFF, CMD_FAN_UP, CMD_FAN_DOWN, CMD_DOOR_OPEN, CMD_DOOR_CLOSE, CMD_RELAY_ON, CMD_RELAY_OFF, CMD_BUZZER_BEEP, CMD_BUZZER_OFF, CMD_QUERY_TEMP, CMD_ALL_OFF, CMD_ENTER_SLEEP, CMD_HOME_LEAVE, /* 離家模式（第 10 章練習） */ CMD_LIGHT_SET, CMD_FAN_SET /* 絕對值，智慧助理用（第 13 章） */ cmd_id_t;

typedef enum /* 指令來源：稽核與安全政策用 */ CMD_SRC_LOCAL = 0, /* 路徑 A/B 本地語音 */ CMD_SRC_GATEWAY, /* 路徑 C 智慧助理（第 13 章） */ CMD_SRC_DEBUG cmd_src_t;

typedef struct cmd_id_t id; uint8_t arg; /* 可選參數，例如亮度絕對值 */ uint8_t src; /* cmd_src_t；省略初始化時即為本地 */ uint32_t tick; /* 產生時間，便於逾時丟棄 */ cmd_msg_t;

ASR 任務（或 UART 除錯任務）|xQueueSend|；Device 任務 |xQueueReceive|。|src| 標記指令從哪裡來——本地語音、智慧助理 閘道或除錯口——第 13 章的安全政策與稽核 log 都靠它。佇列深度 8 通常 夠用：語音指令是人類速度，不是每毫秒一筆。音訊幀則用另一條更深、元素更大的佇列，或改 ring buffer + 信號量（第 8 章）。

void vTaskDevice(void *arg) cmd_msg_t msg; (void)arg; for (;;) if (xQueueReceive(g_cmd_q, &msg, portMAX_DELAY) == pdTRUE) device_apply(&msg);

Semaphore：事件，不是資料

I2S DMA 半滿／全滿時，ISR 給二進位信號量，Audio 任務被喚醒去處理 已經在靜態緩衝裡的資料——不必把 320 bytes 複製進佇列。

void HAL_I2S_RxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s) BaseType_t woken = pdFALSE; (void)hi2s; xSemaphoreGiveFromISR(g_audio_sem, &woken); portYIELD_FROM_ISR(woken);

計數信號量適合「生產比消費快一點」的短突發；若計數一直漲，代表消費者 太慢，應降取樣或升優先權，而不是把最大值設成 1000 假裝沒事。

Mutex：保護共享匯流排

I2C 上若掛了溫濕度與 OLED，兩個任務不能交錯發出起始條件。Mutex 與 二進位信號量的差別：Mutex 有持有者、可優先權繼承，且不可在 ISR 裡 Give/Take。

void sensor_read_temp(float *out) xSemaphoreTake(g_i2c_mtx, portMAX_DELAY); dht_or_sht_read(out); xSemaphoreGive(g_i2c_mtx);

UART 輸出同樣需要鎖，或（較佳）讓唯一的 Log 任務從佇列取字串再送， 其他任務只 |xQueueSend|。後者沒有「持鎖時被搶佔導致亂碼」的問題。

優先權反轉（課堂必考）

低優先權任務持有 I2C Mutex，高優先權任務也要 I2C，卻被一個不需要 I2C 的中優先權任務一直搶 CPU——高優先權等於被中優先權卡住。Mutex 的 優先權繼承會把持鎖者暫時提升，縮短這個窗口。信號量沒有繼承，因此 I2C／SPI 這種臨界區請用 Mutex。

實驗：按鍵經佇列切設備

firmware/lab05_queue_semaphore/。EXTI 按鍵 ISR 送 CMD_LIGHT_ON/OFF 進佇列；Device 任務執行。另用一個週期任務 嘗試印 log，證明沒有 mutex／log 佇列時會交錯，加上之後就整齊。

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t pin) cmd_msg_t msg = .id = CMD_LIGHT_ON, .arg = 0, .tick = xTaskGetTickCountFromISR() ; BaseType_t woken = pdFALSE; if (pin == USER_Btn_Pin) xQueueSendFromISR(g_cmd_q, &msg, &woken); portYIELD_FROM_ISR(woken);

把佇列深度改成 1，在 ISR 裡連續模擬 5 次送出，觀察哪些命令被丟棄 （檢查 |xQueueSendFromISR| 回傳值並點亮 LD3）。然後改回 8，並在 Device 任務人為 |vTaskDelay(500)|，再感受「深度用來吸收突發」。