Dimensionamento de Pilha (Stack) e Heap no FreeRTOS

Modelo de Memória em Sistemas com FreeRTOS: CTB, Heap e Stack

Antes de falar em cálculos e fórmulas, é essencial compreender como o FreeRTOS enxerga a memória internamente e quais estruturas fazem parte desse modelo. Diferente de sistemas operacionais completos, o FreeRTOS não possui MMU (Memory Management Unit) nem isolamento de memória entre tarefas. Todo o modelo é cooperativo sobre um único espaço de endereçamento, o que torna o entendimento do layout de memória absolutamente crítico.

2.1 CTB (Control Block / TCB – Task Control Block)

Cada tarefa criada no FreeRTOS possui uma estrutura chamada TCB (Task Control Block). Em alguns textos técnicos e documentações didáticas, você encontrará o termo CTB (Control Task Block) como forma conceitual, mas no código-fonte do FreeRTOS o nome oficial é TCB.

O TCB é uma estrutura de dados alocada no heap do FreeRTOS e contém todas as informações necessárias para o escalonamento e gerenciamento da tarefa, incluindo:

• Ponteiro para o topo da stack da task
• Estado da tarefa (Ready, Blocked, Suspended, etc.)
• Prioridade atual e prioridade base
• Ponteiros para listas do scheduler
• Nome da task (se configurado)
• Informações de estatística e tracing (se habilitadas)

Do ponto de vista de consumo de memória, é fundamental entender que cada task consome memória duas vezes:

1. Uma vez no heap, para o TCB
2. Uma vez na stack, para a pilha da própria task

Em um Cortex-M típico, o TCB consome algo entre 80 e 120 bytes, dependendo das configurações habilitadas (configUSE_TRACE_FACILITY, configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS, etc.). Esse valor cresce conforme recursos de debug e tracing são ativados.

2.2 Heap no FreeRTOS

O heap do FreeRTOS é a região de memória usada para alocações dinâmicas feitas pelo kernel, incluindo:

• TCBs de tasks
• Stacks de tasks (quando criadas dinamicamente)
• Semáforos
• Mutexes
• Filas (Queues)
• Event Groups
• Timers de software
• Stream Buffers e Message Buffers

Esse heap não é o mesmo heap da libc (malloc/free padrão), a menos que você configure explicitamente isso. O FreeRTOS implementa seu próprio gerenciador de heap por meio dos arquivos heap_1.c até heap_5.c.

O tamanho total do heap é definido por:

#define configTOTAL_HEAP_SIZE  ( ( size_t ) ( 32 * 1024 ) )

#define configTOTAL_HEAP_SIZE  ( ( size_t ) ( 32 * 1024 ) )

Esse valor representa toda a memória dinâmica disponível para o kernel. Se ele for subdimensionado, chamadas como xTaskCreate, xQueueCreate ou xSemaphoreCreateMutex falharão silenciosamente se o retorno não for checado — um erro clássico em projetos iniciantes.

Importante:
👉 Heap do FreeRTOS ≠ Heap da aplicação
Buffers estáticos globais (static, global) não consomem heap.
Stacks criadas estaticamente também não consomem heap.

2.3 Stack no FreeRTOS

A stack é a pilha de execução de cada task. É nela que ficam armazenados:

• Variáveis locais
• Endereços de retorno de função
• Contexto salvo durante preempção
• Registros empilhados durante interrupções (dependendo da arquitetura)

Cada task possui sua própria stack, completamente independente das demais. Em sistemas ARM Cortex-M, o empilhamento ocorre em palavras de 32 bits, e o FreeRTOS define o tamanho da stack em unidades de palavras, não em bytes.

Exemplo clássico:

xTaskCreate(
    vTaskExample,
    "Example",
    256,
    NULL,
    tskIDLE_PRIORITY + 1,
    NULL
);

xTaskCreate(
    vTaskExample,
    "Example",
    256,
    NULL,
    tskIDLE_PRIORITY + 1,
    NULL
);

Aqui, 256 significa:

256 palavras × 4 bytes = 1024 bytes de stack

256 palavras × 4 bytes = 1024 bytes de stack

Um erro extremamente comum é assumir que o valor passado está em bytes. Isso leva a stacks 4 vezes menores do que o esperado, causando overflows intermitentes.

2.4 Relação entre Heap, TCB e Stack

O relacionamento entre esses elementos pode ser resumido assim:

• Heap: reserva memória dinâmica para o kernel
• TCB: estrutura de controle alocada no heap
• Stack: memória dedicada à execução da task

Dependendo da forma como a task é criada:

• Criação dinâmica (xTaskCreate):
  • TCB → Heap
  • Stack → Heap
• Criação estática (xTaskCreateStatic):
  • TCB → fornecido pelo usuário
  • Stack → fornecida pelo usuário

Essa distinção será crucial quando falarmos de estratégias avançadas de dimensionamento e projetos críticos, como sistemas safety-critical ou aplicações com certificação.