Padrões de Projeto Aplicados a RTOS (FreeRTOS)

Padrões de Arquitetura em Camadas, Drivers e Serviços em RTOS

Em sistemas com FreeRTOS, misturar driver, lógica de negócio e política de tempo real na mesma tarefa é um erro estrutural. Os padrões desta seção tratam de separação de responsabilidades, isolamento de hardware e execução previsível.

5.1 Layered Architecture (Arquitetura em Camadas)

Problema resolvido:
Firmware “espaguete”, onde qualquer módulo acessa diretamente registradores, RTOS e aplicação.

Ideia do padrão:
Organizar o sistema em camadas bem definidas, com dependências unidirecionais.

Camadas típicas em FreeRTOS

┌──────────────────────────────┐
│ Application / State Machines │
├──────────────────────────────┤
│ Services (Comms, Storage)    │
├──────────────────────────────┤
│ Drivers / HAL                │
├──────────────────────────────┤
│ RTOS (FreeRTOS Kernel)       │
├──────────────────────────────┤
│ Hardware                     │
└──────────────────────────────┘

┌──────────────────────────────┐
│ Application / State Machines │
├──────────────────────────────┤
│ Services (Comms, Storage)    │
├──────────────────────────────┤
│ Drivers / HAL                │
├──────────────────────────────┤
│ RTOS (FreeRTOS Kernel)       │
├──────────────────────────────┤
│ Hardware                     │
└──────────────────────────────┘

Exemplo de separação correta

Driver (HAL):

void UartHw_SendByte(uint8_t b);

void UartHw_SendByte(uint8_t b);

Serviço:

void UartService_Send(const uint8_t *data, size_t len);

void UartService_Send(const uint8_t *data, size_t len);

Aplicação:

UartService_Send((uint8_t*)"OK\n", 3);

UartService_Send((uint8_t*)"OK\n", 3);

Vantagens:

• Portabilidade de MCU
• Testes unitários viáveis
• Evolução controlada

Regra prática:
⬆ Camadas superiores não conhecem detalhes das inferiores.

5.2 Hardware Abstraction Layer (HAL) como Padrão

Problema resolvido:
Dependência direta de registradores ou SDK do fabricante.

Ideia do padrão:
Isolar acesso ao hardware atrás de uma API mínima e estável.

typedef struct {
    void (*init)(void);
    void (*write)(const uint8_t *buf, size_t len);
} UartDriver;

typedef struct {
    void (*init)(void);
    void (*write)(const uint8_t *buf, size_t len);
} UartDriver;

static UartDriver uart0 = {
    .init  = STM32_UartInit,
    .write = STM32_UartWrite
};

static UartDriver uart0 = {
    .init  = STM32_UartInit,
    .write = STM32_UartWrite
};

Benefício crítico:
Permite trocar STM32 → NXP → RP2040 sem reescrever aplicação.

5.3 Service Layer (Camada de Serviços)

Problema resolvido:
Drivers não devem conter lógica de negócio nem política de concorrência.

Ideia do padrão:
Serviços encapsulam:

• Sincronização
• Filas
• Retries
• Timeout
• Políticas de acesso

Exemplo: Serviço de UART com Gatekeeper

void UartService_Send(const uint8_t *data, size_t len)
{
    UartRequest req = {
        .data = data,
        .len  = len
    };

    xQueueSend(UartQueue, &req, portMAX_DELAY);
}

void UartService_Send(const uint8_t *data, size_t len)
{
    UartRequest req = {
        .data = data,
        .len  = len
    };

    xQueueSend(UartQueue, &req, portMAX_DELAY);
}

Vantagens:

• Aplicação fica limpa
• Política centralizada
• Drivers permanecem simples

5.4 Active Object Pattern

Problema resolvido:
Misturar lógica de controle com concorrência explícita.

Ideia do padrão:
Cada objeto ativo possui:

• Estado interno
• Fila própria
• Tarefa dedicada

Estrutura conceitual

Active Object
 ├── Queue
 ├── Task
 └── State Machine

Active Object
 ├── Queue
 ├── Task
 └── State Machine

Exemplo simplificado

typedef struct {
    QueueHandle_t queue;
} MotorController;

typedef struct {
    QueueHandle_t queue;
} MotorController;

void MotorTask(void *pvParameters)
{
    MotorCommand cmd;

    for (;;)
    {
        xQueueReceive(motor.queue, &cmd, portMAX_DELAY);
        ExecuteMotorCommand(&cmd);
    }
}

void MotorTask(void *pvParameters)
{
    MotorCommand cmd;

    for (;;)
    {
        xQueueReceive(motor.queue, &cmd, portMAX_DELAY);
        ExecuteMotorCommand(&cmd);
    }
}

Vantagens:

• Forte encapsulamento
• Ideal para controle, comunicação e I/O
• Elimina mutexes internos

Custo:
Uso maior de RAM (1 task + 1 fila por objeto)

5.5 Deferred Interrupt Processing

Problema resolvido:
ISR longa causa jitter e perda de deadlines.

Ideia do padrão:
ISR apenas sinaliza → processamento pesado ocorre em task.

void ADC_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xTaskNotifyFromISR(AdcTaskHandle, 0, eNoAction, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

void ADC_IRQHandler(void)
{
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xTaskNotifyFromISR(AdcTaskHandle, 0, eNoAction, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

void AdcTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        ProcessAdcData();
    }
}

void AdcTask(void *pvParameters)
{
    for (;;)
    {
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        ProcessAdcData();
    }
}

Vantagens:

• ISR mínima
• Melhor escalonamento
• Sistema mais previsível