第 1 章：系統架構與排程器¶

本章學習目標

看懂這份韌體從上電到馬達轉動的整體資料流
理解為什麼飛控用「協作式分時排程」而不是作業系統（RTOS）
讀懂排程器三個核心：SysTick 心跳、Loop_check() 計數、main_loop() 分派
知道哪些事必須 2ms 跑一次、哪些可以慢慢來，以及這個取捨背後的道理
學會用程式裡的計時與看門狗機制，判斷飛控有沒有「跑太慢 / 卡住」

搭配官方影片（下方可直接播放）。

📺 官方影片：飛控程式工程結構介紹（4.1）

📺 官方影片：飛控程式工作流程（4.2）— 對應本章排程器

1.1 先看大圖：一幀控制是怎麼跑完的¶

飛控的本質是一個無限重複的迴圈：讀感測器 → 算姿態 → 算控制量 → 輸出給馬達，每秒重複數百次。

flowchart TD
    HW["硬體 SysTick 計時器<br/>每 1ms 中斷一次"] --> CK["Loop_check()<br/>累加各計數器"]
    CK --> ML["main_loop()<br/>依計數分派任務"]
    subgraph fast ["每 2ms（最高優先：姿態環）"]
        direction LR
        S1["讀 MPU6050"] --> S2["姿態 PID"] --> S3["馬達 PWM 輸出"]
    end
    subgraph slow ["較慢的週期任務"]
        T4["4ms：遙控、模式切換"]
        T6["6ms：姿態解算"]
        T10["10ms：光流、定高"]
        T50["50ms：LED、電壓"]
    end
    ML --> fast
    ML --> slow

整個程式的「目錄」其實就藏在一個檔案裡：USER/scheduler.c。讀懂它，你就知道這台飛機做哪些事、各多久做一次。

1.2 為什麼不用作業系統（RTOS）？¶

STM32F103C8 只有 64KB Flash、20KB RAM，而飛控的工作有一個關鍵特性：

任務的週期是固定且已知的（姿態環 2ms、遙控 4ms、定高 10ms…），而且彼此不應該互相搶佔——你不會希望「算姿態算到一半被打斷去刷 LED」。

這種情況下，與其用 RTOS 的執行緒切換（會吃記憶體、增加複雜度與不確定性），不如用最簡單可靠的協作式分時排程（cooperative time-sliced scheduler）：

用一個硬體計時器產生穩定的「心跳」
每個任務排在自己的時間片，一個跑完才換下一個，不搶佔
程式行為完全可預測，也好除錯

這就是這份韌體的做法，也是絕大多數入門～中階飛控（如早期匿名、亞博等）的共同骨架。

1.3 心跳：SysTick 每 1ms 中斷一次¶

一切的時間基準來自 Cortex-M3 內建的 SysTick 計時器。在 main() 裡設定為每 1ms 中斷一次：

USER/main.c（已將 GBK 註解翻成正體中文）
int main(void)
{
    cycleCounterInit();                          // 記錄每 us 有多少 CPU cycle，供精準計時用
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);      // 系統滴答計時器：72MHz/1000 → 每 1ms 中斷一次

    ALL_Init();                                  // 系統初始化（感測器、通訊、PWM…）
    OLED_Init();
    IWDG_Init(4, 625);                           // 獨立看門狗，逾時約 1s

    while (1)
    {
        main_loop();                             // 主任務排程
        IWDG_Feed();                             // 餵狗，防止程式跑飛
    }
}

中斷處理在 USER/delay.c。注意一個設計細節：SysTick 是 1ms，但排程的最小時間片是 2ms，所以中斷裡用一個 cnt 除以 2，每兩次才觸發一次排程檢查：

USER/delay.c
void SysTick_IRQ(void)               // 每 1ms 進來一次
{
    static u8 cnt;

    SysTick_count++;                 // 全域毫秒計數，給 GetSysTime_us() 用
    if (!sys_init_ok) return;

    cnt++;  cnt %= 2;
    if (cnt) Loop_check();           // 每 2ms 呼叫一次 Loop_check()
}

中斷裡只做最少的事

注意 SysTick_IRQ() 裡沒有做任何感測器讀取或控制運算，只是「累加計數、通知排程器」。真正的工作都放到 main_loop() 在主迴圈裡跑。這是嵌入式即時系統的通則： 中斷要短，把耗時的事丟回主迴圈，避免一個慢中斷拖垮整個系統的時序。

1.4 計數與「跑太慢」偵測：`Loop_check()`¶

Loop_check() 每 2ms 被呼叫一次，它做兩件事：把所有時間片的計數器 +1，並偵測主迴圈有沒有來不及跑。

USER/scheduler.c
void Loop_check()
{
    loop.cnt_2ms++;
    loop.cnt_4ms++;
    loop.cnt_6ms++;
    loop.cnt_10ms++;
    loop.cnt_20ms++;
    loop.cnt_50ms++;
    loop.cnt_1000ms++;

    if (loop.check_flag >= 1)
    {
        loop.err_flag++;        // 上一輪 main_loop 還沒跑完 → 記一次超時
    }
    else
    {
        loop.check_flag += 1;   // 設旗標：通知 main_loop「有一個新的 2ms 到了」
    }
}

這裡的 check_flag 是一個很巧妙的握手機制：

Loop_check()（中斷端）每 2ms 把 check_flag 設為 1，意思是「該做事了」。
main_loop()（主迴圈端）做完一輪後把它清回 0，意思是「做完了」。
如果中斷又來了、卻發現 check_flag 還是 1（上一輪還沒清零），代表主迴圈這 2ms 沒跑完—— 於是 err_flag++ 記錄一次超時。

這就是飛控的『負載過重警報』

err_flag 持續增加，代表你塞進 2ms 的工作太多、CPU 來不及。日後你若在 Duty_2ms() 裡加東西導致飛機姿態變鈍，就是從這裡發現問題的。

1.5 分派：`main_loop()` 決定誰該跑¶

main_loop() 是排程器的核心。它檢查各計數器，到了週期就執行對應任務並把計數歸零：

USER/scheduler.c
void main_loop()
{
    if (loop.check_flag >= 1)              // 有新的 2ms 到了才進來
    {
        if (loop.cnt_2ms >= 1)  { loop.cnt_2ms = 0;   Duty_2ms();   }  // 每 2ms
        if (loop.cnt_4ms >= 2)  { loop.cnt_4ms = 0;   Duty_4ms();   }  // 每 4ms
        if (loop.cnt_6ms >= 3)  { loop.cnt_6ms = 0;   Duty_6ms();   }  // 每 6ms
        if (loop.cnt_10ms >= 5) { loop.cnt_10ms = 0;  Duty_10ms();  }  // 每 10ms
        if (loop.cnt_20ms >= 10){ loop.cnt_20ms = 0;  Duty_20ms();  }  // 每 20ms
        if (loop.cnt_50ms >= 25){ loop.cnt_50ms = 0;  Duty_50ms();  }  // 每 50ms
        if (loop.cnt_1000ms >= 500){ loop.cnt_1000ms = 0; Duty_1000ms(); } // 每 1s

        loop.check_flag = 0;               // 本輪做完，清旗標
    }
}

看懂這段的關鍵：計數器每 2ms +1，所以「次數」就是「毫秒 ÷ 2」。

判斷式	觸發條件	實際週期
`cnt_2ms >= 1`	累計 1 次	1 × 2ms = 2ms
`cnt_4ms >= 2`	累計 2 次	2 × 2ms = 4ms
`cnt_6ms >= 3`	累計 3 次	3 × 2ms = 6ms
`cnt_10ms >= 5`	累計 5 次	5 × 2ms = 10ms
`cnt_50ms >= 25`	累計 25 次	25 × 2ms = 50ms
`cnt_1000ms >= 500`	累計 500 次	500 × 2ms = 1000ms

想一想

如果某一輪 Duty_2ms 和 Duty_10ms 剛好同時到期，它們會在同一輪 main_loop 裡依序執行（先 2ms 後 10ms）。這代表那一輪的工作量是「最重的一輪」。設計排程時要確保最壞情況（所有任務同時到期）的總時間 < 2ms，否則就會觸發 1.4 節的超時。

1.6 每個時間片在做什麼（全機功能總覽）¶

下面這張表就是這台飛機的「作息表」。本課程之後每一章，基本上都是在深入講解其中一格：

週期	函式	做的事	對應章節
2ms	`Duty_2ms`	讀 MPU6050 → 姿態 PID → 馬達輸出	第 4、5 章
4ms	`Duty_4ms`	nRF24L01 收遙控、ANO 遙測、解析遙控、飛行模式切換	第 6 章
6ms	`Duty_6ms`	姿態解算（由感測器算出 Roll/Pitch/Yaw）	第 3 章
10ms	`Duty_10ms`	遙控指令分析、光流融合與定點、氣壓定高	第 7、8 章
20ms	`Duty_20ms`	向上位機輪詢傳資料	第 10 章
50ms	`Duty_50ms`	LED 刷新、狀態旗標、電池電壓檢查	—
1000ms	`Duty_1000ms`	各通訊鏈路訊號強度統計、感測器在線偵測	第 6 章

以最關鍵的 2ms 姿態環為例，它是這樣的（這就是讓飛機「穩住」的核心三步）：

USER/scheduler.c
void Duty_2ms()
{
    time[0] = GetSysTime_us();      // 記錄起始時間（量測本任務耗時）

    MpuGetData();                   // ① 讀慣性感測器原始資料
    FlightPidControl(0.002f);       // ② 姿態 PID 控制（dt = 0.002s）
    MotorControl();                 // ③ 把控制量換算成 4 路馬達 PWM 輸出

    time[0] = GetSysTime_us() - time[0];  // 本任務實際花了多少 us
}

為什麼姿態環要放在最快的 2ms？

飛機的姿態（傾斜）變化非常快，控制迴路更新越快、越能及時修正，飛起來越穩。 2ms = 500Hz 是這顆 72MHz 的 F103 在「夠快」和「跑得完」之間的平衡點。相對地，電池電壓、LED 這種「慢變化」的事放到 50ms 甚至 1s，省下 CPU 給姿態環。

1.7 計時與看門狗：怎麼知道飛控健康？¶

這份韌體內建兩道「健康監測」，學會看它們，對除錯非常重要。

(1) 每個任務的耗時量測¶

每個 Duty_* 都用 GetSysTime_us() 把自己包起來，把耗時存進 time[] 陣列，最後在 1 秒任務裡加總：

USER/scheduler.c
    time_sum = 0;
    for (i = 0; i < 6; i++)  time_sum += time[i];

GetSysTime_us() 用「毫秒計數 + SysTick 當前值」拼出微秒級時間戳（USER/delay.c）：

USER/delay.c
uint32_t GetSysTime_us(void)
{
    register uint32_t ms, cycle_cnt;
    do {
        ms = SysTick_count;
        cycle_cnt = SysTick->VAL;
    } while (ms != SysTick_count);          // 防止讀取瞬間剛好跨毫秒，重讀確保一致
    return (ms * 1000) + (usTicks * 1000 - cycle_cnt) / usTicks;
}

把 time[] 或 time_sum 透過上位機送出來看，就能知道哪個任務變慢了。

(2) 獨立看門狗（IWDG）¶

main() 裡開了獨立看門狗，逾時約 1 秒。只要 main_loop() 正常跑完一圈就會 IWDG_Feed() 餵狗；萬一程式卡死（例如某個感測器 I2C 通訊卡住、死迴圈），狗沒被餵到就會自動重啟 MCU，讓飛機有機會恢復，而不是直接失控墜機。

餵狗不是萬靈丹

看門狗只能救「整個程式卡死」。它救不了「程式還在跑、但控制邏輯算錯」。所以它是最後一道防線，真正的安全還是靠正確的程式 + 拆槳測試。

1.8 本章對應的原始碼¶

檔案	看什麼
`USER/main.c`	`main()`：時鐘、SysTick、初始化、主迴圈、看門狗
`USER/scheduler.c`	`Loop_check()` / `main_loop()` / 各 `Duty_` —— 本章重點*
`USER/delay.c`	`SysTick_IRQ()`、`GetSysTime_us()`、精準延時
`StartUp/stm32f10x_it.c`	`SysTick_Handler()` 中斷入口

1.9 動手做 / 思考題¶

打開 USER/scheduler.c，對照 1.6 的表，把每個 Duty_* 裡呼叫的函式都圈出來，猜猜各屬於哪一章。
算一題：如果你想新增一個「每 100ms 記錄一次飛行資料」的任務，cnt_100ms 的判斷式門檻應該設多少？（提示：100 ÷ 2）
思考：為什麼「讀遙控（4ms）」可以比「姿態環（2ms）」慢？如果把遙控也放到 2ms，會有什麼好處與壞處？
進階：Loop_check() 裡的 err_flag 在什麼情況下會一直增加？你會怎麼把它顯示在 OLED 或上位機上，當作「CPU 過載」的警報？

下一章：感測器是怎麼被讀進來的——從 MpuGetData() 出發，看 I2C/SPI 如何跟 MPU6050、氣壓計、光流溝通。