找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part1
由於面試不順利，決定來亡羊補牢，補點小專案
一次性加了那麼多東西，最好是組的起來 : )
專案規劃與準備清單
系列文章
- Part 1：專案規劃與準備清單
- Part 2：開發環境與 FreeRTOS 架構
- Part 3：Logger Service 與 FreeRTOS 除錯觀察
- Part 4：Input System：GPIO、Polling Debounce 與 Event Queue
- Part 5：Input System：EXTI、ISR Notify 與 Software Timer Debounce
- Part 6：Display System：ILI9341 TFT、SPI 與像素繪圖
以下都是目前幻想出來的
Part 8：Game Task：電子寵物狀態機
把 input 和 display 串起來，做寵物狀態、飢餓/心情/互動、簡單 animation。Part 9：感測器整合：MPU-6050 與 BME280
I2C register driver、校正資料、週期性 sensor task、motion / environment event。timeout、> retry、bus error。Part 10：通訊模組：BLE 與 NFC 互動
UART AT command、BLE RSSI / proximity、PN532 UID 讀取。NFC 走 UART / I2C / SPI 哪個比較適合。Part 11：資料儲存：SPI Flash 與存檔格式
W25Q128 erase/write/read、CRC、A/B slot、防止寫到一半斷電。Part 12：音效、震動與回饋系統
Timer PWM 蜂鳴器、震動馬達、非阻塞 feedback task。Part 13：系統整合與 Debug 筆記
邏輯分析儀看 SPI/I2C/UART、log 格式、常見 bug、task 卡死、stack 不夠、priority 設錯。
目的
這個專案主要是為了補強 STM32 韌體開發能力，練習內容包含：
- 使用 FreeRTOS 設計多任務架構，例如 input、display、game、BLE、NFC、sensor、storage、audio 與 haptic task
- 使用 SPI 驅動 TFT 螢幕與外部 SPI Flash
- 使用 I2C 整合 IMU 與環境感測器
- 使用 UART 控制 BLE / NFC 模組，並保留 debug console
- 使用 GPIO 處理按鍵、五向導航鍵與外部中斷
- 使用 Timer / PWM 控制蜂鳴器音效、震動馬達回饋與可能的背光亮度
- 練習各類周邊的 driver 開發、初始化流程、錯誤處理與 timeout / retry 機制
- 使用邏輯分析儀驗證 SPI、I2C、UART 與 GPIO interrupt timing
- 以一個接近產品原型的方式，整合顯示、輸入、感測、通訊、儲存、音效與觸覺回饋
這個專案會先使用 NUCLEO-F767ZI 完成 FreeRTOS 架構、周邊 driver 與系統整合；
未來如果功能穩定，再考慮移植到較小型或內建 BLE 的 STM32 平台，例如 STM32WB55，做成更接近可攜式產品的版本。
一個有趣的小目標
雖然這個專案一開始是因為想補強韌體開發能力，但我不想只是為了找工作或練習周邊，而硬湊一堆功能。
因此想做一個覺得有趣，而且每個功能都能自然整合進去的小裝置。
所以最後決定做一台 Game Boy 風格的互動電子寵物裝置。
可以顯示像素風寵物畫面，支援按鍵操作、BLE 靠近偵測、NFC touch 互動、感測器輸入、音效、震動回饋與資料儲存。
為什麼從 STM32 開始
Arduino、ESP32、STM32 都有成熟的開發生態，也都可以做到 interrupt、timer、RTOS、UART / SPI / I2C、感測器控制與實機整合。ESP32 有 FreeRTOS，Arduino 也不是完全不能碰底層；同樣地，STM32 也可以透過不同系列或外部模組支援無線連線。
Arduino、ESP32、STM32 三者比較
Arduino
Arduino 的預設開發模式偏向快速驗證與高階封裝，很多硬體初始化、driver 細節與資源配置已經被 framework 處理掉。但容易停留在呼叫 library 完成功能，而不是完整理解底層初始化與硬體互動流程。
ESP32
ESP32 的功能整合度高，實務上常會同時接觸 FreeRTOS、Wi-Fi / BLE stack、dual-core、ESP-IDF 架構與平台特定 API。這些內容很有價值，但學習路線比較容易往連網 SoC、應用整合與 Espressif 生態
STM32
STM32 的開發流程則比較直接圍繞一般 MCU 韌體常見的核心主題，例如 clock tree、GPIO、interrupt、DMA、timer、UART / SPI / I2C、memory layout、RTOS integration，以及 driver layer。
以韌體工程師的角度
IC 設計公司的產品類型很多，不同公司的 firmware / driver 工作也不一樣，例如：
- MediaTek 不只做 wireless chip，也有手機 SoC、IoT、TV、networking、automotive 與 ASIC 相關產品。
- Realtek 不只做音效 IC，也有 Ethernet、Wi-Fi、Bluetooth、網通 IC、audio codec 與 multimedia SoC。
- Novatek 主要在 display driver IC、TCON、TDDI、TV / display SoC。
- Phison 和 Silicon Motion 則比較偏 NAND flash controller、SSD controller、eMMC / UFS storage controller。
所以從 IC 設計公司的角度來看，韌體工程師接觸的不是單一情境，而是依產品線不同，去設定與驗證不同的硬體 IP block，例如：
- SoC：可能會碰到 clock、boot flow、power management、interrupt、DMA。
- 網通晶片：可能會碰到 Ethernet / Wi-Fi / Bluetooth driver、MAC、PHY、queue、封包收發。
- Display IC：可能會碰到 panel init sequence、display timing、MIPI command、gamma table。
- Audio codec：可能會碰到 I2S / PCM、PLL、sample rate、audio path。
- SSD controller：可能會碰到 NAND flash、ECC、FTL、wear leveling、bad block management 與 NVMe / SATA command flow。
這些產品線雖然不同，但都需要看硬體文件、理解 memory map、設定 register、處理 interrupt / DMA，並透過實機驗證硬體行為。STM32 不能直接模擬這些 IC 公司的晶片環境，但適合用來建立這些共通基本功。
為什麼選擇 FreeRTOS
這個專案雖然是做一台 Game Boy 風格的互動電子寵物裝置，但韌體架構不打算完全照以前 Game Boy 那種方式來設計。以前的 Game Boy 是一台硬體架構相對固定的遊戲主機，CPU、顯示控制、音效、按鍵輸入、記憶體映射與卡匣資料讀取都有明確分工。
遊戲程式通常會以主迴圈為核心，配合 VBlank interrupt、timer interrupt、按鍵掃描，以及固定時機的畫面資料更新，來完成輸入處理、遊戲狀態更新、畫面繪製與音效控制。
這種設計很適合當時的遊戲主機，因為它的主要任務很明確：根據每一個 frame 更新輸入、遊戲邏輯、畫面與音效。
但這次的專案目標不只是做一個像 Game Boy 的外觀或畫面，而是想把顯示、輸入、感測、BLE、NFC、儲存、音效與震動回饋都整合在同一個小系統裡。這些功能各自有不同的更新頻率與即時性需求，如果全部塞在同一個 bare-metal while loop 裡，後續很容易變成一堆狀態判斷、delay、flag 與 callback 互相交錯，程式架構會越來越難維護。
透過 FreeRTOS，可以練習 task priority、queue、semaphore、mutex、software timer，以及 interrupt 與 task 之間的資料同步。因為實際 firmware 開發常常需要處理多個模組同時運作、共享資源保護、事件通知、timeout 與錯誤恢復。
準備的物品
約花 TWD 4,000，其中 NUCLEO-F767ZI 約 TWD 830，DSLogic Plus 邏輯分析儀約 TWD 2,100。
| 類別 | 名稱與規格 | 技術 | 價格 | 連結 |
|---|---|---|---|---|
| 主開發板 | STM32 Nucleo-144 NUCLEO-F767ZI 開發板，STM32F767ZIT6 MCU | STM32、FreeRTOS、SPI、I2C、UART、GPIO、DMA | NT$831 | 淘寶 / spec |
| 顯示器 | 3.2 吋 ILI9341 TFT LCD，320×240，支援 SPI / 16-bit parallel 介面 | SPI、TFT driver、bitmap、tilemap、sprite、DMA | NT$316 | 淘寶 / spec |
| BLE 模組 | E104-BT5032A-TB BLE 5.0 UART 模組，nRF52832 | UART、AT command、BLE advertising、scanning、RSSI | NT$287 | 淘寶 / spec |
| NFC 模組 | PN532 NFC / RFID 讀寫模組 | UART / I2C / SPI、NFC frame、UID 讀取 | NT$93 | 淘寶 / spec |
| IMU 感測器 | MPU-6050 / GY-521 六軸 IMU 模組，加速度計 + 陀螺儀 | I2C、register driver、motion detect、EXTI | NT$30 | 淘寶 |
| 環境感測器 | BME280 3.3V 環境感測模組，溫度 / 濕度 / 氣壓 | I2C、sensor calibration、週期性 sensor task | NT$106 | 淘寶 / spec |
| 外部 Flash | W25Q128 SPI NOR Flash 模組，128 Mbit / 16 MB | SPI、Flash erase/write、CRC、A/B save slot | NT$20 | 淘寶 |
| 邏輯分析儀 | DSLogic Plus 個人版，16 通道邏輯分析儀，最高 400 MS/s | Protocol decode、timing debug、firmware validation | NT$2,104 | 淘寶 |
| 震動回饋 | 微型直流震動馬達模組，GPIO 控制 | GPIO / PWM、haptic task | NT$24 | 淘寶 |
| 音效 | 無源蜂鳴器模組，低電位觸發 | Timer PWM、audio task | NT$6 | 淘寶 |
| 操作輸入 | 五向導航按鍵模組，方向鍵 + 中央確認鍵 | GPIO、debounce、input event queue | NT$17 | 淘寶 |
| 操作輸入 | 類比搖桿 / 遊戲輸入擴充模組 | GPIO / ADC、按鍵事件 | NT$32 | 淘寶 |
| 按鍵 | 12×12×7.3mm 直插式輕觸開關，方頭，20 顆 | GPIO、debounce、short / long press | NT$14 | 淘寶 |
| 按鍵配件 | 12×12mm 輕觸開關用圓形按鍵帽，白色，10 顆 | 按鍵手感、外觀原型 | NT$2 | 淘寶 |
| 原型接線 | MB-102 透明麵包板， 165×55mm，2 片 | 模組整合、快速測試、原型接線 | NT$24 | 淘寶 |
| 原型接線 | 21cm 杜邦線組，40P 彩排線，母對母 / 公對公 / 母對公各 1 組 | 開發板、麵包板與模組接線 | NT$58 | 淘寶 |
找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part1
