第6节 FreeRTOS

重要提示：关于开发板的兼容性

本教程的核心逻辑适用于所有 ESP32 开发板，但所有操作步骤均以 微雪 ESP32-S3-Zero 迷你开发板 为例进行讲解。如果您使用其他型号的开发板，请根据实际情况修改相应设置。

本节介绍 FreeRTOS 的相关概念，并介绍如何在 ESP-IDF 中使用其常用 API。

FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统（RTOS）内核，作为组件集成到 ESP-IDF 中。所有 ESP-IDF 应用程序和大部分组件都基于 FreeRTOS 编写。

需要注意，ESP-IDF 并非直接使用原生 FreeRTOS，而是在其基础上进行了大量定制和优化，特别是对多核（SMP）架构的支持，这一实现被称为 IDF FreeRTOS。虽然也可以通过配置启用 Amazon SMP FreeRTOS（官方 SMP 实现），但该实现目前处于试验/测试状态，默认并未采用。

IDF FreeRTOS 在 ESP32 上的核心特性包括：

多任务与实时性：支持任务优先级、任务间通信（如队列、信号量、事件组）、软件定时器等，满足物联网常见实时需求。
SMP 支持：IDF FreeRTOS 针对双核（最多支持两个核）优化，任务既可指定运行在特定核（核亲和性），也可在任意核调度执行。
针对 ESP 硬件的适配：结合 ESP 芯片的对称内存、原子操作、跨核中断等硬件特性，实现高效的多核调度与同步。

1. FreeRTOS 基本概念

FreeRTOS 多任务

FreeRTOS 在 ESP-IDF 中通过任务（Task）机制实现多任务。每个任务本质上是一个独立的执行线程，开发者可以通过 API 创建、删除和管理多个任务。这些任务由 FreeRTOS 内核调度，按照优先级和时间片轮转等策略在 CPU 上运行，实现“多任务”效果。

1.1 任务状态

FreeRTOS 将线程称为“任务(Task)”，每个任务都实现为一个 C 函数，通常包含一个无限循环。

FreeRTOS 任务

任务状态：任务在任何时候都可以处于四种状态之一：

运行态 (Running)：当前正在被 CPU 执行。
就绪态 (Ready)：已准备好执行，但 CPU 正在执行其他任务。
阻塞态 (Blocked)：正在等待某个事件（比如外设或者超时），不消耗 CPU 时间。
挂起态 (Suspended)：被无限期阻塞，直到被主动恢复。

1.2 任务调度

FreeRTOS 如何选择切换到哪个任务？其调度可概括为：具有时间分片和固定优先级的抢占式调度器。

在原生 FreeRTOS 中，调度器的三个核心特性为：

固定优先级（fixed priority）：总是选择处于就绪态的最高优先级任务运行。
时间分片/轮询（round robin）：当最高优先级存在多个就绪任务时，按轮转依次运行。
抢占（preemptive）：当更高优先级任务变为就绪时，立即切换到该任务。

在 ESP32、ESP32-S3、ESP32-P4 等双核芯片上，ESP-IDF 采用了支持对称多处理（SMP）的 IDF FreeRTOS 实现。SMP 下调度还需考虑：

核亲和性：每个任务可以设置亲和性，指定运行于核 0、核 1 或任意核。每个核独立调度，只能选择“在该核上可运行”的最高优先级就绪任务。任务能否在某核上运行，需满足亲和性以及它当前是否已在另一个核心上运行。因此，即使有多个核和多个最高优先级的就绪任务，也不一定每个核都能运行一个最高优先级任务。
时间分片：由于亲和性或任务已在另一核运行，无法实现完美轮转。IDF FreeRTOS 调度器会将刚被选中运行的任务移至队尾，并总是从队头开始搜索可运行任务；必要时会跳过某些任务，甚至去查找并运行一个较低优先级的可运行任务。这种策略确保同优先级任务在足够的滴答后最终都能获得运行时间。
抢占：当更高优先级任务变为就绪且可在多个核上运行时，调度器只会抢占一个核，并总是优先选择当前核（即触发该就绪事件的核）。

2. 示例：任务管理

注意

本示例代码只能在具有多核心的 ESP32 芯片上运行。

本示例演示如何在 ESP-IDF 的 FreeRTOS 中创建两个任务并固定到不同核心，利用周期性延时驱动循环，展示任务的挂起/恢复与删除，帮助理解 FreeRTOS 多任务调度与任务间基本协作。

2.1 示例代码

创建一个项目。如果不清楚如何操作，请参考从模板创建项目。

将以下代码复制到 main/main.c 中：

#include <stdio.h>

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

TaskHandle_t myTaskHandleA = NULL;
TaskHandle_t myTaskHandleB = NULL;

void Demo_Task_A(void *arg)
{

    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        printf("Demo_Task_A printing...%d\n", count);
        if (count == 10)
        {
            // 恢复任务 B 的运行
            printf("Demo_Task_A resumed Demo_Task_B!\n");
            vTaskResume(myTaskHandleB);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void Demo_Task_B(void *arg)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        printf("Demo_Task_B printing...%d\n", count);
        if (count == 5)
        {
            // 挂起自身：调度器将不再调度本任务，直到被其他任务 vTaskResume
            printf("Demo_Task_B is suspended itself!\n");
            vTaskSuspend(NULL);
        }
        if (count == 10)
        {
            // 自删除：退出任务；堆栈等资源由 Idle 任务回收
            printf("Demo_Task_B is deleted itself!\n");
            vTaskDelete(NULL);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void app_main(void)
{
    // 创建任务并固定到指定核心；栈大小 4096 字节；两个任务同优先级 10
    // A 固定到核心 0，B 固定到核心 1（在双核上可并行运行）
    xTaskCreatePinnedToCore(Demo_Task_A, "Demo_Task_A", 4096, NULL, 10, &myTaskHandleA, 0);
    xTaskCreatePinnedToCore(Demo_Task_B, "Demo_Task_B", 4096, NULL, 10, &myTaskHandleB, 1);
}

2.2 构建并烧录代码

配置烧录选项

首先，在构建和烧录之前，请务必检查并设置正确的目标设备、串口和烧录方式。参考第 2 节运行示例 - 1.3 配置项目。
点击一键自动依次执行构建、烧录和监视这三个步骤。

烧录完成后，串口监视器会开始打印信息。

备注

在多任务环境下 printf 输出可能交错，这是正常现象。

Demo_Task_A printing...1
Demo_Task_B printing...1
Demo_Task_A printing...2
Demo_Task_B printing...2
Demo_Task_A printing...3
Demo_Task_B printing...3
Demo_Task_A printing...4
Demo_Task_B printing...4
Demo_Task_A printing...5
Demo_Task_B printing...5
Demo_Task_B is suspended itself!
Demo_Task_A printing...6
Demo_Task_A printing...7
Demo_Task_A printing...8
Demo_Task_A printing...9
Demo_Task_A printing...10
Demo_Task_A resumed Demo_Task_B!
Demo_Task_A printing...11
Demo_Task_B printing...6
Demo_Task_A printing...12
Demo_Task_B printing...7
Demo_Task_A printing...13
Demo_Task_B printing...8
Demo_Task_A printing...14
Demo_Task_B printing...9
Demo_Task_A printing...15
Demo_Task_B printing...10
Demo_Task_B is deleted itself!
Demo_Task_A printing...16
Demo_Task_A printing...17
Demo_Task_A printing...18
Demo_Task_A printing...19
...

2.3 代码解析

包含头文件
```
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
```
- stdio.h: C 标准输入输出库，我们使用其中的 printf 函数向控制台打印任务运行信息。
- freertos/FreeRTOS.h 和 freertos/task.h: 提供 FreeRTOS 核心功能和任务管理相关的 API，例如任务的创建、删除、挂起、恢复和延时等。
定义任务句柄
```
TaskHandle_t myTaskHandleA = NULL;
TaskHandle_t myTaskHandleB = NULL;
```
- TaskHandle_t 是 FreeRTOS 中用于唯一标识一个任务的类型。
- 我们定义了两个全局的句柄变量 myTaskHandleA 和 myTaskHandleB，分别用于保存任务 A 和任务 B 的句柄。
- 将句柄设为全局变量，是为了让一个任务能够引用并操作另一个任务，例如在本例中，任务 A 需要使用任务 B 的句柄来恢复它。

任务 A (Demo_Task_A)

void Demo_Task_A(void *arg)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        printf("Demo_Task_A printing...%d\n", count);
        if (count == 10)
        {
            // 恢复任务 B 的运行
            printf("Demo_Task_A resumed Demo_Task_B!\n");
            vTaskResume(myTaskHandleB);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

这是一个无限循环的任务函数，每秒钟执行一次计数和打印操作。
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)): 使任务 A 阻塞（暂停）1000 毫秒，将 CPU 时间让给其他任务。
if (count == 10)...: 当任务 A 的计数达到 10 时，让任务 B 恢复运行。
vTaskResume(myTaskHandleB): 调用此函数并传入任务 B 的句柄，可以使处于挂起状态的任务 B 恢复运行。

任务 B (Demo_Task_B)

void Demo_Task_B(void *arg)
{
    int count = 0;
    while (1)
    {
        count++;
        printf("Demo_Task_B printing...%d\n", count);
        if (count == 5)
        {
            // 挂起自身：调度器将不再调度本任务，直到被其他任务 vTaskResume
            printf("Demo_Task_B is suspended itself!\n");
            vTaskSuspend(NULL);
        }
        if (count == 10)
        {
            // 自删除：退出任务；堆栈等资源由 Idle 任务回收
            printf("Demo_Task_B is deleted itself!\n");
            vTaskDelete(NULL);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

此任务同样每秒计数并打印。
if (count == 5)...: 当任务 B 的计数达到 5 时，它将调用 vTaskSuspend(NULL)。
- vTaskSuspend(): 用于挂起任务。被挂起的任务将不会再被调度器分配 CPU 时间，进入休眠状态。
- 参数传入 NULL 表示挂起任务自身。
if (count == 10)...: 在被任务 A 恢复后，当其计数达到 10 时，它将调用 vTaskDelete(NULL)。
- vTaskDelete(): 用于删除任务。释放其占用的内存（任务控制块和栈）。
- 参数传入 NULL 表示删除任务自身。
- 注意: 一个 RTOS 任务函数不应 return，应通过 vTaskDelete(NULL) 正确退出任务。

主函数 (app_main)
```
void app_main(void)
{
    // 创建任务并固定到指定核心；栈大小 4096 字节；两个任务同优先级 10
    // A 固定到核心 0，B 固定到核心 1（在双核上可并行运行）
    xTaskCreatePinnedToCore(Demo_Task_A, "Demo_Task_A", 4096, NULL, 10, &myTaskHandleA, 0);
    xTaskCreatePinnedToCore(Demo_Task_B, "Demo_Task_B", 4096, NULL, 10, &myTaskHandleB, 1);
}
```
- void app_main(void) 是 ESP-IDF 应用程序的入口点。ESP-IDF 会自动启动 FreeRTOS，用户必须定义一个 void app_main(void) 函数作为用户应用程序的入口点，并在 ESP-IDF 启动时被自动调用。
- xTaskCreatePinnedToCore(): 这是 ESP-IDF 提供的 FreeRTOS API，用于创建一个任务并将其“固定”到特定的 CPU 核心上运行。
  - Demo_Task_A / Demo_Task_B: 任务要执行的函数。
  - "Demo_Task_A" / "Demo_Task_B": 任务的描述性名称。
  - 4096: 分配给任务的栈空间大小，单位为字节。
  - NULL: 传递给任务函数的参数，本例中未使用。
  - 10: 任务的优先级。数值越大，优先级越高。优先级不能超过 configMAX_PRIORITIES - 1。
  - &myTaskHandleA / &myTaskHandleB: 传入任务句柄变量的地址，函数成功创建任务后，会将句柄存入此变量。
  - 0 / 1: 指定任务运行的核心 ID。任务 A 在核心 0 运行，任务 B 在核心 1 运行。如果传入 tskNO_AFFINITY，则调度器可以在任意核心上运行该任务。

1. FreeRTOS 基本概念​

1.1 任务状态​

1.2 任务调度​

2. 示例：任务管理​

2.1 示例代码​

2.2 构建并烧录代码​

2.3 代码解析​

3. 参考链接​