在ESP32 Arduino框架上实验FreeRTOS：多任务操作系统的简介与应用

FreeRTOS

介绍

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实时操作系统（RTOS）：

实时操作系统是一种专为实时应用程序设计的操作系统。实时应用程序对任务的响应时间有严格的要求，因此实时操作系统必须能够在预定的时间内完成任务的调度和执行。这与通用操作系统（如Windows、Linux）的设计目标有所不同，通用操作系统更注重用户体验和各种应用程序的同时运行。

实时操作系统通常用于嵌入式系统、航空航天、医疗设备、汽车控制系统等领域，这些领域对系统的响应时间和可靠性要求非常高。

FreeRTOS：

FreeRTOS（Real-Time Operating System）是一个开源的实时操作系统内核，它是由英国公司Real Time Engineers Ltd.创建并维护的。FreeRTOS提供了一个轻量级、可移植的内核，适用于多种嵌入式平台。

以下是FreeRTOS的一些特点和功能：

1. 多任务管理： FreeRTOS支持多任务，允许在同一系统中运行多个任务。每个任务都有自己的堆栈和优先级，任务之间可以共享资源。

2. 任务调度： FreeRTOS使用抢占式任务调度，任务按照优先级进行调度，高优先级任务可以打断低优先级任务的执行。

3. 内存管理： FreeRTOS提供内存管理机制，可以灵活地配置和管理任务堆栈、消息队列等资源。

4. 互斥锁和信号量： 用于实现任务之间的同步和互斥，防止资源冲突。

5. 定时器和中断处理： FreeRTOS提供了软件定时器和硬件定时器的支持，以及灵活的中断处理机制。

6. 可移植性： FreeRTOS的内核设计使其能够轻松地移植到不同的嵌入式平台上，支持多种处理器架构。

7. 开源和社区支持： 作为开源项目，FreeRTOS得到了广泛的社区支持，用户可以方便地获取源代码、文档和社区帮助。

在使用FreeRTOS时，可以通过创建任务、使用信号量和队列等机制，以一种结构化和可维护的方式设计和实现复杂的嵌入式系统。

第一个FreeRTOS程序

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创建多任务

在FreeRTOS中，创建多任务可以使用 xTaskCreate 函数。该函数的原型如下：

BaseType_t xTaskCreate(
    TaskFunction_t pvTaskCode,
    const char * const pcName,
    const uint32_t usStackDepth,
    void * const pvParameters,
    UBaseType_t uxPriority,
    TaskHandle_t * const pxCreatedTask
);

这个函数用于创建一个新的任务。下面是各个参数的解释：

• TaskFunction_t pvTaskCode: 这是任务函数的指针，该函数将在任务被创建时运行。任务函数的原型应为 void taskFunction(void *pvParameters)，其中 pvParameters 是传递给任务的参数。

• const char * const pcName: 这是任务的名称，用于识别任务。这个参数是一个字符串。

• const uint32_t usStackDepth: 这是任务堆栈的深度，以字为单位。堆栈的深度取决于任务的要求和系统的限制。

• void * const pvParameters: 这是传递给任务函数的参数，可以是一个结构体、整数或其他任何类型。

• UBaseType_t uxPriority: 这是任务的优先级。优先级越高的任务将更早得到执行。通常，0是最低优先级，数字越大优先级越高。

• TaskHandle_t * const pxCreatedTask: 这是一个指向任务句柄的指针，用于接收任务的句柄。如果不需要任务句柄，可以将此参数设置为 NULL。

下面是一个简单的例子，演示如何创建两个任务：

#include 

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("Task 1 is running...");
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("Task 2 is running...");
    vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  xTaskCreate(task1, "Task1", 1024, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(task2, "Task2", 1024, NULL, 1, NULL);
}

void loop() {
  // 什么都不做
}

在这个例子中，task1 和 task2 是两个简单的任务函数，分别以不同的频率输出消息。通过 xTaskCreate 函数创建这两个任务，并在 setup 函数中启动它们。这样，两个任务将并行运行，形成多任务系统。

给任务函数传参

在FreeRTOS中，可以通过 pvParameters 参数将参数传递给任务函数。当使用 xTaskCreate 函数创建任务时，你可以将参数作为最后一个参数传递给该函数。这个参数是一个 void * 类型的指针，可以指向任何类型的数据。

以下是一个简单的例子：

#include 


// 定义结构体作为参数
typedef struct {
  int ledPin;
  int delayTime;
} TaskParameters;

// 任务函数
void blinkTask(void *pvParameters) {
  TaskParameters *params = (TaskParameters *)pvParameters;

  pinMode(params->ledPin, OUTPUT);

  while (1) {
    digitalWrite(params->ledPin, !digitalRead(params->ledPin));
    vTaskDelay(params->delayTime / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // 设置LED1任务参数
  TaskParameters params1 = {21, 1000};
  // 创建LED1任务
  xTaskCreate(blinkTask, "BlinkTask1", 1024, (void *)&params1, 1, NULL);

  // 设置LED2任务参数
  TaskParameters params2 = {23, 2000};
  // 创建LED2任务
  xTaskCreate(blinkTask, "BlinkTask2", 1024, (void *)&params2, 1, NULL);
}

void loop() {
  // 什么都不做
}

在这个例子中，我们定义了一个结构体 TaskParameters 来存储任务的参数，其中包括LED引脚号和LED闪烁间隔时间。然后，我们分别为两个LED创建了两个任务，将不同的参数传递给它们。在任务函数 blinkTask 中，通过类型转换将 pvParameters 转换为 TaskParameters 类型，然后就可以访问传递的参数了。

FreeRTOS多任务点灯

掌握了创建多任务以及向任务传参的方法，我们就可以完成第一个FreeRTOS项目了

项目任务：
通过两个任务，分别控制两个LED的闪烁。每个LED由一个独立的任务来处理，通过在任务中控制LED的状态，实现两LED的闪烁间隔时间不同。

以下是这个项目的基本流程：

1. 结构体定义：

   typedef struct {
     byte pin;
     int DelayTime;
   } LEDFLASH;
   

   定义了一个结构体 LEDFLASH，其中包含了 LED 的引脚号和闪烁的时间间隔。

2. 任务函数定义：

   void task(void *pt) {
     LEDFLASH *ptLedFlash = (LEDFLASH *)pt;
   
     pinMode(ptLedFlash->pin, OUTPUT);
     while (1) {
       digitalWrite(ptLedFlash->pin, !digitalRead(ptLedFlash->pin));
       vTaskDelay(ptLedFlash->DelayTime); // 通过 FreeRTOS 的延迟函数实现 LED 闪烁
     }
   }
   

   定义了一个任务函数 task，该函数通过类型转换获取 LED 结构体指针，然后在一个无限循环中控制 LED 的状态并通过 vTaskDelay 实现 LED 的闪烁效果。

3. 任务创建：

   void setup() {
     LEDFLASH ledFlash1 = {21, 1000}; // 第一个LED，引脚21，每秒一次
     LEDFLASH ledFlash2 = {23, 3000}; // 第二个LED，引脚23，每三秒一次
   
     xTaskCreate(task, "Blink 21", 1024, (void *)&ledFlash1, 1, NULL);
     xTaskCreate(task, "Blink 23", 1024, (void *)&ledFlash2, 1, NULL);
   
     Serial.begin(115200);
     Serial.println(portTICK_PERIOD_MS); // 打印一个 tick 的时间
   }
   

   在 setup 函数中，创建了两个任务，分别用于控制两个 LED。每个任务都独立运行，控制不同 LED 的状态。

4. 串口初始化：

   Serial.begin(115200);
   

   初始化串口通信，用于在串口监视器上输出信息。

5. 主循环：

   void loop() {
     // 什么都不做
   }
   

   由于任务在 FreeRTOS 中进行管理和调度，因此 loop 函数为空。

通过 FreeRTOS 实现多任务处理，通过两个任务控制两个 LED 的独立闪烁，展示了 FreeRTOS 在 ESP32 上实时操作系统的应用。源码点击查看