ESP-IDF 双核任务调度及绑核

1. 任务调度基本原理

在FreeRTOS中，任务调度是基于优先级的抢占式调度算法。简单来说，系统根据任务的优先级决定哪个任务会被执行。如果一个高优先级任务变为就绪状态，FreeRTOS会立刻抢占当前正在运行的任务，并将高优先级任务调度运行。

基本概念：

• 任务优先级：FreeRTOS的任务优先级范围从0到31，其中0表示最低优先级，31表示最高优先级。任务创建时会指定一个优先级，调度器会根据优先级决定哪个任务执行。
• 时间片（Timeslice）：对于同优先级的任务，FreeRTOS使用时间片轮转方式（Round Robin Scheduling）。每个任务会有一个固定的时间片，在时间片耗尽后，调度器会把当前任务挂起，调度其他任务运行。
• 抢占式调度：FreeRTOS的调度器是抢占式的，这意味着如果有高优先级的任务变为就绪状态，系统会强制中断当前正在运行的任务，立刻切换到高优先级的任务。

2. ESP32双核架构与核心利用

ESP32是一个具有双核处理器（双核心）芯片，默认情况下，每个核心（core0和core1）都可以独立地运行FreeRTOS任务。你可以通过FreeRTOS的API将任务分配到不同的核心，或者让调度器自动选择哪个核心来执行任务。

双核任务调度的方式：

• Core 0 和 Core 1：
  • Core 0（默认）通常用来运行系统的主任务和控制逻辑，也通常是应用程序的入口点（即 app_main() 函数）。这个核心还负责其他后台操作（如Wi-Fi、蓝牙、网络协议栈等）。
  • Core 1则可以用来执行其他任务，尤其是一些计算密集型任务或者其他不需要与Wi-Fi和蓝牙等系统功能直接交互的任务。用户可以根据任务的需要选择将任务分配到core1。

ESP32的FreeRTOS调度器会自动管理任务在两个核心上的分配，默认情况下，ESP32会在core0和core1之间平均分配任务。

3. 如何将任务绑定到特定核心

ESP32提供了xTaskCreatePinnedToCore函数，允许开发者显式地将任务绑定到指定的核心。这个函数是FreeRTOS的扩展，用于在多核系统中明确指定任务在哪个核心上运行。

语法：

BaseType_t xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskFunction_t pvTaskCode,     // 任务函数
    const char * const pcName,     // 任务名称
    uint16_t usStackDepth,         // 任务栈大小
    void *pvParameters,            // 任务参数
    UBaseType_t uxPriority,        // 任务优先级
    TaskHandle_t *pxCreatedTask,   // 任务句柄（可选）
    BaseType_t xCoreID             // 指定核心ID，0表示core0，1表示core1
);

• pvTaskCode：任务的执行函数。
• pcName：任务名称。
• usStackDepth：任务栈大小，单位是字节。
• pvParameters：任务参数，通常为NULL。
• uxPriority：任务优先级，范围是0-31。
• pxCreatedTask：可选参数，任务句柄。
• xCoreID：指定任务执行的核心，0表示在core0上运行，1表示在core1上运行。

示例代码：

void task_core0(void *pvParameters) {
    while (1) {
        printf("Task running on core 0\n");
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void task_core1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        printf("Task running on core 1\n");
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void app_main(void) {
    // 将task_core0绑定到core0
    xTaskCreatePinnedToCore(task_core0, "task_core0", 2048, NULL, 5, NULL, 0);

    // 将task_core1绑定到core1
    xTaskCreatePinnedToCore(task_core1, "task_core1", 2048, NULL, 5, NULL, 1);
}

在这个示例中，我们创建了两个任务，task_core0和task_core1，分别绑定到ESP32的core0和core1上。每个任务每秒打印一次不同的消息，表明它们分别在两个核心上运行。

4. 任务调度的流程

1. 任务创建：当一个任务被创建时，FreeRTOS会为其分配堆栈和任务控制块（TCB）。同时，如果没有显式绑定到某个核心，FreeRTOS会将任务分配到空闲核心上（默认是core0）。
2. 任务调度：调度器会定期检查任务的就绪状态（即哪些任务是可以执行的）。根据任务的优先级，调度器决定下一个要运行的任务。如果是一个单核系统，调度器会选择一个任务执行。如果是双核系统，调度器会在两个核心上运行任务。
3. 任务切换：当一个任务的时间片用尽，或者高优先级的任务变为就绪状态时，FreeRTOS会执行任务切换。对于双核系统，任务切换可能会发生在两个核心之间，具体取决于任务在哪个核心上运行。
4. 任务挂起与恢复：FreeRTOS还允许任务在运行时被挂起（通过vTaskSuspend），并在之后恢复（通过vTaskResume）。这通常用于某些特殊的任务调度需求。
5. Idle任务：FreeRTOS还有一个特殊的“空闲任务”Idle Task，该任务会在没有其他任务执行时运行（例如，所有其他任务都被挂起，或处于阻塞状态）。它通常用于低功耗操作或者周期性的清理工作。

5. 双核任务调度的挑战

在双核系统中，任务的调度和资源共享会更加复杂，尤其是在多任务和多核的情况下。ESP32的FreeRTOS调度器通过对两个核心的调度进行协调，尽量避免资源竞争和不必要的任务切换。

• 同步问题：当多个任务需要访问共享资源时，需要使用互斥量（mutex）、信号量（semaphore）等同步机制，避免多个核心上的任务同时访问同一资源导致的数据冲突。
• 负载均衡：FreeRTOS的默认任务调度方式会尽量均匀地分配任务到两个核心，但有时开发者需要通过手动分配任务到特定核心，来优化性能，特别是在计算密集型应用中。
• 核心利用率：如果某个核心空闲，但另一个核心的负载较重，调度器可以通过平衡负载来确保两个核心的资源得到充分利用。这种负载平衡可以通过适当配置任务优先级和核心绑定来实现。

总结

任务调度与核心利用是多核处理器上至关重要的部分。在ESP32中，FreeRTOS能够很好地支持双核架构，并允许开发者灵活地分配任务到不同的核心上。你可以使用xTaskCreatePinnedToCore将任务绑定到特定核心，以实现更高效的资源利用或避免任务间的竞争。同时，FreeRTOS的调度机制确保了任务按照优先级进行执行，并且能够灵活地管理任务之间的切换和同步。

如果你有需要优化任务调度或考虑其他因素（如任务间通信或负载平衡），需要结合具体的应用需求来进行设计和调整。