FreeRTOS 多任务

FreeRTOS 在 ESP32 中的地位

FreeRTOS 是全球使用最广泛的嵌入式实时操作系统（RTOS），由 Richard Barry 创建，现由 Amazon 维护（AWS FreeRTOS）。ESP-IDF 将其深度集成：你编写的 app_main() 函数就是 FreeRTOS 的一个任务；Wi-Fi 协议栈、蓝牙驱动都运行在各自的 FreeRTOS 任务中。

任务（Task）基础

关键概念

任务创建示例

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

static const char *TAG = "TASK";

void sensor_task(void *arg)
{
    ESP_LOGI(TAG, "传感器任务运行在 Core %d", xPortGetCoreID());
    while (1) {
        /* 读取传感器 */
        ESP_LOGI(TAG, "读取传感器...");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));   // 2秒延迟（任务进入 Blocked 状态）
    }
}

void network_task(void *arg)
{
    ESP_LOGI(TAG, "网络任务运行在 Core %d", xPortGetCoreID());
    while (1) {
        /* 发送 MQTT 数据 */
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
    }
}

void app_main(void)
{
    /* 普通创建（调度器自动分配核心）*/
    xTaskCreate(
        sensor_task,    // 任务函数
        "sensor",       // 任务名（调试用）
        4096,           // 栈大小（字节）
        NULL,           // 传递给任务的参数
        5,              // 优先级
        NULL            // 任务句柄（可选）
    );

    /* 固定到 Core 1（APP_CPU），避免被 Wi-Fi 打断 */
    xTaskCreatePinnedToCore(
        network_task,
        "network",
        8192,
        NULL,
        8,
        NULL,
        1               // Core 1 = APP_CPU
    );

    /* 查看任务状态（调试）*/
    char buf[512];
    vTaskList(buf);    // 需在 menuconfig 中启用 configUSE_TRACE_FACILITY
    ESP_LOGI(TAG, "任务列表:\n%s", buf);
}

同步原语

队列（Queue）

#include "freertos/queue.h"

typedef struct {
    float temperature;
    float humidity;
} sensor_data_t;

static QueueHandle_t sensor_queue;

void sensor_task(void *arg)
{
    sensor_data_t data;
    while (1) {
        data.temperature = 25.0f + (esp_random() % 100) / 10.0f;
        data.humidity    = 60.0f + (esp_random() % 20);
        /* 发送到队列，等待最多 100ms */
        xQueueSend(sensor_queue, &data, pdMS_TO_TICKS(100));
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void upload_task(void *arg)
{
    sensor_data_t data;
    while (1) {
        /* 从队列接收，永久等待 */
        if (xQueueReceive(sensor_queue, &data, portMAX_DELAY)) {
            ESP_LOGI("UPLOAD", "温度:%.1f 湿度:%.1f",
                     data.temperature, data.humidity);
            /* 发布到 MQTT... */
        }
    }
}

void app_main(void)
{
    sensor_queue = xQueueCreate(10, sizeof(sensor_data_t));
    xTaskCreate(sensor_task, "sensor", 4096, NULL, 5, NULL);
    xTaskCreate(upload_task, "upload", 8192, NULL, 6, NULL);
}

互斥锁（Mutex）

#include "freertos/semphr.h"

static SemaphoreHandle_t display_mutex;
static char shared_buffer[128];   // 多任务共享的显示缓冲区

static void task_a(void *arg)
{
    while (1) {
        if (xSemaphoreTake(display_mutex, pdMS_TO_TICKS(200)) == pdTRUE) {
            snprintf(shared_buffer, sizeof(shared_buffer), "Task A: %lu", xTaskGetTickCount());
            /* 更新显示... */
            xSemaphoreGive(display_mutex);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

void app_main(void)
{
    display_mutex = xSemaphoreCreateMutex();
    xTaskCreate(task_a, "task_a", 2048, NULL, 5, NULL);
}

事件组（Event Group）

#include "freertos/event_groups.h"

#define EVT_WIFI_READY   BIT0
#define EVT_SENSOR_READY BIT1
#define EVT_ALL_READY    (EVT_WIFI_READY | EVT_SENSOR_READY)

static EventGroupHandle_t system_events;

void wifi_init_task(void *arg) {
    /* ... Wi-Fi 初始化 ... */
    xEventGroupSetBits(system_events, EVT_WIFI_READY);
    vTaskDelete(NULL);
}

void sensor_init_task(void *arg) {
    /* ... 传感器初始化 ... */
    xEventGroupSetBits(system_events, EVT_SENSOR_READY);
    vTaskDelete(NULL);
}

void main_task(void *arg) {
    /* 等待 Wi-Fi 和传感器都就绪（AND 等待） */
    xEventGroupWaitBits(system_events, EVT_ALL_READY,
                         pdTRUE, pdTRUE, portMAX_DELAY);
    ESP_LOGI("MAIN", "系统就绪，开始上报数据");
    while (1) { /* ... */ }
}

看门狗（Watchdog）

ESP32 实现了两级看门狗机制，防止程序卡死：

内存诊断

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

void print_memory_info(void)
{
    ESP_LOGI("MEM", "内部 DRAM 堆:");
    ESP_LOGI("MEM", "  总计: %d 字节",
             heap_caps_get_total_size(MALLOC_CAP_INTERNAL | MALLOC_CAP_8BIT));
    ESP_LOGI("MEM", "  空闲: %d 字节",
             heap_caps_get_free_size(MALLOC_CAP_INTERNAL | MALLOC_CAP_8BIT));
    ESP_LOGI("MEM", "  最小曾经空闲: %d 字节",
             heap_caps_get_minimum_free_size(MALLOC_CAP_INTERNAL));

    /* 当前任务剩余栈空间 */
    ESP_LOGI("MEM", "当前任务栈剩余: %d 字节",
             (int)uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL) * sizeof(StackType_t));
}