FreeRTOS是一個實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)，專門為微控制器和小型微處理器設(shè)計(jì)。它為在資源受限的設(shè)備上開發(fā)需要精確定時和任務(wù)管理的應(yīng)用程序提供了可靠的基礎(chǔ)。

本指南中的所有示例代碼都可以在這個repo: FreeRTOS on Xiao ESP32S3上找到

什么是FreeRTOS?

FreeRTOS是一個輕量級操作系統(tǒng)，支持在微控制器上進(jìn)行多任務(wù)處理。它允許開發(fā)人員創(chuàng)建可以同時執(zhí)行多個任務(wù)的應(yīng)用程序，同時有效地管理系統(tǒng)資源。FreeRTOS中的“自由”指的是它的開源性質(zhì)，在MIT許可下可用，使其可用于商業(yè)和個人項(xiàng)目。

嵌入式系統(tǒng)對FreeRTOS的需求

FreeRTOS解決了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中簡單順序編程無法有效處理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。以下是它的必要性：

傳統(tǒng)編程的問題

在傳統(tǒng)的“超級循環(huán)”微控制器編程中，代碼在無限循環(huán)中依次運(yùn)行。這種方法有幾個局限性：

?時間問題：當(dāng)多個任務(wù)需要不同的時間要求時，管理它們變得越來越復(fù)雜，因?yàn)橛醒舆t函數(shù)。

?響應(yīng)性問題：長時間運(yùn)行的任務(wù)會阻塞其他一切。例如，如果您讀取傳感器需要1秒，則系統(tǒng)在此期間無法響應(yīng)其他事件。

?代碼復(fù)雜性：隨著項(xiàng)目的增長，在單個循環(huán)中管理多個設(shè)備交互變得笨拙且容易出錯。

?資源爭用：如果沒有適當(dāng)?shù)耐?，訪問共享資源可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或不可預(yù)測的行為。

使用FreeRTOS的好處

FreeRTOS通過以下方式解決這些問題：

1. 真正的多任務(wù)處理

FreeRTOS允許多個任務(wù)并發(fā)運(yùn)行，而不是一個任務(wù)阻塞其他任務(wù)。當(dāng)一個任務(wù)等待某些事情(比如傳感器讀取)時，其他任務(wù)可以繼續(xù)執(zhí)行。

2. 確定的時間

FreeRTOS提供了機(jī)制來確保時間關(guān)鍵的操作在應(yīng)該的時候發(fā)生。任務(wù)優(yōu)先級確保高優(yōu)先級操作在需要時獲得CPU時間。

3. 簡化程序結(jié)構(gòu)

你可以這樣寫，而不是在單個循環(huán)中使用復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)：

處理連接性的一個任務(wù)

另一個用于傳感器讀數(shù)

第三個是用戶界面元素，每個任務(wù)都變得更簡單、更集中。

4. 資源管理

FreeRTOS提供了信號量、互斥鎖和隊(duì)列來安全地共享資源和在任務(wù)之間通信，防止數(shù)據(jù)損壞和競爭條件。

5. 功率效率

當(dāng)任務(wù)處于非活動狀態(tài)時，F(xiàn)reeRTOS可以將處理器置于睡眠模式，從而減少對電池供電設(shè)備至關(guān)重要的功耗。

現(xiàn)實(shí)世界的例子：物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)

考慮這樣一個設(shè)備：

?讀取多個傳感器

?處理數(shù)據(jù)

?連接Wi-Fi

?向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)

?管理顯示

?處理用戶輸入

如果沒有RTOS，時序就會變成一場噩夢——您將需要復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)、仔細(xì)的時序計(jì)算，并且仍然會面臨響應(yīng)性問題。

使用FreeRTOS，您可以：

?為每個功能創(chuàng)建單獨(dú)的任務(wù)

?分配適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級

?讓調(diào)度器處理計(jì)時

?使用隊(duì)列在組件之間傳遞數(shù)據(jù)

?實(shí)施節(jié)能策略

當(dāng)freeertos是必不可少的

freeertos在以下方面變得尤為必要：

?對時間敏感的應(yīng)用：工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備或汽車系統(tǒng)，其中精確定時是至關(guān)重要的。

?復(fù)雜交互：系統(tǒng)同時管理多個外設(shè)、通信和用戶界面。

?資源受限的設(shè)備：當(dāng)您需要在處理能力有限的設(shè)備上最大化效率時。

?可靠的操作：系統(tǒng)穩(wěn)定性和可預(yù)測行為不可協(xié)商的應(yīng)用程序。

對于驍驍ESP32-S3來說，F(xiàn)reeRTOS非常有價值，因?yàn)樵摪宓碾p核處理器和連接功能(Wi-Fi、藍(lán)牙)與RTOS完美互補(bǔ)，RTOS可以有效地跨核分配任務(wù)并管理復(fù)雜的通信堆棧。

常見的應(yīng)用程序

?物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：同時管理傳感器、連接和數(shù)據(jù)處理。

?工業(yè)自動化：處理多個控制過程，定時保證。

?消費(fèi)類電子產(chǎn)品：在執(zhí)行后臺操作時管理用戶界面。

?醫(yī)療設(shè)備：確保關(guān)鍵功能的可靠運(yùn)行和可預(yù)測的時間。

?汽車系統(tǒng)：管理具有不同優(yōu)先級的多個控制系統(tǒng)。

入門曉ESP32-S3

Seeed Studio Xiao ESP32-S3是一款緊湊但功能強(qiáng)大的開發(fā)板，具有：

?ESP32-S3雙核處理器

?8MB PSRAM和8MB閃存

?Wi-Fi和藍(lán)牙連接

?USB Type-C，支持本地USB

?多個GPIO引腳在一個小的形式因素

?建立發(fā)展環(huán)境

?從Arduino .cc安裝Arduino IDE

增加ESP32板支持：

?開放Arduino IDE

?轉(zhuǎn)到File > Preferences

?進(jìn)入Tools > Board > Boards Manager

?搜索“esp32”并安裝最新版本

選擇正確的板：

?進(jìn)入Tools > Board > ESP32 Arduino

?選擇“XIAO_ESP32S3”

?選擇正確的板：進(jìn)入Tools > board > ESP32 ArduinoSelect “XIAO_ESP32S3”

安裝FreeRTOS庫：

?FreeRTOS預(yù)裝了ESP32 Arduino內(nèi)核

例1：兩個led同時閃爍

這個例子演示了如何創(chuàng)建兩個獨(dú)立的任務(wù)，每個任務(wù)控制一個具有不同閃爍模式的LED。

示意圖

代碼

在這里查看WOKWI仿真：WOKWI仿真

您可以創(chuàng)建一個副本并使用它進(jìn)行練習(xí)，例如以不同的速率閃爍兩個led，甚至添加更多l(xiāng)ed

例1中的關(guān)鍵概念

包括和定義

該代碼包括訪問任務(wù)創(chuàng)建和管理功能所需的FreeRTOS頭文件。

LED引腳被定義為常量，LED1_PIN使用ESP32-S3上的內(nèi)置LED(引腳2)，LED2_PIN表示連接到引腳3的外部LED。

任務(wù)處理

這些變量存儲對所創(chuàng)建任務(wù)的引用。它們用于在以后需要時識別和控制任務(wù)(例如，掛起、恢復(fù)或刪除任務(wù))。

.任務(wù)1:LED1閃爍功能

?這個函數(shù)將LED1_PIN配置為輸出引腳。

?它進(jìn)入一個無限循環(huán)(while(1))，這是需要連續(xù)運(yùn)行的FreeRTOS任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。

循環(huán)內(nèi)部：

?用digitalWrite(LED1_PIN， HIGH)打開LED

?使用vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS)等待500毫秒

?使用digitalWrite(LED1_PIN， LOW)關(guān)閉LED

?再等待500毫秒

?環(huán)路內(nèi)部：用digitalWrite(LED1_PIN， HIGH)點(diǎn)亮LED

?使用vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS)等待500毫秒

?使用digitalWrite(LED1_PIN， LOW)關(guān)閉LED

?再等待500毫秒

?vTaskDelay函數(shù)在這里至關(guān)重要。它將控制權(quán)交還給FreeRTOS調(diào)度器，允許其他任務(wù)在延遲期間運(yùn)行。參數(shù)portTICK_PERIOD_MS是一個常量，用于將毫秒轉(zhuǎn)換為FreeRTOS的滴答周期。

任務(wù)2:LED2閃爍功能

該函數(shù)在結(jié)構(gòu)上與任務(wù)1相同，但是：

?它控制LED2_PIN

?它使用更長的延遲1000毫秒(1秒)，創(chuàng)建一個不同的閃爍模式

?該函數(shù)在結(jié)構(gòu)上與Task 1相同，但是：它控制LED2_PIN，而不是使用更長的延遲1000毫秒(1秒)，創(chuàng)建不同的閃爍模式

設(shè)置函數(shù)

?setup函數(shù)以115200波特率初始化串口通信，并等待1秒。

然后使用xTaskCreate()創(chuàng)建兩個任務(wù)，它有幾個參數(shù)：

?任務(wù)函數(shù)：任務(wù)(blinkLED1Task或blinkLED2Task)要執(zhí)行的函數(shù)。

?任務(wù)名稱：用于調(diào)試目的的描述性名稱

?堆棧大?。簽槿蝿?wù)堆棧分配的內(nèi)存量(以字節(jié)為單位)(這里是2048字節(jié))

?任務(wù)參數(shù)：傳遞給任務(wù)的數(shù)據(jù)(NULL表示沒有參數(shù))

?任務(wù)優(yōu)先級：0-24之間的一個數(shù)字，數(shù)字越高優(yōu)先級越高;兩個任務(wù)具有相同的優(yōu)先級(1)

?任務(wù)句柄：存儲任務(wù)句柄的指針，用于以后的管理

然后使用xTaskCreate()創(chuàng)建兩個任務(wù)，它有幾個參數(shù)：任務(wù)函數(shù)：由任務(wù)執(zhí)行的函數(shù)(blinkLED1Task或blinkLED2Task)任務(wù)名稱：用于調(diào)試目的的描述性名稱堆棧大?。簽槿蝿?wù)堆棧分配的內(nèi)存(以字節(jié)為單位)(這里是2048字節(jié))任務(wù)參數(shù)：傳遞給任務(wù)的數(shù)據(jù)(NULL表示沒有參數(shù))任務(wù)優(yōu)先級：從0到24的數(shù)字，其中更高的數(shù)字意味著更高的優(yōu)先級;任務(wù)句柄：存儲任務(wù)句柄的指針，用于以后的管理

循環(huán)函數(shù)

?循環(huán)函數(shù)基本上是空的，因?yàn)镕reeRTOS調(diào)度器現(xiàn)在控制任務(wù)的執(zhí)行。

?在循環(huán)中包含vTaskDelay()可以防止CPU在空循環(huán)中浪費(fèi)周期。

多任務(wù)是如何工作的：

?當(dāng)ESP32-S3啟動時，它運(yùn)行setup()函數(shù)，該函數(shù)創(chuàng)建兩個LED閃爍任務(wù)。

?FreeRTOS調(diào)度器接管并開始并發(fā)地執(zhí)行這兩個任務(wù)。

?任務(wù)1一直運(yùn)行，直到遇到vTaskDelay()，然后調(diào)度器暫時掛起它。

?然后調(diào)度程序運(yùn)行Task 2，直到它達(dá)到自己的vTaskDelay()。

?當(dāng)任務(wù)進(jìn)入和退出它們的延遲狀態(tài)時，調(diào)度器會智能地在它們之間切換。

?從用戶的角度來看，兩個led似乎同時獨(dú)立閃爍。

?這是FreeRTOS如何在單核或多核微控制器上實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理的完美示例，允許多個操作并發(fā)運(yùn)行，而無需復(fù)雜的手動定時管理。

示例2：使用互聯(lián)網(wǎng)重新連接的連續(xù)數(shù)據(jù)收集

這個例子演示了持續(xù)收集傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷時將數(shù)據(jù)存儲在本地，并在網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后發(fā)送數(shù)據(jù)。

示意圖

代碼

在這里查看WOKWI仿真：WOKWI仿真

你可以創(chuàng)建一個副本并練習(xí)

例2中的關(guān)鍵概念

?任務(wù)同步：使用互斥鎖(SemaphoreHandle_t)來保護(hù)共享資源。

?任務(wù)間通信：使用隊(duì)列(QueueHandle_t)在任務(wù)之間傳遞數(shù)據(jù)。

?資源管理：在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲管理

?多任務(wù)優(yōu)先級：賦予連接管理比數(shù)據(jù)收集和發(fā)送更高的優(yōu)先級。

高級FreeRTOS概念

FreeRTOS中的任務(wù)狀態(tài)

?運(yùn)行中：任務(wù)正在執(zhí)行。

?Ready：任務(wù)可以運(yùn)行，但需要等待CPU時間。

?阻塞：任務(wù)正在等待一個事件(例如，延遲超時，信號量)。

?Suspended：該任務(wù)不可調(diào)度。

?已刪除：任務(wù)已刪除，但未從內(nèi)存中移除。

內(nèi)存管理

FreeRTOS提供的內(nèi)存分配函數(shù)被設(shè)計(jì)為確定性和避免碎片：

?pvPortMalloc()：分配內(nèi)存

?vPortFree()：釋放已分配的內(nèi)存

高效的FreeRTOS應(yīng)用程序提示

?使用靜態(tài)分配：在可能的情況下，使用靜態(tài)分配而不是動態(tài)分配，以避免碎片和分配失敗。

?謹(jǐn)慎選擇任務(wù)優(yōu)先級：為時間緊迫的任務(wù)分配更高的優(yōu)先級，但要注意優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。

?避免高優(yōu)先級任務(wù)阻塞：高優(yōu)先級任務(wù)不應(yīng)該長時間阻塞，因?yàn)樗鼈儠柚沟蛢?yōu)先級任務(wù)的運(yùn)行。

?使用適當(dāng)?shù)亩褩４笮。悍峙渥銐虻亩褩？臻g以防止溢出，但不要太多，以免浪費(fèi)RAM。

?利用事件驅(qū)動編程：盡可能使用FreeRTOS通知事件而不是輪詢。

?考慮滴答率：根據(jù)應(yīng)用程序的定時要求，適當(dāng)?shù)嘏渲肍reeRTOS滴答率。

?監(jiān)控CPU使用情況：使用FreeRTOS內(nèi)置的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集來識別瓶頸并優(yōu)化任務(wù)性能。

本文編譯自hackster.io