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

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行多任務處理。它允許開發(fā)人員創(chuàng)建可以同時執(zhí)行多個任務的應用程序，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，在MIT許可下可用，使其可用于商業(yè)和個人項目。

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)中依次運行。這種方法有幾個局限性：

?時間問題：當多個任務需要不同的時間要求時，管理它們變得越來越復雜，因為有延遲函數(shù)。

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

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

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

使用FreeRTOS的好處

FreeRTOS通過以下方式解決這些問題：

1. 真正的多任務處理

FreeRTOS允許多個任務并發(fā)運行，而不是一個任務阻塞其他任務。當一個任務等待某些事情(比如傳感器讀取)時，其他任務可以繼續(xù)執(zhí)行。

2. 確定的時間

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

3. 簡化程序結構

你可以這樣寫，而不是在單個循環(huán)中使用復雜的狀態(tài)機：

處理連接性的一個任務

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、互斥鎖和隊列來安全地共享資源和在任務之間通信，防止數(shù)據(jù)損壞和競爭條件。

5. 功率效率

當任務處于非活動狀態(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備至關重要的功耗。

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

考慮這樣一個設備：

?讀取多個傳感器

?處理數(shù)據(jù)

?連接Wi-Fi

?向服務器發(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——您將需要復雜的狀態(tài)機、仔細的時序計算，并且仍然會面臨響應性問題。

使用FreeRTOS，您可以：

?為每個功能創(chuàng)建單獨的任務

?分配適當?shù)膬?yōu)先級

?讓調度器處理計時

?使用隊列在組件之間傳遞數(shù)據(jù)

?實施節(jié)能策略

當freeertos是必不可少的

freeertos在以下方面變得尤為必要：

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

?復雜交互：系統(tǒng)同時管理多個外設、通信和用戶界面。

?資源受限的設備：當您需要在處理能力有限的設備上最大化效率時。

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

對于驍驍ESP32-S3來說，F(xiàn)reeRTOS非常有價值，因為該板的雙核處理器和連接功能(Wi-Fi、藍牙)與RTOS完美互補，RTOS可以有效地跨核分配任務并管理復雜的通信堆棧。

常見的應用程序

?物聯(lián)網(wǎng)設備：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)療設備：確保關鍵功能的可靠運行和可預測的時間。

?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

?轉到File > Preferences

?進入Tools > Board > Boards Manager

?搜索“esp32”并安裝最新版本

選擇正確的板：

?進入Tools > Board > ESP32 Arduino

?選擇“XIAO_ESP32S3”

?選擇正確的板：進入Tools > board > ESP32 ArduinoSelect “XIAO_ESP32S3”

安裝FreeRTOS庫：

?FreeRTOS預裝了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)建兩個獨立的任務，每個任務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行練習，例如以不同的速率閃爍兩個led，甚至添加更多l(xiāng)ed

例1中的關鍵概念

包括和定義

該代碼包括訪問任務創(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。

任務處理

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

.任務1:LED1閃爍功能

?這個函數(shù)將LED1_PIN配置為輸出引腳。

?它進入一個無限循環(huán)(while(1))，這是需要連續(xù)運行的FreeRTOS任務的標準。

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)關閉LED

?再等待500毫秒

?環(huán)路內(nèi)部：用digitalWrite(LED1_PIN， HIGH)點亮LED

?使用vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS)等待500毫秒

?使用digitalWrite(LED1_PIN， LOW)關閉LED

?再等待500毫秒

?vTaskDelay函數(shù)在這里至關重要。它將控制權交還給FreeRTOS調度器，允許其他任務在延遲期間運行。參數(shù)portTICK_PERIOD_MS是一個常量，用于將毫秒轉換為FreeRTOS的滴答周期。

任務2:LED2閃爍功能

該函數(shù)在結構上與任務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)在結構上與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，它有幾個參數(shù)：

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

?任務名稱：用于調試目的的描述性名稱

?堆棧大?。簽槿蝿斩褩７峙涞膬?nèi)存量(以字節(jié)為單位)(這里是2048字節(jié))

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

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

?任務句柄：存儲任務句柄的指針，用于以后的管理

然后使用xTaskCreate()創(chuàng)建兩個任務，它有幾個參數(shù)：任務函數(shù)：由任務執(zhí)行的函數(shù)(blinkLED1Task或blinkLED2Task)任務名稱：用于調試目的的描述性名稱堆棧大?。簽槿蝿斩褩７峙涞膬?nèi)存(以字節(jié)為單位)(這里是2048字節(jié))任務參數(shù)：傳遞給任務的數(shù)據(jù)(NULL表示沒有參數(shù))任務優(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;任務句柄：存儲任務句柄的指針，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，因為FreeRTOS調度器現(xiàn)在控制任務的執(zhí)行。

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

多任務是如何工作的：

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

?FreeRTOS調度器接管并開始并發(fā)地執(zhí)行這兩個任務。

?任務1一直運行，直到遇到vTaskDelay()，然后調度器暫時掛起它。

?然后調度程序運行Task 2，直到它達到自己的vTaskDelay()。

?當任務進入和退出它們的延遲狀態(tài)時，調度器會智能地在它們之間切換。

?從用戶的角度來看，兩個led似乎同時獨立閃爍。

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

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)，當網(wǎng)絡連接中斷時將數(shù)據(jù)存儲在本地，并在網(wǎng)絡連接恢復后發(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

例2中的關鍵概念

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

?任務間通信：使用隊列(QueueHandle_t)在任務之間傳遞數(shù)據(jù)。

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

?多任務優(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中的任務狀態(tài)

?運行中：任務正在執(zhí)行。

?Ready：任務可以運行，但需要等待CPU時間。

?阻塞：任務正在等待一個事件(例如，延遲超時，信號量)。

?Suspended：該任務不可調度。

?已刪除：任務已刪除，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)被設計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。

?謹慎選擇任務優(yōu)先級：為時間緊迫的任務分配更高的優(yōu)先級，但要注意優(yōu)先級反轉問題。

?避免高優(yōu)先級任務阻塞：高優(yōu)先級任務不應該長時間阻塞，因為它們會阻止低優(yōu)先級任務的運行。

?使用適當?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RAM。

?利用事件驅動編程：盡可能使用FreeRTOS通知事件而不是輪詢。

?考慮滴答率：根據(jù)應用程序的定時要求，適當?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)計數(shù)據(jù)收集來識別瓶頸并優(yōu)化任務性能。

本文編譯自hackster.io