FreeRTOS 概述

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概述

FreeRTOS 是一个开源的 RTOS(实时操作系统)内核,它以组件的形式集成到 ESP-IDF 中。因此,所有的 ESP-IDF 应用程序及多种 ESP-IDF 组件都基于 FreeRTOS 编写。FreeRTOS 内核已移植到 ESP 芯片的所有 CPU 架构(即 Xtensa 和 RISC-V)中。

此外,ESP-IDF 还提供了不同的 FreeRTOS 实现,支持在多核 ESP 目标芯片上的 SMP(对称多处理)。本文档主要介绍了 FreeRTOS 组件、ESP-IDF 提供的 FreeRTOS 实现,并简要介绍了这些实现的共同之处。

实现

官方 FreeRTOS (下文称为原生 FreeRTOS)是一个单核 RTOS。为了支持各种多核 ESP 目标芯片,ESP-IDF 支持下述不同的 FreeRTOS 实现。

ESP-IDF FreeRTOS

ESP-IDF FreeRTOS 是基于原生 FreeRTOS v10.5.1 的 FreeRTOS 实现,其中包含支持 SMP 的大量更新。ESP-IDF FreeRTOS 最多支持两个核(即双核 SMP),但在设计上对这种场景进行了优化。关于 ESP-IDF FreeRTOS 及具体更新内容,请参考 FreeRTOS (IDF) 文档。

备注

ESP-IDF FreeRTOS 是目前 ESP-IDF 默认的 FreeRTOS 实现。

Amazon SMP FreeRTOS

Amazon SMP FreeRTOS 是由 Amazon 官方支持的 FreeRTOS SMP 实现。Amazon SMP FreeRTOS 能够支持 N 核,即双核以上。通过 CONFIG_FREERTOS_SMP 选项能够启用 Amazon SMP FreeRTOS。关于 Amazon SMP FreeRTOS 的更多细节,请参考 官方 Amazon SMP FreeRTOS 文档

警告

Amazon SMP FreeRTOS 实现(及其在 ESP-IDF 中的移植)目前处于试验/测试状态,因此,可能会发生重大的行为变化及 API 变更。

配置

内核配置

原生 FreeRTOS 要求移植工具和应用程序通过在 FreeRTOSConfig.h 头文件中添加各种 #define config... 宏定义来配置内核。原生 FreeRTOS 支持一系列内核配置选项,允许启用或禁用各种内核行为和功能。

然而,对于 ESP-IDF 中的所有 FreeRTOS 移植,FreeRTOSConfig.h 头文件被视为私有文件,用户不得修改。 由于该选项在 ESP-IDF 中是必选项或不被支持,FreeRTOSConfig.h 中的大量内核配置选项均为硬编码。所有用户可配置的内核配置选项都在 Component Config/FreeRTOS/Kernel 下的 menuconfig 中。

关于用户可配置内核选项的完整列表,参见 项目配置。下列为常用的内核配置选项:

  • CONFIG_FREERTOS_UNICORE:仅在核 0 上运行 FreeRTOS。注意,这 不等同于运行原生 FreeRTOS。 另外,此选项还可能影响除 freertos 外其他组件的行为。关于在单核上运行 FreeRTOS 的更多内容,请参考 单核模式 (使用 ESP-IDF FreeRTOS 时)或参考 Amazon SMP FreeRTOS 的官方文档,还可以在 ESP-IDF 组件中搜索 CONFIG_FREERTOS_UNICORE

端口配置

其他不属于内核配置的 FreeRTOS 相关配置选项都在 Component Config/FreeRTOS/Port 下的 menuconfig 中。这些选项可以配置以下内容:

  • FreeRTOS 端口本身(如 tick 定时器选择,ISR 堆栈大小)

  • 其他添加到 FreeRTOS 实现或端口的功能

使用 FreeRTOS

应用程序入口点

与原生 FreeRTOS 不同,在 ESP-IDF 中使用 FreeRTOS 的用户 永远不应调用 vTaskStartScheduler()vTaskEndScheduler()。相反,ESP-IDF 会自动启动 FreeRTOS。用户必须定义一个 void app_main(void) 函数作为用户应用程序的入口点,并在 ESP-IDF 启动时被自动调用。

  • 通常,用户会从 app_main 中启动应用程序的其他任务。

  • app_main 函数可以在任何时候返回(应用终止前)。

  • app_main 函数由 main 任务调用。

后台任务

在启动过程中,ESP-IDF 和 FreeRTOS 内核会自动创建多个在后台运行的任务,如下表所示。

启动过程创建任务列表

任务名称

描述

堆栈大小

亲和性

优先级

空闲任务 (IDLEx)

为每个 CPU 核创建并分配一个空闲任务 (IDLEx),其中 x 是 CPU 核的编号。 当启用单核配置时,x 将被删除。

CONFIG_FREERTOS_IDLE_TASK_STACKSIZE

核 x

0

FreeRTOS 定时器任务 (Tmr Svc)

如果应用程序调用了任何 FreeRTOS 定时器 API,FreeRTOS 会创建定时器服务或守护任务

CONFIG_FREERTOS_TIMER_TASK_STACK_DEPTH

核 0

CONFIG_FREERTOS_TIMER_TASK_PRIORITY

主任务 (main)

简单调用 app_main 的任务在 app_main 返回时会自我删除

CONFIG_ESP_MAIN_TASK_STACK_SIZE

CONFIG_ESP_MAIN_TASK_AFFINITY

1

IPC 任务 (ipcx)

CONFIG_FREERTOS_UNICORE 为假时,为每个 CPU 核创建并分配一个 IPC 任务 (ipcx)。IPC 任务用于实现处理器间调用 (IPC) 功能

CONFIG_ESP_IPC_TASK_STACK_SIZE

核 x

24

ESP 定时器任务 (esp_timer)

ESP-IDF 创建 ESP 定时器任务用于处理 ESP 定时器回调

CONFIG_ESP_TIMER_TASK_STACK_SIZE

核 0

22

备注

注意,如果应用程序使用了其他 ESP-IDF 功能(如 Wi-Fi 或蓝牙),那么这些功能可能会在上表的任务之外创建自己的后台任务。

FreeRTOS 附加功能

ESP-IDF 还为 FreeRTOS 提供了一些补充功能,如环形 buffer、ESP-IDF 风格的 tick 钩子和 idle 钩子、以及 TLSP 删除回调。要了解更多信息,请参见 FreeRTOS(附加功能)

FreeRTOS 堆

原生 FreeRTOS 自带 堆实现选择,然而 ESP-IDF 已经实现了自己的堆(参见 堆内存分配),因此不使用原生 FreeRTOS 的堆实现。ESP-IDF 中的所有 FreeRTOS 端口都将 FreeRTOS 内存分配或释放调用(例如 pvPortMalloc()pvPortFree())映射到 ESP-IDF 堆 API(即 heap_caps_malloc()heap_caps_free())。然而 FreeRTOS 端口可以确保 FreeRTOS 分配的所有动态内存都放在内部内存中。

备注

如果希望将 FreeRTOS 任务或对象放在外部内存中,可以使用以下方法:

应用示例

  • system/freertos/basic_freertos_smp_usage 演示了如何在 ESP32 的 SMP 架构中使用基本的 FreeRTOS API 进行任务创建、通信、同步和批处理。

  • system/freertos/real_time_stats 演示了如何使用 FreeRTOS 的 vTaskGetRunTimeStats() 函数来获取任务在指定时间段内的 CPU 使用统计信息,而不是整个 FreeRTOS 运行时间的统计信息。


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