# 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（仅适用于 ESP32）。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，请参见 Kconfig 选项参考。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`。

- CONFIG_FREERTOS_ENABLE_BACKWARD_COMPATIBILITY 可以向后兼容某些 FreeRTOS 宏、类型或函数，这些宏、类型或函数已在 v8.0 及以上版本中弃用。

### 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()` 和 `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`) | 当 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()` 和 `pvPortFree()`）映射到 ESP-IDF 堆 API（即 `heap_caps_malloc()` 和 `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：

- 使用一个 `...CreateWithCaps()` API，如 `xTaskCreateWithCaps()` 和 `xQueueCreateWithCaps()` 来分配任务或对象（参见 IDF 附加 API 获取更多详细信息）。

- 使用 `heap_caps_malloc()` 为这些对象手动分配外部内存，然后使用 FreeRTOS 的一个 `...CreateStatic()` 函数从分配的内存中创建对象。

## 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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