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第六章：6.1 ESP32教学：多任务处理与FreeRTOS实战

web 2025/5/6 11:02:33

一、FreeRTOS简介

ESP32内置了FreeRTOS实时操作系统内核，这是一个专为嵌入式系统设计的开源实时操作系统。它支持：

多任务并行处理
任务优先级管理
内存管理
任务间通信
定时器管理

二、任务创建与管理

1. 任务创建（xTaskCreate）

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pvTaskCode,    // 任务函数指针const char * const pcName,    // 任务名称configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 堆栈大小void *pvParameters,          // 任务参数UBaseType_t uxPriority,      // 任务优先级TaskHandle_t *pxCreatedTask  // 任务句柄指针
);
void setup() {Serial.begin(115200);// 创建两个任务xTaskCreate(task1,          // 任务函数"Task1",         // 任务名称2048,            // 堆栈大小（字节）NULL,            // 任务参数1,               // 优先级（0-24）NULL             // 任务句柄);xTaskCreate(task2, "Task2", 2048, NULL, 2, NULL);
}void task1(void * parameter) {while(1) {Serial.println("Task1正在运行");vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);  // 延时1秒}
}void task2(void * parameter) {while(1) {Serial.println("Task2正在执行高优先级任务");vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);  // 延时500ms}
}void loop() {}  // Arduino主循环留空

2. 关键函数解析

vTaskDelay()：非阻塞延时void vTaskDelay(const TickType_t xTicksToDelay);
参数使用pdMS_TO_TICKS()宏转换时间，例如：vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));  // 精确延时100ms
vTaskDelete()：删除任务void vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

三、任务间通信

1. 队列（Queue）

队列是先进先出（FIFO）的数据结构，用于任务间安全传递数据。

创建队列：

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength,  // 队列长度UBaseType_t uxItemSize      // 单个元素大小（字节）
);

完整示例：

QueueHandle_t dataQueue;void setup() {Serial.begin(115200);// 创建能存储10个int的队列dataQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int));xTaskCreate(producerTask, "Producer", 2048, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(consumerTask, "Consumer", 2048, NULL, 2, NULL);
}// 生产者任务
void producerTask(void * parameter) {int counter = 0;while(1) {xQueueSend(dataQueue, &counter, portMAX_DELAY);Serial.printf("生产数据：%d\n", counter);counter++;vTaskDelay(800 / portTICK_PERIOD_MS);}
}// 消费者任务
void consumerTask(void * parameter) {int receivedData;while(1) {if(xQueueReceive(dataQueue, &receivedData, 1000 / portTICK_PERIOD_MS)){Serial.printf("消费数据：%d\n", receivedData);}}
}void loop() {}

2. 信号量（Semaphore）

用于任务同步和资源共享控制

二进制信号量示例：

SemaphoreHandle_t binSemaphore;void setup() {Serial.begin(115200);binSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();xSemaphoreGive(binSemaphore);  // 初始可用xTaskCreate(taskA, "TaskA", 2048, NULL, 2, NULL);xTaskCreate(taskB, "TaskB", 2048, NULL, 1, NULL);
}void taskA(void * parameter) {while(1) {if(xSemaphoreTake(binSemaphore, portMAX_DELAY)){Serial.println("TaskA获得信号量");vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);xSemaphoreGive(binSemaphore);}}
}void taskB(void * parameter) {while(1) {if(xSemaphoreTake(binSemaphore, portMAX_DELAY)){Serial.println("TaskB获得信号量");vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);xSemaphoreGive(binSemaphore);}}
}void loop() {}

四、最佳实践建议

堆栈大小设置原则：
- 简单任务：1-2KB
- 复杂任务（涉及字符串处理）：4KB+
- 使用uxTaskGetStackHighWaterMark()监控堆栈使用
优先级管理：
- 0（最低）~24（最高）
- 避免"优先级反转"问题
队列使用技巧：
- 大数据建议传递指针
- 使用xQueueSendToFront()实现紧急消息插队
- 超时设置避免死锁

五、常见问题排查

任务无法启动
- 检查堆栈是否过小
- 确认任务函数为无限循环
队列数据丢失
- 增加队列长度
- 检查生产者速度是否过快
系统崩溃
- 使用ESP32异常解码工具
- 检查内存越界访问

六、综合应用案例

实现温湿度传感器数据采集与网络上传的协同工作：

#include <WiFi.h>
#include <DHT.h>#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT22DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
QueueHandle_t sensorQueue;
SemaphoreHandle_t wifiSemaphore;void setup() {Serial.begin(115200);dht.begin();sensorQueue = xQueueCreate(5, sizeof(float[2]));wifiSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();xTaskCreate(readSensorTask, "Sensor", 4096, NULL, 2, NULL);xTaskCreate(uploadTask, "Upload", 4096, NULL, 1, NULL);WiFi.begin("SSID", "password");while(WiFi.status() != WL_CONNECTED){vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);}xSemaphoreGive(wifiSemaphore);
}void readSensorTask(void * parameter) {float data[2];while(1) {data[0] = dht.readTemperature();data[1] = dht.readHumidity();if(!isnan(data[0]) && !isnan(data[1])){xQueueSend(sensorQueue, data, 0);}vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);}
}void uploadTask(void * parameter) {float receivedData[2];while(1) {if(xSemaphoreTake(wifiSemaphore, 1000 / portTICK_PERIOD_MS)){if(xQueueReceive(sensorQueue, receivedData, 0)){// 模拟网络上传Serial.printf("上传数据：温度%.1f℃ 湿度%.1f%%\n", receivedData[0], receivedData[1]);}xSemaphoreGive(wifiSemaphore);}vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);}
}void loop() {}