ESP32入门(三)使用 FreeRTOS 多任务系统实现 LED 点灯控制

在之前的博客中，我们已经学习了 ESP32 的基础点灯操作以及通过 WiFi 和浏览器实现远程控制。今天我们将进一步探索 ESP32 的强大性能，引入 FreeRTOS 实时操作系统，通过多任务机制实现更复杂的 LED 控制场景。FreeRTOS 作为嵌入式领域应用广泛的实时操作系统，能够帮助我们更高效地管理 ESP32 的资源，实现多个任务的并行执行。

一、FreeRTOS 基础概念与 ESP32 集成优势

1.1 FreeRTOS 简介

FreeRTOS 是一款轻量级、开源的实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它提供了任务调度、内存管理、消息队列、信号量等核心功能，能够让开发者轻松实现多任务并行处理。对于 ESP32 这样的双核处理器来说，FreeRTOS 的多任务机制可以充分发挥其硬件性能，让多个任务（如 LED 控制、传感器读取、网络通信等）同时运行而不会互相阻塞。

1.2 ESP32 与 FreeRTOS 的结合优势

ESP32 内置的双核 Xtensa 处理器与 FreeRTOS 结合后，具有以下显著优势：

• 任务并行执行：利用 ESP32 的双核特性，可在两个核心上同时运行不同任务，提高系统响应速度
• 资源高效管理：FreeRTOS 的任务调度机制确保关键任务优先执行，避免资源竞争
• 模块化开发：将复杂系统拆分为独立任务，提高代码可读性和可维护性
• 实时性保障：适合对实时性要求高的场景，如工业控制、智能家居等

二、开发环境准备与 FreeRTOS 集成

2.1 环境准备

在开始之前，确保已准备好以下资源：

• ESP32 开发板（如 ESP32-DevKitC）
• Arduino IDE（已配置 ESP32 开发环境）
• USB 数据线
• LED 灯及限流电阻（可选，若开发板未集成 LED）

2.2 在 Arduino IDE 中集成 FreeRTOS

Arduino IDE 中使用 ESP32 的 FreeRTOS 功能需要通过 ESP32 Arduino Core 来实现，该核心已内置 FreeRTOS 支持。具体配置步骤如下：

1. 打开 Arduino IDE，进入 "工具"-> "开发板"-> "开发板管理器"
2. 确保已安装最新版本的 "ESP32 by Espressif Systems" 开发板支持
3. 在 "工具" 菜单中，确认以下选项：
   • 开发板：选择对应的 ESP32 开发板型号
   • 芯片：根据开发板选择（如 ESP32-D0WDQ6）
   • 处理器：默认即可（如双核，80MHz/240MHz）
   • 编译选项：确保勾选 "FreeRTOS Support"（在 "工具"-> "ESP32 Arduino" 中）

2.3 硬件连接

如果开发板未集成 LED，按如下方式连接：

• LED 正极通过 220Ω 限流电阻连接到 ESP32 的 GPIO2 引脚
• LED 负极连接到开发板 GND 引脚

三、FreeRTOS 多任务点灯实例实现

下面我们通过一个实例来展示如何使用 FreeRTOS 在 ESP32 上创建多个任务控制 LED 灯。这个实例将实现三个独立任务：

1. 主控制任务：处理用户输入和任务协调
2. LED 闪烁任务：控制 LED 以固定频率闪烁
3. 状态监测任务：实时监测 LED 状态并输出到串口     完整代码实现

   #include 
   #include 
   #include 
   #include 
   
   // 定义LED控制引脚
   #define LED_PIN 2
   
   // 定义任务句柄
   TaskHandle_t mainTaskHandle = NULL;
   TaskHandle_t ledBlinkTaskHandle = NULL;
   TaskHandle_t statusMonitorTaskHandle = NULL;
   
   // 定义信号量，用于任务间同步
   SemaphoreHandle_t ledControlSemaphore = NULL;
   
   // LED状态枚举
   typedef enum {
       LED_OFF = 0,
       LED_ON = 1
   } LedStatus;
   
   // LED当前状态
   LedStatus currentLedStatus = LED_OFF;
   
   // LED闪烁任务函数
   void ledBlinkTask(void *pvParameters) {
       TickType_t xLastWakeTime;
       const TickType_t xFrequency = 500 / portTICK_PERIOD_MS; // 500ms周期
       
       // 初始化延时
       xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
       
       while (1) {
           // 从信号量获取LED状态
           if (xSemaphoreTake(ledControlSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
               // 根据当前状态控制LED
               digitalWrite(LED_PIN, currentLedStatus);
               
               // 释放信号量
               xSemaphoreGive(ledControlSemaphore);
           }
           
           // 延时
           vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
       }
   }
   
   // 状态监测任务函数
   void statusMonitorTask(void *pvParameters) {
       while (1) {
           // 从信号量获取LED状态并打印
           if (xSemaphoreTake(ledControlSemaphore, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
               Serial.print("LED Status: ");
               Serial.println(currentLedStatus == LED_ON ? "ON" : "OFF");
               xSemaphoreGive(ledControlSemaphore);
           }
           
           // 每2秒监测一次
           vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));
       }
   }
   
   // 主控制任务函数
   void mainControlTask(void *pvParameters) {
       uint32_t buttonPressCount = 0;
       
       while (1) {
           Serial.println("FreeRTOS LED Control Demo");
           Serial.println("1. Turn LED ON");
           Serial.println("2. Turn LED OFF");
           Serial.println("3. Toggle LED");
           Serial.println("0. Exit");
           Serial.print("Enter your choice: ");
           
           // 模拟用户输入（实际项目中可替换为串口读取或按键输入）
           // 这里为简化演示，使用固定延时切换状态
           vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(3000));
           
           // 模拟用户输入选择
           buttonPressCount++;
           int choice = buttonPressCount % 4;
           
           // 根据选择控制LED
           switch (choice) {
               case 1:
                   xSemaphoreTake(ledControlSemaphore, portMAX_DELAY);
                   currentLedStatus = LED_ON;
                   xSemaphoreGive(ledControlSemaphore);
                   Serial.println("LED turned ON");
                   break;
               case 2:
                   xSemaphoreTake(ledControlSemaphore, portMAX_DELAY);
                   currentLedStatus = LED_OFF;
                   xSemaphoreGive(ledControlSemaphore);
                   Serial.println("LED turned OFF");
                   break;
               case 3:
                   xSemaphoreTake(ledControlSemaphore, portMAX_DELAY);
                   currentLedStatus = (currentLedStatus == LED_ON) ? LED_OFF : LED_ON;
                   xSemaphoreGive(ledControlSemaphore);
                   Serial.println("LED toggled");
                   break;
               case 0:
                   Serial.println("Exiting...");
                   break;
           }
           
           // 主任务延时
           vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
       }
   }
   
   void setup() {
       Serial.begin(115200);
       delay(100);
       
       // 初始化LED引脚
       pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
       digitalWrite(LED_PIN, LED_OFF);
       
       // 创建信号量
       ledControlSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();
       if (ledControlSemaphore == NULL) {
           Serial.println("Failed to create semaphore!");
           while (1); // 信号量创建失败，程序挂起
       }
       
       // 创建任务
       xTaskCreatePinnedToCore(
           mainControlTask,        // 任务函数
           "MainCtrlTask",         // 任务名称
           4096,                   // 任务栈大小
           NULL,                   // 任务参数
           3,                      // 任务优先级
           &mainTaskHandle,        // 任务句柄
           0                       // 运行在核心0
       );
       
       xTaskCreatePinnedToCore(
           ledBlinkTask,           // 任务函数
           "LedBlinkTask",         // 任务名称
           2048,                   // 任务栈大小
           NULL,                   // 任务参数
           2,                      // 任务优先级
           &ledBlinkTaskHandle,    // 任务句柄
           1                       // 运行在核心1
       );
       
       xTaskCreate(
           statusMonitorTask,      // 任务函数
           "StatusMonitorTask",    // 任务名称
           2048,                   // 任务栈大小
           NULL,                   // 任务参数
           1,                      // 任务优先级
           &statusMonitorTaskHandle // 任务句柄
       );
       
       // 启动调度器
       vTaskStartScheduler();
       
       // 如果程序执行到这里，说明调度器启动失败
       while (1);
   }
   
   void loop() {
       // FreeRTOS启动后，loop函数不会被执行
   }

代码功能解析

3.1 任务架构设计

本实例采用了三层任务架构：

1. 主控制任务（mainControlTask）：

   • 运行在 CPU 核心 0，优先级最高
   • 负责处理用户输入（本例中模拟输入）和任务协调
   • 通过信号量与其他任务通信

2. LED 闪烁任务（ledBlinkTask）：

   • 运行在 CPU 核心 1，优先级中等
   • 负责根据当前 LED 状态控制 GPIO 引脚
   • 使用周期性延时实现稳定的闪烁频率

3. 状态监测任务（statusMonitorTask）：

   • 运行在任意核心，优先级最低
   • 定期读取 LED 状态并输出到串口
   • 展示任务间数据共享的实现方式

3.2 任务通信机制

本例中使用了 FreeRTOS 的互斥信号量（Mutex）作为任务间通信的机制：

• ledControlSemaphore信号量用于保护 LED 状态变量currentLedStatus
• 多个任务可以安全地读取和修改 LED 状态而不会产生竞争条件
• xSemaphoreTake和xSemaphoreGive函数用于获取和释放信号量

3.3 任务创建与调度

在setup函数中，通过xTaskCreatePinnedToCore和xTaskCreate函数创建任务：

• xTaskCreatePinnedToCore用于将任务固定在特定 CPU 核心上运行
• 每个任务指定了唯一的名称、栈大小、优先级等参数
• 任务优先级数值越大，优先级越高
• 最后通过vTaskStartScheduler启动任务调度器，FreeRTOS 开始管理任务执行

四、程序上传与运行测试

4.1 上传代码

将上述代码复制到 Arduino IDE 中，注意修改以下部分：

1. 确保 LED_PIN 定义与实际连接的引脚一致
2. 根据需要调整任务优先级和栈大小
3. 若使用实际按键输入，修改主控制任务中的输入处理部分

 

4.2 运行与测试

上传完成后，打开串口监视器（波特率 115200），可以看到以下输出：

FreeRTOS LED Control Demo
1. Turn LED ON
2. Turn LED OFF
3. Toggle LED
0. Exit
Enter your choice: 

程序会每隔 5 秒模拟一次用户输入，依次执行开灯、关灯、切换状态和退出操作。同时，状态监测任务会每隔 2 秒输出一次 LED 的当前状态，LED 闪烁任务会根据当前状态控制 LED 的开关。

你可以通过观察 LED 的闪烁情况和串口输出，验证三个任务是否正常并行运行。由于使用了 FreeRTOS 的任务调度机制，即使主控制任务在处理输入时，LED 闪烁和状态监测任务也会继续运行，不会出现阻塞现象。

五、FreeRTOS 在 ESP32 开发中的进阶应用方向

通过这个实例，我们初步了解了 FreeRTOS 在 ESP32 上的应用。实际上，FreeRTOS 的强大功能远不止于此，以下是一些进阶应用方向：

1. 多核任务分配：充分利用 ESP32 的双核特性，将计算密集型任务和 IO 任务分配到不同核心
2. 消息队列应用：使用 FreeRTOS 的消息队列实现任务间大量数据的传递
3. 事件组机制：处理任务间复杂的同步关系
4. 中断与任务交互：实现硬件中断与任务之间的通信
5. 低功耗管理：结合 FreeRTOS 的任务调度实现系统低功耗模式

六、总结与资源推荐

通过本文的学习，我们掌握了以下关键技能：

• ESP32 与 FreeRTOS 的集成方法
• FreeRTOS 任务的创建、调度和管理
• 任务间通信机制（信号量的使用）
• 多核处理器上的任务分配策略