【花雕学编程】Arduino FreeRTOS 之管理多个任务

Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统（RTOS）的概念。为了全面详细地解释这个概念，我们可以从以下几个方面进行阐述：

一、Arduino平台
Arduino是一个开源的硬件和软件平台，旨在简化电子设备的原型设计和开发。它包含了一系列基于易用硬件和软件的微控制器，以及一个用于编写和上传代码的集成开发环境（IDE）。Arduino平台以其简洁的编程接口和丰富的扩展功能，成为了电子爱好者、设计师、工程师和艺术家们的首选工具。

二、FreeRTOS实时操作系统（RTOS）
FreeRTOS是一个开源的、轻量级的实时操作系统内核，专为嵌入式设备设计。它提供了任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、软件定时器等一系列功能，以满足较小系统的需求。FreeRTOS以其源码公开、可移植、可裁减和调度策略灵活的特点，受到了广大嵌入式开发者的青睐。

三、Arduino FreeRTOS
1、定义：Arduino FreeRTOS是指在Arduino平台上运行FreeRTOS实时操作系统的解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，从而提高程序的灵活性和响应性。

2、功能：
多任务处理：使用FreeRTOS，开发者可以在Arduino上同时运行多个任务，每个任务独立执行不同的操作。这有助于将复杂的项目分解为多个并发执行的部分，从而提高开发效率。
实时性要求高的应用：FreeRTOS能够确保任务按照预定的时间约束执行，满足实时性要求。通过设置任务的优先级和时间片轮转调度策略，开发者可以控制任务的执行顺序和频率。
通信与同步：FreeRTOS提供了多种通信和同步机制，如队列、信号量、互斥锁等。这些机制有助于在不同的任务之间进行数据交换和同步操作，实现任务之间的协作。
低功耗应用：FreeRTOS提供了休眠和唤醒机制，有助于优化功耗。开发者可以将某些任务设置为休眠状态，在需要时唤醒它们来执行操作，从而减少功耗。

3、优势：
提高程序的复杂性和功能：通过多任务并行处理，Arduino FreeRTOS允许开发者实现更复杂的软件架构和更高效的代码执行。
增强实时性：FreeRTOS确保了任务的实时响应，这对于需要精确时间控制的应用至关重要。
简化编程：将复杂的逻辑分解为多个任务，使得代码更易于理解和维护。
移植性：FreeRTOS支持多种微控制器平台，使得基于FreeRTOS的项目在不同硬件间的移植变得更加容易。

4、注意事项：
虽然FreeRTOS带来了多任务的优势，但也会增加编程难度和调试工作。因此，在选择是否使用FreeRTOS时，开发者需要权衡利弊。
在使用FreeRTOS时，开发者需要注意任务堆栈大小、优先级设置等参数，以确保系统的稳定性和可靠性。
综上所述，Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统的强大解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，提高程序的复杂性和功能，同时保持代码的可读性和可靠性。

Arduino FreeRTOS 之管理多个任务
一、主要特点
多任务并发执行：
Arduino FreeRTOS 允许多个任务同时运行，这意味着可以在同一时间处理多个操作。例如，可以同时读取传感器数据、控制电机以及处理用户输入。
优先级调度：
任务可以根据其重要性设置不同的优先级，FreeRTOS 会根据优先级动态调度任务。高优先级任务会优先执行，有效保证关键任务的实时性。
任务间通信机制：
FreeRTOS 提供多种任务间通信方法，如消息队列、信号量和事件组等，方便不同任务之间的数据交换和同步。这些机制帮助协调任务执行，避免数据竞争和冲突。
定时器和延时功能：
支持任务的定时执行和延时功能，可以设定任务在特定时间后执行或周期性执行。通过这种方式，可以实现定时任务，如定期读取传感器或更新显示。
资源管理：
FreeRTOS 提供了内存管理机制，支持动态和静态内存分配，帮助开发者有效管理系统资源，避免内存泄漏和溢出。

二、应用场景
嵌入式系统：
在嵌入式设备中，例如智能家居控制器，可以同时管理多个传感器、执行器和网络通信，确保系统高效运行。
物联网（IoT）设备：
在 IoT 应用中，如智能温控器，FreeRTOS 可处理多个传感器的数据采集和网络上传，确保实时性和可靠性。
机器人控制：
在机器人应用中，FreeRTOS 可实现运动控制、传感器数据处理和用户界面更新等多个任务的协同工作，提升机器人的智能化水平。
自动化测试系统：
在自动化测试设备中，可以同时执行多项测试任务，实时监控测试结果并进行数据记录。
数据采集系统：
在需要同时采集多个传感器数据的应用中，如环境监测系统，FreeRTOS 能确保各个传感器数据的及时获取和处理。

三、注意事项
任务优先级设计：
需要合理设计任务的优先级，避免优先级反转等问题。高优先级任务应确保其必要性，避免过多高优先级任务导致系统不稳定。
内存管理：
在资源受限的Arduino平台上，内存管理非常重要。需谨慎选择动态或静态内存分配方式，以避免内存泄漏和溢出。
任务间同步：
对于需要共享资源的任务，必须使用信号量或互斥量等同步机制，确保数据的一致性和安全性，避免竞争条件。
调试与监控：
在开发过程中，需进行充分的调试和监控，以确保系统的稳定性和可靠性。可以通过串口输出任务状态、内存使用情况等信息进行监控。
系统负载管理：
在设计多个任务时，需考虑系统的负载能力，避免过度负载导致的性能下降或系统崩溃。

总结
Arduino FreeRTOS 通过有效管理多个任务，为嵌入式应用提供了强大的支持，能够同时处理多项操作，提高系统的响应能力和稳定性。其多任务并发执行、优先级调度和任务间通信机制，使其在智能家居、物联网、机器人等领域得到广泛应用。在实际开发中，需注意任务优先级设计、内存管理、任务间同步等问题，以确保系统的高效性和可靠性。

1、基本任务管理

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <task.h>

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("任务1正在运行");
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("任务2正在运行");
    vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  xTaskCreate(task1, "Task1", 100, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(task2, "Task2", 100, NULL, 2, NULL);
  vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
  // 主循环保持空，RTOS负责任务调度
}
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2、优先级管理

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <task.h>

void highPriorityTask(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("高优先级任务正在运行");
    vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void lowPriorityTask(void *pvParameters) {
  while (1) {
    Serial.println("低优先级任务正在运行");
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  xTaskCreate(highPriorityTask, "HighPriorityTask", 100, NULL, 3, NULL);
  xTaskCreate(lowPriorityTask, "LowPriorityTask", 100, NULL, 1, NULL);
  vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
  // 主循环保持空，RTOS负责任务调度
}
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3、使用互斥锁

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <task.h>
#include <semphr.h>

SemaphoreHandle_t xMutex;

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    if (xSemaphoreTake(xMutex, (TickType_t)10) == pdTRUE) {
      Serial.println("任务1正在访问共享资源");
      vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
      xSemaphoreGive(xMutex);
    }
    vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    if (xSemaphoreTake(xMutex, (TickType_t)10) == pdTRUE) {
      Serial.println("任务2正在访问共享资源");
      vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
      xSemaphoreGive(xMutex);
    }
    vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  xMutex = xSemaphoreCreateMutex();
  xTaskCreate(task1, "Task1", 100, NULL, 2, NULL);
  xTaskCreate(task2, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);
  vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
  // 主循环保持空，RTOS负责任务调度
}
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要点解读：
1、任务创建和管理：使用 xTaskCreate 创建任务，分配给不同函数，任务之间可以并行执行。
2、优先级管理：通过设置任务优先级（如案例2）来管理任务的调度顺序，高优先级任务将会优先执行。
3、任务延时：使用 vTaskDelay 函数为任务设置延时，以便控制任务执行频率。
4、互斥锁：使用 xSemaphoreCreateMutex 和 xSemaphoreTake 等函数实现互斥锁机制，确保任务在访问共享资源时不会发生冲突（如案例3）。
5、任务调度： vTaskStartScheduler 启动FreeRTOS任务调度器，由RTOS管理任务执行。

4、传感器数据采集与显示

#include <Arduino.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>
#include <Wire.h>

// 定义任务句柄
TaskHandle_t sensorTaskHandle = NULL;
TaskHandle_t displayTaskHandle = NULL;

// 传感器数据缓冲区
int sensorData = 0;

// 传感器任务函数
void sensorTask(void* pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟传感器数据采集
        sensorData = random(0, 100);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 显示任务函数
void displayTask(void* pvParameters) {
    while (1) {
        Serial.println(sensorData);
        vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // 创建传感器任务
    xTaskCreate(sensorTask, "SensorTask", 128, NULL, 1, &sensorTaskHandle);
    // 创建显示任务
    xTaskCreate(displayTask, "DisplayTask", 128, NULL, 2, &displayTaskHandle);
}

void loop() {
    // 无需在 loop 中执行任何操作，因为任务由 FreeRTOS 管理
}
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要点解读：
任务定义：定义了两个任务，一个用于模拟传感器数据采集（sensorTask），另一个用于将采集到的数据显示在串口（displayTask）。每个任务都有自己独立的执行函数。
任务句柄：使用任务句柄来管理任务的创建和删除。在这个例子中，sensorTaskHandle和displayTaskHandle分别用于指向传感器任务和显示任务。
数据共享：通过全局变量sensorData在两个任务之间共享传感器数据。这种方式需要注意数据的同步和互斥问题，以避免数据竞争。
任务创建：在setup函数中，使用xTaskCreate函数创建两个任务，并指定任务的名称、栈大小、参数、优先级和任务句柄。优先级较高的任务会先执行。
主循环空闲：在loop函数中不执行任何操作，因为所有的任务都由 FreeRTOS 进行管理和调度。主循环处于空闲状态，等待任务的执行和系统的事件。

5、多个传感器数据处理与通信

#include <Arduino.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>
#include <Wire.h>

// 定义任务句柄
TaskHandle_t sensor1TaskHandle = NULL;
TaskHandle_t sensor2TaskHandle = NULL;
TaskHandle_t processingTaskHandle = NULL;
TaskHandle_t communicationTaskHandle = NULL;

// 传感器数据缓冲区
int sensor1Data = 0;
int sensor2Data = 0;
int processedData = 0;

// 传感器 1 任务函数
void sensor1Task(void* pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟传感器 1 数据采集
        sensor1Data = random(0, 100);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 传感器 2 任务函数
void sensor2Task(void* pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟传感器 2 数据采集
        sensor2Data = random(0, 200);
        vTaskDelay(800 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 数据处理任务函数
void processingTask(void* pvParameters) {
    while (1) {
        // 模拟数据处理
        processedData = sensor1Data + sensor2Data;
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 通信任务函数
void communicationTask(void* pvParameters) {
    while (1) {
        Serial.println(processedData);
        vTaskDelay(1500 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // 创建传感器 1 任务
    xTaskCreate(sensor1Task, "Sensor1Task", 128, NULL, 1, &sensor1TaskHandle);
    // 创建传感器 2 任务
    xTaskCreate(sensor2Task, "Sensor2Task", 128, NULL, 2, &sensor2TaskHandle);
    // 创建数据处理任务
    xTaskCreate(processingTask, "ProcessingTask", 128, NULL, 3, &processingTaskHandle);
    // 创建通信任务
    xTaskCreate(communicationTask, "CommunicationTask", 128, NULL, 4, &communicationTaskHandle);
}

void loop() {
    // 无需在 loop 中执行任何操作，因为任务由 FreeRTOS 管理
}
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要点解读：
多任务结构：这个案例中有四个任务，分别用于采集两个不同传感器的数据（sensor1Task和sensor2Task）、处理数据（processingTask）和进行通信（communicationTask）。每个任务都有明确的职责。
数据处理流程：传感器任务采集数据后，数据处理任务对两个传感器的数据进行处理，得到处理后的数据。通信任务将处理后的数据发送出去。
任务优先级设置：根据任务的重要性和实时性要求，设置了不同的任务优先级。例如，传感器任务的优先级较低，通信任务的优先级较高，以确保数据能够及时发送出去。
任务延迟：每个任务都使用vTaskDelay函数来引入一定的延迟，以避免任务过度占用处理器资源。延迟时间根据任务的执行频率和需求进行调整。
任务管理：通过任务句柄和xTaskCreate函数进行任务的创建和管理。在setup函数中创建任务后，FreeRTOS 会自动调度任务的执行，无需在主循环中进行干预。

6、控制多个执行器

#include <Arduino.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>

// 定义任务句柄
TaskHandle_t actuator1TaskHandle = NULL;
TaskHandle_t actuator2TaskHandle = NULL;
TaskHandle_t actuator3TaskHandle = NULL;

// 执行器状态变量
bool actuator1State = false;
bool actuator2State = false;
bool actuator3State = false;

// 执行器 1 任务函数
void actuator1Task(void* pvParameters) {
    while (1) {
        actuator1State =!actuator1State;
        digitalWrite(10, actuator1State? HIGH : LOW);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 执行器 2 任务函数
void actuator2Task(void* pvParameters) {
    while (1) {
        actuator2State =!actuator2State;
        digitalWrite(11, actuator2State? HIGH : LOW);
        vTaskDelay(1500 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

// 执行器 3 任务函数
void actuator3Task(void* pvParameters) {
    while (1) {
        actuator3State =!actuator3State;
        digitalWrite(12, actuator3State? HIGH : LOW);
        vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

void setup() {
    pinMode(10, OUTPUT);
    pinMode(11, OUTPUT);
    pinMode(12, OUTPUT);
    // 创建执行器 1 任务
    xTaskCreate(actuator1Task, "Actuator1Task", 128, NULL, 1, &actuator1TaskHandle);
    // 创建执行器 2 任务
    xTaskCreate(actuator2Task, "Actuator2Task", 128, NULL, 2, &actuator2TaskHandle);
    // 创建执行器 3 任务
    xTaskCreate(actuator3Task, "Actuator3Task", 128, NULL, 3, &actuator3TaskHandle);
}

void loop() {
    // 无需在 loop 中执行任何操作，因为任务由 FreeRTOS 管理
}
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要点解读：
多个执行器控制：这个案例展示了如何使用 FreeRTOS 管理多个执行器的任务。有三个执行器任务（actuator1Task、actuator2Task和actuator3Task），分别控制不同的数字输出引脚，实现执行器的状态切换。
任务独立性：每个执行器任务独立运行，互不干扰。它们通过切换执行器的状态变量和控制数字输出引脚来实现执行器的动作。
任务延迟：每个任务都使用不同的延迟时间，以控制执行器的动作频率。这样可以实现不同执行器之间的异步操作。
硬件设置：在setup函数中，设置数字输出引脚为输出模式，以便控制执行器。然后创建三个执行器任务，并将任务句柄分配给相应的变量。
任务管理方式：与前两个案例一样，通过任务句柄和xTaskCreate函数进行任务的创建和管理。主循环中不执行任何操作，由 FreeRTOS 负责任务的调度和执行。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。