第 8 章：FreeRTOS 多任务架构

8.1 知识要点

• FreeRTOS 任务创建、优先级与栈大小配置
• ESP32-S3 双核绑定（xTaskCreatePinnedToCore）
• 任务间通信：Queue（队列）和 Mutex（互斥锁）
• 实时任务与通信任务的核心分离架构

8.2 课程内容

ESP32-S3 搭载双核 Xtensa LX7 处理器（Core 0 和 Core 1），FreeRTOS 支持对称多处理（SMP）。合理的任务架构是机器人控制系统实时性的基础：将传感器采样和控制计算绑定到 Core 1（实时核），将通信和日志绑定到 Core 0（通信核），避免相互干扰。

8.3 基础学习

任务优先级规划

FreeRTOS 优先级数值越大越高，configMAX_PRIORITIES 默认为 25。OSRCORE 的三任务架构：

任务	核心	优先级	周期	职责
task_sensor	Core 1	5	100 ms	传感器采样
task_control	Core 1	4	20 ms	控制计算
task_comm	Core 0	3	1000 ms	状态上报

Queue 与 Mutex

• Queue：用于任务间传递数据（生产者-消费者模式）。xQueueOverwrite() 适合只需要最新值的场景（如传感器数据）。
• Mutex：用于保护共享数据结构，防止并发访问导致数据撕裂。

双核绑定

// 绑定到 Core 1（实时任务）
xTaskCreatePinnedToCore(task_sensor, "sensor", 4096, NULL, 5, NULL, 1);
// 绑定到 Core 0（通信任务）
xTaskCreatePinnedToCore(task_comm, "comm", 4096, NULL, 3, NULL, 0);

不绑定核心时使用 xTaskCreate()，FreeRTOS 自动调度。

8.4 程序学习

共享状态与同步原语：

typedef struct {
    float sensor_val;
    float control_out;
    uint32_t tick;
} shared_state_t;

static shared_state_t g_state;
static SemaphoreHandle_t g_mutex;
static QueueHandle_t g_sensor_q;  // 深度为 1 的队列

// 初始化
g_mutex    = xSemaphoreCreateMutex();
g_sensor_q = xQueueCreate(1, sizeof(sensor_msg_t));

传感器任务（写队列 + 更新共享状态）：

static void task_sensor(void *arg)
{
    sensor_msg_t msg;
    while (1) {
        msg.value        = read_sensor();
        msg.timestamp_us = esp_timer_get_time();
        xQueueOverwrite(g_sensor_q, &msg);  // 覆盖旧值

        xSemaphoreTake(g_mutex, portMAX_DELAY);
        g_state.sensor_val = msg.value;
        g_state.tick++;
        xSemaphoreGive(g_mutex);

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

控制任务（读队列，执行 PI 控制）：

static void task_control(void *arg)
{
    sensor_msg_t msg;
    float integral = 0.0f;
    const float kp = 2.0f, ki = 0.1f, target = 1.25f;

    while (1) {
        if (xQueuePeek(g_sensor_q, &msg, 0) == pdTRUE) {
            float err = target - msg.value;
            integral += err * 0.02f;
            float out = kp * err + ki * integral;

            xSemaphoreTake(g_mutex, portMAX_DELAY);
            g_state.control_out = out;
            xSemaphoreGive(g_mutex);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20));
    }
}

8.5 课程总结

本章建立了 OSRCORE 的三任务双核架构，掌握了 Queue 和 Mutex 的使用模式。这一架构是后续 PID 闭环控制和完整示例的基础框架，实时任务与通信任务的核心分离保证了控制周期的确定性。

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