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# FreeRTOS多任务管理
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> [!TIP] 🚀 **FreeRTOS 多任务管理 | 实现任务并行处理**
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> - 💡 **碎碎念**😎：本节将介绍如何在 FreeRTOS 中实现多任务管理，帮助你更高效地进行任务调度和并行处理。
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> - 📺 **视频教程**：🚧 *开发中*
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> - 💾 **示例代码**：[ESP32-Guide/code/03.freertos_basic/task](https://github.com/DuRuofu/ESP32-Guide/tree/main/code/03.freertos_basic/task)
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注意：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。
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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。
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## 一、FreeRTOS创建任务
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### 1.1 API说明：
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创建任务涉及三个API：
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| 函数名 | 功能 | 动态/静态 | 备注 |
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| ----------------------------- | -------------- | ----- | --- |
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| `xTaskCreate` | 动态创建任务 | 动态 | |
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| `xTaskCreateStatic` | 静态创建任务 | 静态 | |
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| `xTaskCreateRestrictedStatic` | 静态创建受限任务（权限控制） | 静态 | 很少用 |
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下面是对各个API的详细解释：
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#### 1. xTaskCreate : 动态创建一个任务
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当需要在运行时动态分配内存来创建任务时使用，也就是一般的正常情况。
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原型：
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```c
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static inline BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,
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const char *const pcName,
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const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
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void *const pvParameters,
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UBaseType_t uxPriority,
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TaskHandle_t *const pxCreatedTask)
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```
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创建一个新任务并将其添加到准备运行的任务列表中。在 FreeRTOS 实现中，任务使用两块内存。第一个块用于保存任务的数据结构。任务使用第二个块作为其堆栈。如果使用 xTaskCreate () 创建任务，那么这两个内存块将在 xTaskCreate () 函数中自动分配。
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参数：
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- `pxTaskCode`：指向任务入口函数的指针，任务必须设计为永不返回（即以无限循环形式实现）。
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- `pcName`：任务的描述性名称，主要用于调试方便，最大长度由 `configMAX_TASK_NAME_LEN` 定义（默认 16）。
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- `usStackDepth`：任务栈大小（以字节为单位）。注意，这与原生 FreeRTOS 的默认单位不同。
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- `pvParameters`：传递给任务函数的参数指针（类型为void指针）。
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- `uxPriority`：任务的优先级（数字越大优先级越高,最低为1）。支持 MPU 的系统中，通过设置 `portPRIVILEGE_BIT` 位可创建特权任务（例如 `(2 | portPRIVILEGE_BIT)` 表示优先级为 2 的特权任务）。
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- `pxCreatedTask`：用于存储任务句柄（可选），通过句柄可以引用创建的任务。
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返回值:
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- `pdPASS`：任务创建成功。
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- `errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY`：任务创建失败（内存不足）
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#### 2. xTaskCreateStatic：静态创建一个任务
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手动提供任务栈和任务控制块（TCB），避免动态内存分配。
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**原型：**
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``` c
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TaskHandle_t xTaskCreateStatic(
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TaskFunction_t pvTaskCode,
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const char * const pcName,
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const uint32_t ulStackDepth,
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void * const pvParameters,
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||
UBaseType_t uxPriority,
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||
StackType_t * const puxStackBuffer,
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||
StaticTask_t * const pxTaskBuffer
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);
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```
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**参数：**
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- `pvTaskCode`：任务函数的入口地址。
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- `pcName`：任务名称（用于调试）。
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- `usStackDepth`：任务栈大小（以字为单位）。
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- `pvParameters`：传递给任务函数的参数。
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||
- `uxPriority`：任务的优先级。
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- `puxStackBuffer`：指向任务栈缓冲区的指针（由用户提供）。
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||
- `pxTaskBuffer`：指向任务控制块的缓冲区（由用户提供）。
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**返回值:**
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- `pdPASS`：任务创建成功。
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- `errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY`：任务创建失败（内存不足）
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#### 3. xTaskCreateRestrictedStatic：为受限任务（restricted task）创建任务
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用于创建特定权限的任务，一般用于内存保护单元（MPU）配置中，限制任务的访问权限。
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原型：
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``` c
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TaskHandle_t xTaskCreateRestrictedStatic(
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const TaskParameters_t * const pxTaskDefinition,
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||
StackType_t * const puxStackBuffer,
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||
StaticTask_t * const pxTaskBuffer
|
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);
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```
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参数说明：
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- `pxTaskDefinition`：任务参数定义结构（包含任务入口、名称、栈大小、优先级等）。
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- `puxStackBuffer`：栈的静态缓冲区。
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- `pxTaskBuffer`：任务控制块的静态缓冲区。
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返回值：任务句柄。
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### 1.2 创建任务示例代码：
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``` c
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#include <stdio.h>
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#include "esp_log.h"
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#include "freertos/FreeRTOS.h"
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||
#include "freertos/task.h"
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static const char *TAG = "main";
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// 任务函数
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void myTask(void *pvParameters)
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{
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for (;;)
|
||
{
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vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "myTask");
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}
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}
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void app_main(void)
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{
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// 创建一个 FreeRTOS 任务
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// 参数说明：
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// 1. 任务入口函数：myTask
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// 2. 任务名称："myTask"，用于调试时标识任务
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// 3. 任务堆栈大小：2048 字节（适当分配以避免栈溢出）
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// 4. 任务参数：NULL（未传递参数）
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// 5. 任务优先级：1（优先级较低，空闲任务优先级为 0）
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||
// 6. 任务句柄：NULL（不需要保存任务句柄）
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xTaskCreate(myTask, "myTask", 2048, NULL, 1, NULL);
|
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}
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```
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## 二、[FreeRTOS删除任务](https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/Documentation/02-Kernel/04-API-references/01-Task-creation/00-TaskHandle)
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### 2.1 API说明：
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删除任务涉及一个API：
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| 函数名 | 功能 | 动态/静态 | 备注 |
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| ------------- | ---- | ----- | ---------------- |
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| `vTaskDelete` | 删除任务 | 动态/静态 | 可以删除别的任务，也可以自我删除 |
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下面是对各个API的详细解释：
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#### 1. vTaskDelete：删除一个任务
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当任务完成其功能后，需要释放资源，或当系统需要动态调整任务时使用
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注意：调用后，任务进入删除 状态，但动态分配的内存需要由 FreeRTOS 自动释放。
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**原型：**
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```c
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void vTaskDelete( TaskHandle_t xTask );
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```
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**参数说明：**
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- xTask：要删除的任务句柄。如果传递 NULL，则删除当前任务。
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### 2.2 示例代码：
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#### 1. 删除别人
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```c
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#include <stdio.h>
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#include "esp_log.h"
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#include "freertos/FreeRTOS.h"
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||
#include "freertos/task.h"
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static const char *TAG = "main";
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||
// 任务函数
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void myTask(void *pvParameters)
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||
{
|
||
for (;;)
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||
{
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vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "myTask");
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}
|
||
}
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||
|
||
void app_main(void)
|
||
{
|
||
// 任务句柄
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||
TaskHandle_t taskHandle = NULL;
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||
// 创建一个 FreeRTOS 任务
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||
xTaskCreate(myTask, "myTask", 2048, NULL, 1, &taskHandle);
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||
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||
vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
|
||
// 删除任务
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if (taskHandle != NULL)
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||
{
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||
vTaskDelete(taskHandle);
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||
}
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||
}
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```
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#### 2. 自我删除
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```c
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#include <stdio.h>
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||
#include "esp_log.h"
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||
#include "freertos/FreeRTOS.h"
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||
#include "freertos/task.h"
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||
static const char *TAG = "main";
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||
|
||
// 任务函数
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void myTask(void *pvParameters)
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||
{
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vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "myTask:1");
|
||
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "myTask:2");
|
||
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "myTask:3");
|
||
|
||
// 删除任务(如果传递 NULL，则删除当前任务)
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||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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||
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||
void app_main(void)
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||
{
|
||
// 任务句柄
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||
TaskHandle_t taskHandle = NULL;
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||
// 创建一个 FreeRTOS 任务
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||
xTaskCreate(myTask, "myTask", 2048, NULL, 1, &taskHandle);
|
||
}
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||
```
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## 三、任务创建时传递参数
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### 2.1 说明：
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在 FreeRTOS 中，任务函数的参数通过创建任务时的 pvParameters 指针传递。pvParameters 是一个 void * 类型的指针，可以传递任意类型的数据（整型、数组、结构体或字符串等）。任务接收到参数后，需要将其强制类型转换为对应的数据类型，以便正确使用。
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### 2.3.2 示例：
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示例为传递四种参数，分别是整型参数，数组参数，结构体参数，字符串参数
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```c
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#include <stdio.h>
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||
#include "esp_log.h"
|
||
#include "freertos/FreeRTOS.h"
|
||
#include "freertos/task.h"
|
||
|
||
static const char *TAG = "main";
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||
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||
typedef struct
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{
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int Int;
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int Array[3];
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} MyStruct;
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// 任务函数1:接收整型参数
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void Task_1(void *pvParameters)
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||
{
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||
int *pInt = (int *)pvParameters;
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||
ESP_LOGI(TAG, "取得整型参数为：%d", *pInt);
|
||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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||
|
||
// 任务函数2:接收数组参数
|
||
void Task_2(void *pvParameters)
|
||
{
|
||
int *pArray = (int *)pvParameters;
|
||
ESP_LOGI(TAG, "取得数组参数为：%d %d %d", *pArray, *(pArray + 1), *(pArray + 2));
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||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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||
|
||
// 任务函数3:接收结构体参数
|
||
void Task_3(void *pvParameters)
|
||
{
|
||
MyStruct *pStruct = (MyStruct *)pvParameters;
|
||
ESP_LOGI(TAG, "取得结构体参数为：%d %d %d %d", pStruct->Int, pStruct->Array[0], pStruct->Array[1], pStruct->Array[2]);
|
||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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||
|
||
// 任务函数4:接收字符串参数
|
||
void Task_4(void *pvParameters)
|
||
{
|
||
char *pChar = (char *)pvParameters;
|
||
ESP_LOGI(TAG, "取得字符串参数为：%s", pChar);
|
||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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||
|
||
int Parameters_1 = 1;
|
||
int Parameters_2[3] = {1, 2, 3};
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||
MyStruct Parameters_3 = {1, {1, 2, 3}};
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static const char *Parameters_4 = "Hello World!";
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|
||
void app_main(void)
|
||
{
|
||
// 传递整形参数
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||
xTaskCreate(Task_1, "Task_1", 2048, (void *)&Parameters_1, 1, NULL);
|
||
|
||
// 传递数组参数
|
||
xTaskCreate(Task_2, "Task_2", 2048, (void *)&Parameters_2, 1, NULL);
|
||
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||
// 传递结构体参数
|
||
xTaskCreate(Task_3, "Task_3", 3048, (void *)&Parameters_3, 1, NULL);
|
||
|
||
// 传递字符串参数(注意这里没有取地址符号&)
|
||
xTaskCreate(Task_4, "Task_4", 3048, (void *)Parameters_4, 1, NULL);
|
||
}
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||
```
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||
## 四、FreeRTOS任务优先级
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FreeRTOS 中每个任务都有一个优先级，优先级决定了任务的执行顺序。优先级数值较大的任务具有更高的优先级，会在低优先级任务之前被调度执行。当多个任务具有相同优先级时，调度器会使用时间片轮转机制在这些任务之间分配 CPU 时间。
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||
|
||
关于任务优先级可参考文档：[任务优先级](https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/Documentation/02-Kernel/02-Kernel-features/01-Tasks-and-co-routines/03-Task-priorities)，文档中提到：
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>每个任务均被分配了从 0 到 ( configMAX_PRIORITIES - 1 ) 的优先级，其中 configMAX_PRIORITIES 定义为 FreeRTOSConfig.h。
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在ESP-IDF中configMAX_PRIORITIES的值为25，所以任务优先级为0-24.
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||
如果我们创建任务时设定优先级为25
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```c
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||
xTaskCreate(Task_1, "Task_1", 2048, NULL, 25, &taskHandle);
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||
```
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IDF会产生报错如下：
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### 4.1 API说明：
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任务优先级涉及以下两个API：
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| 函数名 | 功能 | 备注 |
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| ------------------- | ---------- | ---------- |
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| `uxTaskPriorityGet` | 获取任务的当前优先级 | 返回任务的优先级 |
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||
| `vTaskPrioritySet` | 设置任务的优先级 | 设置指定任务的优先级 |
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||
#### 1. uxTaskPriorityGet：获取任务的优先级
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||
该函数用于获取指定任务的当前优先级。如果任务句柄为 `NULL`，则返回当前任务的优先级。
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**原型：**
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```c
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||
UBaseType_t uxTaskPriorityGet( TaskHandle_t xTask );
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||
```
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||
**参数说明：**
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||
- xTask：任务句柄。如果为 NULL，则返回当前任务的优先级。
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||
|
||
**返回值**：任务的优先级。
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||
#### 2. vTaskPrioritySet：设置任务的优先级
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||
|
||
该函数用于设置指定任务的优先级。如果任务句柄为 NULL，则设置当前任务的优先级.
|
||
|
||
**原型：**
|
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||
```c
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||
void vTaskPrioritySet( TaskHandle_t xTask, UBaseType_t uxPriority );
|
||
```
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||
|
||
**参数说明：**
|
||
|
||
- xTask：任务句柄。如果为 NULL，则设置当前任务的优先级。
|
||
- uxPriority：要设置的优先级值。
|
||
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||
### 4.2 示例代码
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```c
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void app_main(void)
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||
{
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||
UBaseType_t taskPriority_1 = 0;
|
||
UBaseType_t taskPriority_2 = 0;
|
||
TaskHandle_t taskHandle_1 = NULL;
|
||
TaskHandle_t taskHandle_2 = NULL;
|
||
|
||
xTaskCreate(Task_1, "Task_1", 2048, NULL, 12, &taskHandle_1);
|
||
taskPriority_1 = uxTaskPriorityGet(taskHandle_1);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "Task_1 优先级：%d", taskPriority_1);
|
||
|
||
xTaskCreate(Task_2, "Task_1", 2048, NULL, 12, &taskHandle_2);
|
||
taskPriority_2 = uxTaskPriorityGet(taskHandle_2);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "Task_1 优先级：%d", taskPriority_2);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
## 五、FreeRTOS任务挂起
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||
FreeRTOS 任务挂起是指暂停任务的执行，直到通过显式恢复操作再次启动任务。挂起操作不会影响任务所占用的资源，仅是暂停任务调度。
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||
任务可以存在于以下状态中：
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||
- **运行**
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||
当任务实际执行时，它被称为处于运行状态。任务当前正在使用处理器。 如果运行 RTOS 的处理器只有一个内核， 那么在任何给定时间内都只能有一个任务处于运行状态。
|
||
- **准备就绪**
|
||
准备就绪任务指那些能够执行（它们不处于阻塞或挂起状态）， 但目前没有执行的任务， 因为同等或更高优先级的不同任务已经处于运行状态。
|
||
- **阻塞**
|
||
如果任务当前正在等待时间或外部事件，则该任务被认为处于阻塞状态。 例如，如果一个任务调用vTaskDelay()，它将被阻塞（被置于阻塞状态）， 直到延迟结束——一个时间事件。 任务也可以通过阻塞来等待队列、信号量、事件组、通知或信号量 事件。处于阻塞状态的任务通常有一个"超时"期， 超时后任务将被超时，并被解除阻塞， 即使该任务所等待的事件没有发生。“阻塞”状态下的任务不使用任何处理时间，不能 被选择进入运行状态。
|
||
- **挂起**
|
||
与“阻塞”状态下的任务一样， “挂起”状态下的任务不能 被选择进入运行状态，但处于挂起状态的任务 没有超时。相反，任务只有在分别通过 vTaskSuspend() 和 xTaskResume() API 调用明确命令时 才会进入或退出挂起状态。
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||
### 5.1 API说明：
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||
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||
任务挂起涉及以下两个API：
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||
|
||
| 函数名 | 功能 | 备注 |
|
||
| -------------- | ---- | --------- |
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| `vTaskSuspend` | 挂起任务 | 将指定任务挂起 |
|
||
| `xTaskResume` | 恢复任务 | 恢复指定任务的执行 |
|
||
|
||
#### 1. vTaskSuspend：挂起任务
|
||
|
||
`vTaskSuspend()` 用于挂起指定任务，任务被挂起后无法再执行，直到通过 `xTaskResume()` 恢复任务。
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|
||
**原型：**
|
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```c
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||
void vTaskSuspend(TaskHandle_t xTask);
|
||
```
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||
|
||
**参数说明：**
|
||
|
||
- xTask：要挂起的任务句柄。如果传递 NULL，则挂起当前任务。
|
||
|
||
#### 2. xTaskResume：恢复任务
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||
|
||
用于恢复一个挂起的任务。恢复任务后，任务重新进入准备就绪状态，等待调度器调度。
|
||
|
||
**原型：**
|
||
|
||
```c
|
||
BaseType_t xTaskResume(TaskHandle_t xTask);
|
||
```
|
||
|
||
**参数说明：**
|
||
- xTask：要恢复的任务句柄。如果传递 NULL，则恢复当前任务。
|
||
|
||
### 2.5.2 示例代码：
|
||
|
||
```c
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||
#include <stdio.h>
|
||
#include "freertos/FreeRTOS.h"
|
||
#include "freertos/task.h"
|
||
#include "esp_log.h"
|
||
|
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static const char *TAG = "main";
|
||
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||
TaskHandle_t taskHandle_1 = NULL;
|
||
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||
// 任务1：定时打印日志
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||
void Task_1(void *pvParameters)
|
||
{
|
||
while (1)
|
||
{
|
||
ESP_LOGI(TAG, "任务1正在运行...");
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1秒
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 任务2：控制任务1的挂起与恢复
|
||
void Task_2(void *pvParameters)
|
||
{
|
||
while (1)
|
||
{
|
||
ESP_LOGI(TAG, "挂起任务1...");
|
||
vTaskSuspend(taskHandle_1); // 挂起任务1
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000)); // 延迟5秒
|
||
|
||
ESP_LOGI(TAG, "恢复任务1...");
|
||
vTaskResume(taskHandle_1); // 恢复任务1
|
||
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000)); // 再延迟5秒
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
void app_main(void)
|
||
{
|
||
// 创建任务1
|
||
xTaskCreate(Task_1, "Task_1", 2048, NULL, 5, &taskHandle_1);
|
||
// 创建任务2
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xTaskCreate(Task_2, "Task_2", 2048, NULL, 5, NULL);
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}
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```
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## 六、 系统任务信息显示
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FreeRTOS 提供了多种方法来显示和分析任务信息，帮助开发者了解系统运行状况、优化性能以及定位问题。
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系统任务信息显示主要有以下两个API：
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| 函数名 | 功能 | 备注 |
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| ----------------------------- | ----------- | --------- |
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| `vTaskList` | 输出任务列表 | 需开启配置才能使用 |
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| `uxTaskGetStackHighWaterMark` | 获取任务最小剩余栈空间 | 需开启配置才能使用 |
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### 6.1 API介绍
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#### 2. vTaskList: 输出任务列表
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可通过 `vTaskList()` 来协助分析操作系统当前 task 状态，以帮助优化内存，帮助定位栈溢出问题，帮助理解和学习操作系统原理相关知识。
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**原型：**
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```c
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void vTaskList( char *pcWriteBuffer );
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```
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**注意：**`configUSE_TRACE_FACILITY`和`configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS`必须在 FreeRTOSConfig.h 中定义为 1，才可使用此函数。
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对于ESP32来说。使用 vTaskList() 前需使能:
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menuconfig -> Component config -> FreeRTOS -> Kernel->`configUSE_TRACE_FACILITY`
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menuconfig -> Component config -> FreeRTOS -> Kernel->`configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS`
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如下图：
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#### 2. uxTaskGetStackHighWaterMark:获取任务最小剩余栈空间
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用于获取任务在运行期间的最小剩余栈空间（即栈的高水位标记）。此函数可帮助检测任务是否存在栈溢出的风险。
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**原型**：
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```c
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UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );
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```
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**参数：**
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- xTask：任务句柄。如果传递 NULL，则返回当前任务的栈高水位标记。
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**返回值：** 剩余栈空间的字数（单位为字）,(但是在ESP-IDF里为字节)
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### 示例：
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```c
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#include <stdio.h>
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#include "esp_log.h"
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#include "freertos/FreeRTOS.h"
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#include "freertos/task.h"
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static const char *TAG = "main";
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void Task_1(void *pvParameters)
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{
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for (;;)
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{
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vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
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ESP_LOGI(TAG, "Task_1");
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}
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vTaskDelete(NULL);
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||
}
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void Task_2(void *pvParameters)
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||
{
|
||
for (;;)
|
||
{
|
||
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
|
||
ESP_LOGI(TAG, "Task_2");
|
||
}
|
||
vTaskDelete(NULL);
|
||
}
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void app_main(void)
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{
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TaskHandle_t taskHandle_1 = NULL;
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TaskHandle_t taskHandle_2 = NULL;
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xTaskCreate(Task_1, "Task_1", 2048, NULL, 12, &taskHandle_1);
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xTaskCreate(Task_2, "Task_1", 2048, NULL, 12, &taskHandle_2);
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// 输出任务列表
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static char cBuffer[512]={0};
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vTaskList(cBuffer);
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ESP_LOGI(TAG, "任务列表：\n%s", cBuffer);
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while (1)
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{
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int istack = uxTaskGetStackHighWaterMark(taskHandle_1);
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ESP_LOGI(TAG, "Task_1 剩余栈空间：%d", istack);
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||
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
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||
}
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}
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```
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效果：
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# 参考链接
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1. https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s
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2. https://www.bilibili.com/video/BV1fs4y1G7eu/?spm_id_from=333.999.top_right_bar_window_history.content.click&vd_source=ef5a0ab0106372751602034cdd9ab98e
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