2025最新超详细FreeRTOS入门教程：第十八章 FreeRTOS多核与SMP支持

摘要

传统的 FreeRTOS 主要运行在 单核 MCU（如 STM32 Cortex-M 系列），其内核设计基于单核抢占式调度。
但是随着 多核嵌入式处理器（如 ARM Cortex-A、ESP32 双核、RISC-V 多核 SoC） 的兴起，FreeRTOS 也逐步扩展出了对 SMP（对称多处理） 和 AMP（非对称多处理） 的支持。

本章将详细介绍：

• FreeRTOS 在 AMP 模式 下的使用
• FreeRTOS SMP 内核特性
• 多核调度机制
• 在 ESP32、RISC-V 多核平台上的应用
• 常见问题与优化经验

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一、AMP 与 SMP 简介

1. AMP（Asymmetric Multi-Processing，非对称多核）

• 每个核独立运行自己的 FreeRTOS 内核或裸机程序
• 核间通过 消息机制（Queue、Mailbox、共享内存） 通信
• 适合 任务分工明确 的系统

2. SMP（Symmetric Multi-Processing，对称多核）

• 所有核共享同一个 FreeRTOS 内核和调度器
• 任务可以运行在任意 CPU 上
• 系统负载更均衡，任务迁移灵活

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二、FreeRTOS 在 AMP 模式下

AMP 是传统 FreeRTOS 在多核平台最常见的运行模式：

• CPU0 运行 FreeRTOS（负责任务调度、网络、应用逻辑）
• CPU1 运行裸机任务或另一个 RTOS（如 DSP、专用控制）
• 核间通信通常通过 共享内存 + 中断

示例：核间通信（ICU）

// CPU0 (FreeRTOS任务)
void vTaskCore0(void *pvParameters)
{
    for(;;)
    {
        sendMessageToCore1("Hello Core1!");
        vTaskDelay(1000);
    }
}

// CPU1 (裸机)
void Core1_Handler(void)
{
    char *msg = receiveMessageFromCore0();
    printf("Core1收到消息: %s\n", msg);
}

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三、FreeRTOS SMP 内核

亚马逊官方在 FreeRTOS V10.4 之后引入了 SMP 内核（实验性），目前已在部分平台（如 RISC-V 多核、Linux 仿真环境）得到支持。

特点：

• 共享全局调度器
• 就绪队列为 全局队列
• 任务可以在多个 CPU 上调度
• 支持 负载均衡

调度方式：

• 全局优先级调度：优先运行最高优先级任务
• CPU 亲和性（Affinity）：任务可绑定到特定 CPU

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四、任务在多核系统中的调度

在 SMP 模式下，任务的状态机扩展为：

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五、FreeRTOS SMP API 扩展

1. 设置任务 CPU 亲和性

BaseType_t xTaskCreatePinnedToCore(
    TaskFunction_t pvTaskCode,
    const char * const pcName,
    const uint32_t usStackDepth,
    void *pvParameters,
    UBaseType_t uxPriority,
    TaskHandle_t *pxCreatedTask,
    const BaseType_t xCoreID
);

• xCoreID = 0/1 → 固定到某核
• xCoreID = tskNO_AFFINITY → 任意核

2. 查询当前运行的 CPU

BaseType_t xPortGetCoreID(void);

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六、ESP32 双核 FreeRTOS

ESP32 是 FreeRTOS SMP 的一个典型应用平台：

• CPU0（PRO CPU）
• CPU1（APP CPU）

默认配置：

• 系统任务固定在 CPU0
• 用户任务可选择运行在 CPU0/CPU1 或任意核

示例：

void vTaskBlink(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        printf("运行在核心 %d\n", xPortGetCoreID());
        vTaskDelay(1000);
    }
}

xTaskCreatePinnedToCore(vTaskBlink, "Blink", 2048, NULL, 1, NULL, 1);

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七、RISC-V 多核 FreeRTOS

• RISC-V 平台通常支持 多核共享内存
• FreeRTOS SMP 内核已支持 RISC-V 架构
• 使用 portGET_CORE_ID() 识别当前 CPU

void vTaskCoreAware(void *pvParameters)
{
    int core = portGET_CORE_ID();
    printf("任务运行在RISC-V核心 %d\n", core);
    vTaskDelay(500);
}

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八、多核调试与优化

1. 避免任务竞争同一资源
   • 使用互斥量（Mutex）保护共享外设
2. 合理设置 CPU 亲和性
   • 实时任务绑定到固定 CPU
   • 非关键任务允许在任意核运行
3. 减少核间通信开销
   • 使用轻量级机制（任务通知、共享内存）
4. 调试技巧
   • Tracealyzer / SystemView 支持多核任务追踪
   • 打印当前任务运行的 CPU ID

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九、常见问题与解决方法

问题	可能原因	解决方法
任务总是在同一个核运行	未开启 SMP 或任务亲和性设置固定	使用 tskNO_AFFINITY
多核竞争导致死锁	没有加锁保护共享资源	使用互斥量或信号量
性能未提升	高优先级任务阻塞了调度	优化任务优先级设计
核间通信延迟高	使用复杂队列传输	优化为共享内存 + 信号量

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十、经验总结

📌 开发建议

1. 小型 MCU → 通常采用 AMP 模式，让一个核跑 RTOS，另一个核处理专用任务
2. ESP32/RISC-V → 建议使用 SMP 模式，充分利用双核/多核性能
3. 实时任务建议绑定 CPU，避免任务迁移带来的抖动
4. 调试时必须关注 核间同步，这是多核系统最容易出错的地方

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十一、总结

通过本章学习，你已经掌握：

• FreeRTOS 在 AMP 与 SMP 模式下的应用场景
• SMP 内核的调度机制与任务 CPU 亲和性
• 在 ESP32 与 RISC-V 多核平台上的应用
• 多核系统的调试与优化方法

FreeRTOS 的多核支持让它能够从单核 MCU 扩展到更强大的多核 SoC，是未来物联网与边缘计算的重要方向。

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