FreeRTOS基础入门——FreeRTOS的任务基础知识（四）

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目录

目录：

一、FreeRTOS任务特性：

1.1 简单：

1.2 没有使用限制：

1.3 支持抢占：

1.4 支持优先级：

1.5 每个任务都拥有堆栈导致了RAM使用量增大：

1.6 如果使用抢占的话的必须仔细的考虑重入的问题：

二、FreeRTOS任务状态：

2.1 运行态（Running）：

2.2 就绪态（Ready）：

2.3 阻塞态（Blocked）：

2.4 挂起态（Suspended）：

三、任务优先级

3.1 优先级范围：

3.2 优先级和硬件支持：

3.3 优先级的含义：

3.4 任务调度：

3.5 时间片轮转调度：

3.6 小结：

四、任务实现：

4.1 任务函数的概念

4.2 任务函数的结构

4.3 任务函数详细执行过程

五、任务控制块：

六、任务堆栈

6.1 FreeRTOS任务堆栈管理

6.2 创建任务

1. 动态方法：xTaskCreate()：

2. 静态方法：xTaskCreateStatic()

6.3 堆栈大小

一、FreeRTOS任务特性：

在使用实时操作系统（RTOS）时，可以将实时应用作为一个独立的任务来运行。每个任务都有自己的运行环境，包括堆栈空间、寄存器状态等，这些环境是独立的，不依赖于系统中的其他任务或RTOS调度器。

RTOS的核心功能之一是任务调度，它负责决定在任何给定的时间点上运行哪个任务。由于在任何时刻只能有一个任务在运行，RTOS调度器需要不断地在任务之间进行切换，即开启一个任务并关闭其他任务。这种切换过程称为任务切换（task switching）或上下文切换（context switching）。

在任务切换过程中，RTOS调度器必须确保当前运行的任务的上下文环境（包括寄存器值、程序计数器、堆栈指针等）被正确地保存，以便在任务再次被调度运行时能够恢复到之前的状态。这是通过将当前任务的上下文信息保存到该任务的堆栈中来实现的。当任务被重新调度时，RTOS调度器会从堆栈中恢复这些上下文信息，从而使任务能够从上次中断的地方继续执行。

任务本身不需要了解RTOS调度器的具体行为，它们只需要按照RTOS提供的API进行编程，例如创建任务、挂起任务、恢复任务等。RTOS调度器负责管理任务的执行顺序和时间，确保系统的实时性和任务的正确执行。

1.1 简单：

FreeRTOS设计简洁，容易理解和使用。它提供了一个基本但功能强大的API，用于创建和管理任务、队列、信号量和其他实时操作系统（RTOS）功能。

1.2 没有使用限制：

FreeRTOS是开源的，不存在使用上的限制。开发人员可以自由地在各种项目中使用和修改FreeRTOS代码，适用于商业和非商业用途。

1.3 支持抢占：

FreeRTOS支持基于优先级的抢占式调度。高优先级任务可以打断低优先级任务的执行，确保关键任务能及时运行。

1.4 支持优先级：

FreeRTOS允许为每个任务分配优先级。任务的调度基于其优先级，高优先级任务获得更多的CPU时间。

1.5 每个任务都拥有堆栈导致了RAM使用量增大：

每个任务在创建时分配一个独立的堆栈空间。这确保了任务之间的内存隔离，但也会增加总的RAM消耗，尤其是在任务数量较多的情况下。

1.6 如果使用抢占的话的必须仔细的考虑重入的问题：

在抢占式调度的环境中，任务可能会在任意时刻被打断，这可能会导致重入问题。开发人员需要确保代码是线程安全的，特别是在访问共享资源时，常用的技术包括使用信号量、互斥锁等机制。

这些特性使FreeRTOS成为一个灵活且广泛应用的实时操作系统，适用于从简单的嵌入式系统到复杂的工业和消费类设备。

二、FreeRTOS任务状态：

2.1 运行态（Running）：

任务处于运行态时，表示它当前正在被处理器执行。

在单核处理器系统中，任意时刻只有一个任务可以处于运行态。

2.2 就绪态（Ready）：

任务已经准备好执行，但由于处理器正被其他更高优先级或同优先级的任务占用，因此还没有被执行。

一旦处理器空闲或者当前运行的任务被阻塞或挂起，就绪态的任务有机会进入运行态。

2.3 阻塞态（Blocked）：

任务在等待某些特定事件（如I/O操作完成、信号量、互斥量等）时进入阻塞态。

阻塞态任务在等待的事件发生或者超时时间到达时会转换为就绪态。

2.4 挂起态（Suspended）：

任务在挂起态时不会被调度器调度，类似于阻塞态，但没有超时时间限制。

任务通过调用vTaskSuspend()进入挂起态，通过调用xTaskResume()退出挂起态。

就绪态 → 运行态：如果调度器选择就绪态的任务运行。
运行态 → 阻塞态：任务等待某个事件或资源。
运行态 → 就绪态：任务在时间片用完后被调度器切换出。
阻塞态 → 就绪态：等待的事件发生或超时。
运行态 → 挂起态：任务调用了vTaskSuspend()。
挂起态 → 就绪态：任务调用了xTaskResume()。

三、任务优先级

3.1 优先级范围：

每个任务在FreeRTOS中可以分配一个优先级，范围是从 0 到 configMAX_PRIORITIES - 1。

configMAX_PRIORITIES 是在 FreeRTOSConfig.h 文件中定义的。

3.2 优先级和硬件支持：

在一些硬件平台上，如果支持“计算前导零”指令（如Cortex-M处理器），并且宏 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 设置为 1，那么 configMAX_PRIORITIES 不能超过 32。这是因为这些硬件优化指令只能处理32个优先级以内的任务。

在其他情况下，configMAX_PRIORITIES 可以为任意值。但为了优化RAM的使用，建议设置为应用所需的最小值。

3.3 优先级的含义：

优先级数字越低表示任务的优先级越低。优先级为 0 是最低优先级，configMAX_PRIORITIES - 1 是最高优先级。

系统的空闲任务优先级为 0，这是最低优先级。

3.4 任务调度：

FreeRTOS调度器确保高优先级的任务获取处理器使用权。只有处于就绪态的最高优先级任务会运行。

3.5 时间片轮转调度：

如果宏 configUSE_TIME_SLICING 定义为 1（默认情况下它在 FreeRTOS.h 文件中定义为 1），多个任务可以共享同一个优先级。

在这种情况下，具有相同优先级的就绪态任务会使用时间片轮转调度器进行调度，从而分享处理器时间。

3.6 小结：

1. 优先级设置：优先级从 0 到 configMAX_PRIORITIES - 1，0 最低，configMAX_PRIORITIES - 1 最高。

2. 硬件和优化：在支持硬件优化指令的情况下，优先级不能超过32。

3. 调度机制：FreeRTOS使用优先级调度，高优先级任务优先运行。如果 configUSE_TIME_SLICING 为 1，那么相同优先级的任务会进行时间片轮转调度。

四、任务实现：

在FreeRTOS中，任务是操作系统的基本执行单元，每个任务实际上就是一个独立的执行流。为了创建一个任务，你需要定义一个任务函数，这个函数包含了该任务需要完成的所有工作。

4.1 任务函数的概念

1. 工作单元：任务函数是一个独立的工作单元，它定义了该任务需要完成的具体操作。比如在流水灯的例子中，任务函数将包含点亮和熄灭LED灯的逻辑。

2. 循环执行：任务函数通常包含一个无限循环，这样任务一旦启动就会在这个循环中不断地运行，直到被显式删除或者系统重启。这个循环体内会有任务所需的操作，比如读取传感器数据、处理通信、控制设备等。

3. 调度管理：FreeRTOS的调度器会管理这些任务函数的执行，确保每个任务在适当的时间获得CPU资源执行。任务函数本身不需要担心调度的细节，只需要专注于其核心工作。

4.2 任务函数的结构

1. 初始化部分：在循环开始前，任务函数通常会进行一些初始化操作，比如设置初始状态、配置硬件资源等。

2. 无限循环部分：这是任务函数的主体，包含任务的主要逻辑。每个任务函数通常都会有一个无限循环，在这个循环中执行任务的核心操作。

3. 任务延时：为了避免占用过多的CPU资源，任务函数通常会在每次循环中调用延时函数，使任务进入阻塞状态一段时间，等待下一次执行。这通常是通过FreeRTOS提供的延时函数实现的。

// 任务函数
void vATaskFunction(void *pvParameters)
{for(;;) // 无限循环{// 任务应用程序// 在这里添加你的任务代码vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1秒（1000毫秒）/* 不能从任务函数中返回或者退出，从任务函数中返回或退出的话就会调用configASSERT，前提是你定义了configASSERT。如果一定要从任务函数中退出的话，那一定要调用函数vTaskDelete(NULL)来删除此任务。*/}// 下面的代码通常不会被执行，因为任务函数是一个无限循环。// 如果确实需要退出任务，可以通过调用vTaskDelete(NULL)来删除此任务。vTaskDelete(NULL);
}

4.3 任务函数详细执行过程

1. 任务函数的定义:任务函数是FreeRTOS任务的核心部分，具有以下特点：

返回类型: 一定是void类型，即无返回值。
参数: 只能是void*类型的指针，通常用来传递参数给任务。
任务名: 可以根据实际情况自定义任务函数名。

2. 任务的执行过程:

任务的执行过程通常是一个无限循环。常见的方式是使用for(;;)或while(1)来实现。

3. 任务代码:

循环内的代码就是具体任务需要执行的操作。

这部分代码可以包含各种逻辑操作、数据处理、外设控制等。

4. 任务调度和延时:

FreeRTOS提供了多种方式来实现任务调度，其中最常用的是延时函数，如vTaskDelay。
其他能引发任务切换的API函数也可以使用，比如请求信号量、队列操作等。

5. 任务的删除:

任务函数一般不允许跳出循环。如果必须跳出循环，则需要调用vTaskDelete(NULL)来删除此任务。

删除任务是为了释放资源，防止任务继续执行。

FreeRTOS的任务函数结构是非常严谨而规范的，它为实时操作系统提供了灵活而强大的任务管理功能。

五、任务控制块：

FreeRTOS的每个任务都有一些属性需要存储，这些属性被集合在一个结构体中，这个结构体被称为任务控制块（Task Control Block, TCB）。在创建任务时，通过调用 xTaskCreate() 函数，FreeRTOS 会自动为每个任务分配一个 TCB。

在较老版本的 FreeRTOS 中，这个任务控制块结构体被命名为 tskTCB，而在新版本中重命名为 TCB_t。虽然名称有所更改，但它们在本质上是相同的。这个结构体在文件 tasks.c 中定义。

换句话说，任务控制块（TCB_t）是 FreeRTOS 中用于管理任务的核心数据结构，它包含了任务执行所需的各种信息。在创建任务时，FreeRTOS 会自动初始化并分配这个结构体，以管理任务的生命周期和状态。

typedef struct tskTaskControlBlock
{volatile StackType_t	*pxTopOfStack;	/*< 指向任务堆栈上最后一个放置的项的位置。这必须是TCB结构体的第一个成员。 */#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )xMPU_SETTINGS	xMPUSettings;		/*< MPU设置作为端口层的一部分定义。这必须是TCB结构体的第二个成员。 */#endifListItem_t			xStateListItem;	/*< 任务的状态列表项引用的列表表示该任务的状态（就绪、阻塞、挂起）。 */ListItem_t			xEventListItem;		/*< 用于从事件列表引用任务。 */UBaseType_t			uxPriority;			/*< 任务的优先级。0 是最低优先级。 */StackType_t			*pxStack;			/*< 指向堆栈的起始位置。 */char				pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/*< 创建任务时给出的描述性名称。仅便于调试。 */ /*lint !e971 未限定的char类型仅允许用于字符串和单个字符。 */#if ( portSTACK_GROWTH > 0 )StackType_t		*pxEndOfStack;		/*< 在堆栈从低内存向上增长架构中，指向堆栈的末端。 */#endif#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )UBaseType_t		uxCriticalNesting;	/*< 对于不在端口层维护自身计数的端口，保存临界区嵌套深度。 */#endif#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t		uxTCBNumber;		/*< 存储一个每次创建TCB时递增的数字。它允许调试器确定任务何时被删除然后重新创建。 */UBaseType_t		uxTaskNumber;		/*< 存储一个专门供第三方跟踪代码使用的数字。 */#endif#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )UBaseType_t		uxBasePriority;		/*< 最近分配给任务的优先级 - 用于优先级继承机制。 */UBaseType_t		uxMutexesHeld;#endif#if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )TaskHookFunction_t pxTaskTag;#endif#if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )void *pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];#endif#if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )uint32_t		ulRunTimeCounter;	/*< 存储任务处于运行状态的时间量。 */#endif#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )/* 为该任务分配一个特定的新lib重入结构。注意：新lib支持是应大众需求而包含的，但FreeRTOS维护者自己并不使用。FreeRTOS不负责新lib的操作。用户必须熟悉新lib，并提供系统范围内必要的存根实现。请注意（在撰写时）当前新lib设计实现了一个需要锁定的系统范围malloc()。 */struct	_reent xNewLib_reent;#endif#if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )volatile uint32_t ulNotifiedValue;volatile uint8_t ucNotifyState;#endif/* 参见tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE定义上方的注释。 */#if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )uint8_t	ucStaticallyAllocated; 		/*< 如果任务是静态分配的，则设置为pdTRUE，以确保不会尝试释放内存。 */#endif#if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )uint8_t ucDelayAborted;#endif} tskTCB;/* 旧的tskTCB名称在上方保持不变，然后typedef为新的TCB_t名称，以启用使用较旧的内核感知调试器。 */
typedef tskTCB TCB_t;

可以看出来FreeRTOS的任务控制块中的成员变量相比UCOSⅢ要少很多，而且大多数与
裁剪有关，当不使用某些功能的时候与其相关的变量就不参与编译，任务控制块大小就会进一
步的减小。

六、任务堆栈

6.1 FreeRTOS任务堆栈管理

在FreeRTOS中，每个任务都有自己独立的堆栈空间，用来保存任务的上下文（包括CPU寄存器值等）。当任务被切换（即任务调度）时，当前任务的上下文会被保存在它自己的堆栈中。等到该任务再次运行时，它的上下文会从堆栈中恢复，从而任务可以继续执行之前中断的地方。这种机制是通过任务堆栈来实现的。

6.2 创建任务

FreeRTOS提供了两种创建任务的方法：动态方法和静态方法。

1. 动态方法：xTaskCreate()：

xTaskCreate函数使用动态内存分配来创建任务，包括任务堆栈和任务控制块（TCB）。

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,const char * const pcName,configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,void *pvParameters,UBaseType_t uxPriority,TaskHandle_t *pxCreatedTask
);

pxTaskCode：任务函数。
pcName：任务名称。
usStackDepth：任务堆栈深度（即堆栈大小）。
pvParameters：传递给任务函数的参数。
uxPriority：任务优先级。
pxCreatedTask：任务句柄。

这个函数会自动分配和管理任务堆栈，用户不用自己定义堆栈。

2. 静态方法：xTaskCreateStatic()

xTaskCreateStatic函数使用静态内存来创建任务，这意味着用户需要自己提供任务堆栈和任务控制块（TCB）。

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,const char * const pcName,configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,void *pvParameters,UBaseType_t uxPriority,TaskHandle_t *pxCreatedTask
);

每个参数的含义与xTaskCreate基本相同，不同的是：

puxStackBuffer：指向用户定义的任务堆栈缓冲区。
pxTaskBuffer：指向用户定义的静态任务控制块（TCB）。

6.3 堆栈大小

在FreeRTOS中，任务堆栈的大小是以字节为单位指定的，而堆栈的数据类型 StackType_t 通常被定义为 uint32_t，这意味着每个堆栈单元占用4个字节。因此，当你在创建任务时指定堆栈大小（以 StackType_t 为单位），实际的堆栈大小（以字节为单位）确实是所指定大小的4倍。

例如，如果你使用 xTaskCreate() 或 xTaskCreateStatic() 函数并指定堆栈大小为 100，那么实际的堆栈大小将是 100 * 4 = 400 字节。

任务堆栈用来保存任务现场(CPU寄存器值)，创建任务的时候需要指定任务堆栈，任务堆栈的变量类型为StackType_t，此变量类型如下：

#define portSTACK_TYPE uint32_t
#define portBASE_TYPE longtypedef portSTACK_TYPE StackType_t;
typedef long BaseType_t;
typedef unsigned long UBaseType_t;

#define portSTACK_TYPE uint32_t 定义了一个宏 portSTACK_TYPE，表示 uint32_t 类型。
#define portBASE_TYPE long 定义了一个宏 portBASE_TYPE，表示 long 类型。
typedef portSTACK_TYPE StackType_t; 使用 typedef 将 portSTACK_TYPE 定义为 StackType_t 类型。
typedef long BaseType_t; 使用 typedef 将 long 定义为 BaseType_t 类型。
typedef unsigned long UBaseType_t; 使用 typedef 将 unsigned long 定义为 UBaseType_t 类型。

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