FreeRTOS笔记（四）初识任务
文章目录
- 01 - 单任务与多任务
- 1.1 - 单任务系统
- 1.2 - 多任务系统
- 02 - 创建和删除任务
- 2.1 - FreeRTOS_API
- 2.2 - 任务函数
- 2.3 - 创建任务
- 2.4 - 删除任务
- 03 - 堆栈空间
- 04 - 任务优先级
- 05 - 任务的基础测试
- 5.1 - 创建和删除测试
- 5.2 - 堆栈大小测试
- 5.3 - 任务的优先级测试
- 06 - 总结
上一文链接：FreeRTOS笔记（三）配置文件FreeRTOSConfig.h
01 - 单任务与多任务
1.1 - 单任务系统
单片机裸机编程的时候，都会用一个while(1)去包裹所有应用程序，换言之，裸机编程中的应用程序就运行在一个死循环while(1)中，而且各个应用程序比如串口、LED、显示屏等都是排队轮流执行的（中断除外），只要前面的程序没有完成，后面的程序就必须等待。
这种裸机编程非常容易实现，对于顺序执行的逻辑可以控制得很好，但是当外部资源庞大，程序逻辑复杂，需要突然程序跳转的设置，某些应用程序会在某个不可预测的时间上需要实时性执行，此时裸机编程就无能为力了，裸机编程的系统一般称为单任务系统，显然现在需要多任务系统。
1.2 - 多任务系统
多任务系统假若在单核版上运行（嵌入式中往往是单核），那么意味着每个时刻只有一个任务在进行，下一个时刻到底选择哪个任务去执行？需要一个掌控全局任务执行时间安排的角色：调度器。调度器的基本功能是使得任务可以切出和切入，在某个任务需要马上执行的时候立刻打断当前正在执行的任务，这样就使得系统具有实时性。调度器的存在也使得任务具有多种特性，比如优先级、堆栈空间等等。
02 - 创建和删除任务
2.1 - FreeRTOS_API
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| xTaskCreate() | 堆栈由FreeRTOS动态分配 |
| xTaskCreateStatic() | 堆栈由用户指定分配 |
| xTaskCreateRestricted() | 堆栈由FreeRTOS动态分配，使用MPU(内存保护单元)进行限制 |
| xTaskDelete() | 删除任务 |
根据FreeRTOS提供的API，能够知道任务具有的基本特性，这些特性需要在创建的时候确定。
2.2 - 任务函数
首先了解怎样创建和删除一个任务，上述提到，任务应该具有一个死循环函数，除了函数，任务还有优先级、堆栈空间等特性，而这个函数称为任务函数，它告诉任务需要执行的内容，任务函数既然是死循环，就不需要返回值，于是返回值就是void，那么参数呢？FreeRTOS规定任务函数的参数是一个指针，基类型是void（void*指针可以指向任一个类型的指针，理解为包罗万象的盒子，任何东西都能放进去），任务函数的原型如下：
void ATaskFunction( void *pvParameters );
2.3 - 创建任务
这个任务函数需要绑定在任务中才能被执行，而任务需要创建，FreeRTOS提供任务相关的API，创建任务的API有3种，常用的是xTaskCreate()，不同的API用途在上表查看，xTaskCreate()的原型及需要的头文件如下：
#include “FreeRTOS.h”
#include “task.h”
aseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode, //任务函数
const char * const pcName, //任务名称
unsigned short usStackDepth, //堆栈大小
void *pvParameters, //任务函数的参数
UBaseType_t uxPriority, //任务优先级
TaskHandle_t *pxCreatedTask ); //任务句柄
参数和返回值可以在官方手册中查看，目前暂时理解部分。值得注意的是，任务的创建可以在调度器启动前，也可以是调度器启动后。
2.4 - 删除任务
任务函数运行在死循环之内，不能以任何方式返回，如果任务函数实在不需要继续执行，那么可以使用vTaskDelete()API函数主动或者被动删除任务。任务删除后就不再运行，变成了“僵尸”，等待着内核收尸。vTaskDelete()的原型及需要的头文件如下：
#include “FreeRTOS.h”
#include “task.h”
void vTaskDelete( TaskHandle_t pxTask ); //任务句柄
03 - 堆栈空间
FreeRTOS多任务系统需要调度器进行任务的切换，而被切出的任务下一次可以被完整地继续运行的原因在于，每个任务都有自己的堆栈，调度器进行任务切换的时候保护切出任务当前的堆栈现场，当下一次切入的时候再恢复现场，这样任务中的数据就不会被破坏。
unsigned short usStackDepth指定，单位是字，不是字节。
04 - 任务优先级
调度器选择任务执行的依据是任务的优先级，FreeRTOS的任务优先级是0~(configMAX_PRIORITIES-1)，configMAX_PRIORITIES在FreeRTOSConfig.h（可以看上一文）中定义，0是最低优先级，数值越大优先级越高。
调度器选择任务需要有一个调度算法，调度器总是选择优先级最高的任务去执行，如果任务队伍中的优先级一样，就采用时间片的方法法轮流执行，每个任务执行一段时间，随后切换同级的其它任务。
05 - 任务的基础测试
接下来进行任务的一些基础测试，先测试一些任务的基础特性，真实感受FreeRTOS的任务执行，比如创建删除、堆栈大小和优先级，配合官方的一些API进行使用，任务的创建仅仅测试xTaskCreate()函数。
5.1 - 创建和删除测试
- 1、创建1个任务，串口间隔输出running，同时输出当前的任务数
#define START_TASK_PRIO 1 //优先级
#define STATR_STACK_SIZE 128 //堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler; //任务句柄
//任务函数
void start_task(void *pParam)
{
for(;;)
{
printf("task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
vTaskDelay(1000);
}
}
void main(void)
{
printf("before create task : %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
//创建任务
xTaskCreate( (TaskFunction_t)start_task,
(const char*)"start_task",
(uint16_t)STATR_STACK_SIZE,
(void*)NULL,
(UBaseType_t)START_TASK_PRIO,
(TaskHandle_t*)&StartTask_Handler
);
printf("after create task : %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
//开启调度器
vTaskStartScheduler();
}
这里产生疑问，为什么有3个任务？从输出可知，调度器启动前只有1个任务，启动后有3个，意味着调度器创建了2个任务，这2个是什么任务？打开启动调度器函数vTaskStartScheduler()查看源码：
void vTaskStartScheduler( void )
{
#if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
{
……
xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic();
……
}
#else
{
……
xReturn = xTaskCreate();
……
}
#endif
……
#if ( configUSE_TIMERS == 1 )
{
if( xReturn == pdPASS )
{
xReturn = xTimerCreateTimerTask();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif
……
}
问题解决了，这2个任务，一个是IDLE空闲任务，一个是定时器任务，空闲任务是一定会创建的，因为if…else…都有创建任务的函数，而定时器任务是根据宏configUSE_TIMERS来创建的，这个宏在FreeRTOSConfig.h中配置，上一篇文章中配置了这个宏，所以就会有3个任务。
- 2、创建2个任务A和B，A任务串口输出running和当前的任务数，然后删除自己，B任务间隔输出running，同时输出当前的任务数，并检查任务A的状态
void A_task(void *pParam)
{
printf("A task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
vTaskDelete(NULL);
}
void B_task(void *pParam)
{
eTaskState state;
for(;;)
{
printf("B task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
state = eTaskGetState(ATask_Handler);
if(state == eDeleted)
{
printf("B task running, A is delete\r\n");
}
else
{
printf("B task running, A is other\r\n");
}
vTaskDelay(1000);
}
}
能够看到，调度器开启后串口输出混乱，这是资源访问的问题，暂时不理会。还是能够观测到，任务A输出了信息，此时还有4个任务（A、B、空闲任务和定时器任务），当A删除后，只有B在运行，并显示A任务已经删除，目前只有3个任务。
5.2 - 堆栈大小测试
- 创建1个任务，堆栈大小从1往上设置，串口间隔输出running和变量值
#define START_TASK_PRIO 1 //优先级
#define STATR_STACK_SIZE 16 //堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler; //任务句柄
void start_task(void *pParam)
{
for(;;)
{
printf("task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
vTaskDelay(1000);
}
}
当任务堆栈不足够的时候，任务是无法运行的，此时的处理取决于你有没有使用FreeRTOS提供的栈溢出检测，如果在FreeRTOSConfig.h配置文件中定义configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW不为0，那么就会使用vApplicationStackOverflowHook()进行处理，如果没有使用栈溢出检测，那么后果将不可预料，有可能系统会奔溃，有可能会正常运行，有可能会打乱系统运作。
5.3 - 任务的优先级测试
- 创建2个任务A和B，A优先级比B高，都在串口间隔输出running
/* A 任务 */
#define A_TASK_PRIO 2 //优先级
#define A_STACK_SIZE 128 //堆栈大小
TaskHandle_t ATask_Handler; //任务句柄
/* B 任务 */
#define B_TASK_PRIO 1 //优先级
#define B_STACK_SIZE 128 //堆栈大小
TaskHandle_t BTask_Handler; //任务句柄
void A_task(void *pParam)
{
for(;;)
{
printf("A task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
}
}
void B_task(void *pParam)
{
for(;;)
{
printf("B task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
}
}
在前面任务创建与删除的测试中，A、B两个任务的优先级是相同的，于是调度器采用时间片调度法，任务轮流执行，时间片是多少？可以通过FreeRTOSConfig.h文件去配置，默认情况下我们可知，A、B任务还没有完整输出串口的时候就被切换了，所以出现了乱码。但是现在任务A永远是可以执行的最高优先级任务，任务B则永远得不到执行。
06 - 总结
- 单任务系统不能处理实时性的任务需要
- 多任务系统中任务的切换需要调度器的存在
- 调度器的基本功能是任务的切出和切入
- 任务是FreeRTOS的基本执行单位
- 任务具有任务函数、优先级、堆栈空间等特性