FreeRTOS学习笔记（二）任务基础篇

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前言

  在FreeRTOS中，任务（Task） 是基本的执行单位，每个任务代表一个独立的线程，可以并行执行，管理系统的各项操作。任务是FreeRTOS的核心概念，了解任务的工作原理和管理方式是开发实时多任务系统的基础。

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一、 任务的基本内容

1.1 任务的基本特点

  在 FreeRTOS 中，任务是系统运行的基本单位，每个任务都有自己独立的执行逻辑和特点。以下是任务的一些主要特点：

1. 独立性
     每个任务在 FreeRTOS 中是独立的。任务之间不共享堆栈和程序计数器，每个任务都有自己的上下文，包括寄存器状态和堆栈。由于任务是独立的，任务切换不会影响其他任务的执行状态。
2. 优先级
     FreeRTOS 支持多任务的优先级调度。每个任务在创建时可以设置优先级，高优先级的任务可以抢占低优先级任务的执行。优先级决定了任务的调度顺序，高优先级任务会优先执行，但不会一直独占 CPU。
3. 周期性和响应性
     任务可以设置为周期性执行（例如，每隔一定时间运行一次），也可以设置为响应外部事件（如中断、信号量释放等）。
     响应时间可以通过任务的优先级和延时函数（如 vTaskDelay）来控制。
4. 上下文切换
     FreeRTOS 通过上下文切换来调度任务。上下文切换是指从一个任务切换到另一个任务时，保存当前任务的执行状态（如寄存器内容）并恢复另一个任务的执行状态。上下文切换可以由任务自身调用（例如调用 taskYIELD），也可以由操作系统根据调度策略自动执行。

1.2 任务的状态

  一般来说 FreeRTOS中的任务永远是处于运行态、就绪态、阻塞态、挂起态和终止态四种状态。

• 运行态（Running）：当前被调度器选择执行的任务。
• 就绪态（Ready）：任务可以执行，但调度器尚未选择它。
• 阻塞态（Suspended）：是指一个任务当前正在等待某个外部事件，比如说如果某个任务调用了函数 vTaskDelay()的话就会进入阻塞态，直到延时周期完成。任务在等待队列、信号量、事件组、通知或互斥信号量的时候也会进入阻塞态。任务进入阻塞态会有一个超时时间，当超过这个超时时间任务就会退出阻塞态，即使所等待的事件还没有来临！
• 挂起态（Suspended）：是当任务进入挂起态以后也不能被调度器调用，但是进入挂起态的任务没有超时时间。任务进入和退出挂起态通过调用函数 vTaskSuspend()和 xTaskResume()。
  

1.3 任务控制块——任务的“身份证”

  FreeRTOS 的每个任务都有一些属性需要存储，FreeRTOS 把这些属性集合到一起用一个结构体来表示，这个结构体叫做任务控制块：TCB_t，在使用函数 xTaskCreate()创建任务的时候就会自动的给每个任务分配一个任务控制块。此结构体在文件 tasks.c 中有定义，如下

typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t *pxTopOfStack; // 任务堆栈栈顶，必须是TCB的第一个成员
ListItem_t xStateListItem; 			// 状态列表项
ListItem_t xEventListItem;			// 事件列表项
UBaseType_t uxPriority; 			// 任务优先级
StackType_t *pxStack; 				// 任务堆栈起始地
	...
} tskTCB;

二、 任务的实现

  在FreeRTOS中，任务的实现过程涉及从任务的定义到任务的调度运行，通常包括以下几个关键步骤。

函数名	描述
vTaskFunction( )	定义任务函数
xTaskCreate( )	动态创建任务
xTaskCreateStatic( )	静态创建任务
vTaskStartScheduler( )	启动任务调度器
vTaskDelete( )	删除创建的任务
vTaskSuspend( )	挂起一个任务
vTaskResume( )	恢复一个任务
xTaskResumeFromISR( )	中断服务函数中恢复一个任务

2.1 定义任务函数

  任务函数本质也是函数，所以肯定有任务名什么的，不过这里我们要注意：任务函数的返回类型一定要为 void 类型，也就是无返回值，而且任务的参数也是 void 指针类型的！任务函数名可以根据实际情况定义。任务的具体执行过程是一个大循环，for(; ; )就代表一个循环，作用和 while(1)一样，循环里面就是真正的任务代码了，此任务具体要干的活就在这里实现！

void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 执行任务的操作
        // 例如：读取传感器数据，处理输入，控制输出等
    }
}

2.2 创建任务

  任务的创建通常是在系统初始化时完成的。你可以通过调用 xTaskCreate 函数来动态创建任务，任务控制块及任务栈空间均由freertos调度。

// configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION需要设置为1
// 成功：pdPASS
BaseType_t xTaskCreate(
    TaskFunction_t pvTaskCode,   // 任务函数的指针
    const char * const pcName,   // 任务名称（仅用于调试）
    uint16_t usStackDepth,       // 任务堆栈大小（以字为单位）
    void *pvParameters,          // 传递给任务的参数
    UBaseType_t uxPriority,      // 任务优先级（数值越大，优先级越高）
    TaskHandle_t *pxCreatedTask  // 任务句柄（用于管理任务）
);

  在一些内存资源有限的系统中，使用函数xTaskCreateStatic( )静态创建任务，允许你预先分配任务所需的内存，并将其传递给函数。但需要程序员自行定义任务堆栈，然后堆栈首地址作为函数的参数 puxStackBuffer 传递给函数。

// configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION需要设置为1
// 成功：任务句柄
// 失败：NULL
TaskHandle_t xTaskCreateStatic(
    TaskFunction_t pvTaskCode,    // 任务函数的指针
    const char * const pcName,    // 任务名称（仅用于调试）
    uint32_t ulStackDepth,        // 任务堆栈大小（以字为单位）
    void *pvParameters,           // 传递给任务的参数
    UBaseType_t uxPriority,       // 任务优先级
    StackType_t *pxStackBuffer,   // 指向任务堆栈的指针
    StaticTask_t *pxTaskBuffer    // 指向任务控制块的指针
);

你 不需要手动配置 PendSV 和 SysTick 寄存器，因为 FreeRTOS 的移植层代码会在调度器启动时为你配置它们。你只需要确保时钟频率和中断优先级配置正确，系统即可正常启动任务调度器。

2.3 启动任务调度器

  通常情况下，我们都是在main()函数中先创建一个开始任务 start_task，后面紧接着调用函数 vTaskStartScheduler()。这个函数的功能就是开启任务调度器的。调度器负责管理任务的执行，决定哪个任务将被CPU执行。当调度器启动后，系统将进入多任务模式，各个任务根据优先级和调度策略被执行。

vTaskStartScheduler( );

  值得注意的是，在实际启动 FreeRTOS 任务调度器时，移植层代码会在调度器启动时为你配置PendSV 和 SysTick 寄存器。你只需要确保时钟频率和中断优先级配置正确，系统即可正常启动任务调度器。即使你没有手动处理就绪列表和中断管理，调度器也会在背后自动管理这些任务调度工作。只要调用了 vTaskStartScheduler()，FreeRTOS 内核就会处理所有的中断、任务状态转换和任务切换，因此不会影响系统的正常运行。这种自动化特性使得 FreeRTOS 使用起来更加方便。

2.4 任务的运行与切换

  任务切换是通过上下文切换机制实现的，即在不同任务之间切换 CPU 控制权，使得多个任务可以看起来像是并行运行。任务切换由任务调度器（Scheduler）管理，根据任务的优先级、时间片和状态决定下一个要运行的任务。任务被调度器选择执行时，将进入运行状态（Running）。在FreeRTOS中，任务的运行通常是一个无限循环。在这个循环中，任务可以执行各种操作，如处理输入、控制输出、进行计算等。
  当任务执行FreeRTOS 的延时函数 vTaskDelay、等待信号量、等待队列消息或发生其他阻塞条件时，任务将进入阻塞状态（Blocked）。在阻塞状态下，任务会释放CPU，允许其他任务执行。

2.4.1 利用延时函数

  当函数 vTaskDelay()是相对模式(相对延时函数)，在文件 tasks.c 中有定义，要使用此函数的话宏 INCLUDE_vTaskDelay 必须为 1。

void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 执行任务操作
        // 延时时间由参数 xTicksToDelay 来确定，为要延时的时间节拍数
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 延迟1秒
    }
}

  函数 vTaskDelayUntil()是绝对模式(绝对延时函数)，阻塞时间是一个绝对时间，那些需要按照一定的频率运行的任务可以使用函数 vTaskDelayUntil()，其原型如下：

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,  
	const TickType_t xTimeIncrement )

• 参数：
  • pxPreviousWakeTime： 上一次任务延时结束被唤醒的时间点，任务中第一次调用函数vTaskDelayUntil 的话需要将 pxPreviousWakeTime 初始化进入任务的while()循环体的时间点值。在以后的运行中函数 vTaskDelayUntil()会自动更新 pxPreviousWakeTime。
  • xTimeIncrement：任务需要延时的时间节拍数(相对于 pxPreviousWakeTime 本次延时的节拍数)。

2.4.2 利用中断

  除此之外，我们也可以利用中断触发的任务切换，利用FreeRTOS 中的一个宏portEND_SWITCHING_ISR() ，在中断服务程序（ISR）结束时请求任务切换。它的主要作用是在处理完中断后，如果有更高优先级的任务进入就绪状态，通知调度器进行任务切换，确保高优先级任务能够及时执行。
  在中断服务程序（ISR）中，FreeRTOS 通常会进行某些操作，例如发送信号量、消息队列或者处理事件。这些操作可能会使某个更高优先级的任务变为就绪状态。在这种情况下，你需要通过 portEND_SWITCHING_ISR() 来检查是否需要任务切换。

void ISR_Handler(void)
{
 /* 该参数用于指示是否有更高优先级的任务变为就绪状态；
    如有更高优先级的任务被唤醒，该变量会被设置为pdTRUE。*/
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

    // 处理中断，可能会唤醒某个任务
    xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);

    // 如果有高优先级任务需要执行，它会触发 PendSV 中断，进行上下文切换
    portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

  这里顺便提一下xSemaphoreGiveFromISR( )，它用于从中断服务程序（ISR）中释放信号量的函数。如果有任务因为等待该信号量而阻塞（调用了xSemaphoreTake()），该函数会将最高优先级的等待任务移入就绪状态；此外通过 xHigherPriorityTaskWoken 参数，指示在中断结束后是否需要进行任务切换，以确保高优先级任务能及时执行。

BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, 
	BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

• 参数说明：
  • xSemaphore：这是要释放的信号量句柄，它是由 xSemaphoreCreateBinary() 或其他信号量创建函数生成的；
  • pxHigherPriorityTaskWoken：这是一个指向 BaseType_t 类型变量的指针。当信号量释放后，如果有一个更高优先级的任务被唤醒，FreeRTOS 会将该变量设置为 pdTRUE，指示调度器在中断结束时需要进行任务切换。
• 返回值：
  • 成功：pdTRUE；
  • 失败：pdFALSE。

2.5 任务的通信与同步

  在多任务系统中，任务之间需要通信和同步，以协调各个任务的操作。FreeRTOS提供了多种机制来实现任务间的通信与同步，包括队列（Queue）、信号量（Semaphore）、事件组（Event Group）等。本节仅作简单了解，后续会详细介绍这部分。

void vSenderTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 向队列发送数据
        xQueueSend(queueHandle, &data, portMAX_DELAY);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500毫秒
    }
}

void vReceiverTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 从队列接收数据
        xQueueReceive(queueHandle, &data, portMAX_DELAY);
        // 处理接收到的数据
    }
}

2.6 任务的删除

  任务函数一般不允许跳出循环，当任务完成其使命或不再需要时，如果一定要跳出循环的话在跳出循环以后一定要调用函数 vTaskDelete(NULL)删除此任务！任务删除后，所占用的资源（如堆栈内存）将被释放。

void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 执行任务操作
        if (某些条件满足) {
            vTaskDelete(NULL);  // 删除任务自身
        }
    }
}

2.7 任务的通知

  FreeRTOS提供了一种轻量级的任务通知机制，允许任务之间发送通知。任务通知可以用来触发任务执行特定的操作。本节仅作简单了解，后续会详细介绍这部分。

void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        // 等待通知
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        // 收到通知后执行操作
    }
}

// 另一任务或中断可以发送通知
xTaskNotify(taskHandle, 0x01, eSetBits);

2.8 任务挂起和恢复

  任务的挂起和恢复常用于让某个任务在等待某种外部事件（例如接收到信号量或数据）时暂停运行，直到事件发生后再恢复。

• 任务挂起：调用 vTaskSuspend(TaskHandle_t xTask) 可以挂起某个指定任务。挂起的任务将不会被任务调度器分配 CPU 时间，直到明确调用 vTaskResume(TaskHandle_t xTask) 恢复该任务。
• 任务恢复：调用 vTaskResume() 恢复被挂起的任务，该任务将重新参与调度。

函数	描述
vTaskSuspend( )	挂起一个任务
vTaskResume( )	恢复一个任务
xTaskResumeFromISR( )	中断服务函数中恢复一个任务

三、相关辅助API函数

  FreeRTOS 还有很多与任务相关的 API 函数，不过这些 API函数大多都是辅助函数了，本小节我们就来看一下这些与任务相关的其他的 API 函数。

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