FreeRTOS学习记录（六）：空闲任务与阻塞延时的实现

2023-05-16

2022-04-24

依据：[野火]《FreeRTOS内核实现与应用开发实战指南》

一、实现空闲任务

1、实现空闲任务

定义空闲任务的任务控制块

创建空闲任务

二、阻塞延时

1、vTaskDelay()函数

2、修改 vTaskSwitchContext()函数

三、SysTick中断服务函数

1、xTaskIncrementTick()函数，更新系统时基。

四、SysTick初始化函数

五、实验

RTOS 中的延时叫阻塞延时，即任务需要延时的时候，任务会放弃 CPU 的使用权，CPU 可以去干其它的事情，当任务延时时间到，重新获取 CPU 使用权，任务继续运行，这样就充分地利用了 CPU 的资源，而不是干等着。

如果没有其它任务可以运行，RTOS 都会为 CPU 创建一个空闲任务，这个时候 CPU 就运行空闲任务。

在 FreeRTOS 中，空闲任务是系统在【启动调度器】的时候创建的优先级最低的任务，空闲任务主体主要是做一些系统内存的清理工作

一、实现空闲任务

为了简单起见，我们本章实现的空闲任务只是对一个全局变量进行计数。鉴于空闲任务的这种特性，在实际应用中，当系统进入空闲任务的时候，可在空闲任务中让单片机进入休眠或者低功耗等操作。

1、实现空闲任务

目前我们在创建任务时使用的栈和 TCB 都使用的是静态的内存，即需要预先定义好内存，空闲任务也不例外。有关空闲任务的栈和 TCB 需要用到的内存空间均在 main.c 中定义。

//定义空闲任务的栈

#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 128 )     //(2)

StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];     //(1)

（1）空闲任务的栈是一个定义好的数组，大小由 FreeRTOSConfig.h 中定义的宏 configMINIMAL_STACK_SIZE 控制，默认为 128，单位为字，即 512个字节。

定义空闲任务的任务控制块

任务控制块是每一个任务必须的，空闲任务的的任务控制块我们在 main.c 中定义，是一个全局变量

idle：懒惰的; 闲置的; 没有工作的; 闲散的

//定义空闲任务的任务控制块
TCB_t IdleTaskTCB;

创建空闲任务

当定义好空闲任务的栈，任务控制块后，就可以创建空闲任务。空闲任务在调度器启动函数 vTaskStartScheduler()中创建。

//创建空闲任务

extern TCB_t IdleTaskTCB;
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
                                    uint32_t *pulIdleTaskStackSize );
void vTaskStartScheduler( void )
{
    /*=======================创建空闲任务 start=======================*/ 
    TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL; /* 用于指向空闲任务控制块 */ 
    StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL; /* 用于空闲任务栈起始地址 */ 
    uint32_t ulIdleTaskStackSize; 

    /* 获取空闲任务的内存：任务栈和任务 TCB */ //(1) 
    vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, 
                                   &pxIdleTaskStackBuffer, 
                                   &ulIdleTaskStackSize ); 

    /* 创建空闲任务 */ //(2) 
    xIdleTaskHandle = 
        xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask, /* 任务入口 */ 
                           (char *)"IDLE", /* 任务名称，字符串形式 */ 
                           (uint32_t)ulIdleTaskStackSize , /* 任务栈大小，单位为字 */ 
                           (void *) NULL, /* 任务形参 */ 
                           (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer, /* 任务栈起始地址 */ 
                           (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer ); /* 任务控制块 */ 

    /* 将任务添加到就绪列表 */ //(3) 
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), 
                    &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) ); 
    /*==========================创建空闲任务 end=====================*/ 

    /* 手动指定第一个运行的任务 */
    pxCurrentTCB = &Task1TCB;

    /* 启动调度器 */
    if ( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
        /* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */
    }
}

（1）获取空闲任务的内存，即将 pxIdleTaskTCBBuffer 和 pxIdleTaskStackBuffer 这两个接下来要作为形参传到 xTaskCreateStatic()函数的指针分别指向空闲任务的 TCB 和栈的起始地址，这个操作由函数 vApplicationGetIdleTaskMemory()来实现，该函数需要用户自定义，目前我们在 main.c 中实现

vApplicationGetIdleTaskMemory()函数

void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
                                    uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
    *ppxIdleTaskTCBBuffer = &IdleTaskTCB;    //空闲任务控制块
    *ppxIdleTaskStackBuffer = IdleTaskStack;    //空闲任务堆栈
    *pulIdleTaskStackSize = configMINIMAL_STACK_SIZE;    //最小堆栈大小
}

（2）调用 xTaskCreateStatic()函数创建空闲任务。

（3）将空闲任务插入到就绪列表的开头。在以后会支持优先级， 空闲任务默认的优先级是最低的，即排在就绪列表的开头。

二、阻塞延时

1、vTaskDelay()函数

阻塞延时的阻塞是指任务调用该延时函数后，任务会被剥离 CPU 使用权，然后进入阻塞状态，直到延时结束，任务重新获取 CPU 使用权才可以继续运行。在任务阻塞的这段时间，CPU 可以去执行其它的任务，如果其它的任务也在延时状态，那么 CPU 就将运行空闲任务。阻塞延时函数在 task.c 中定义。

 // vTaskDelay()函数

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;

    /* 获取当前任务的 TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;     //(1)

    /* 设置延时时间 */
    pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;     //(2)
 
    /* 任务切换 */
    taskYIELD();     //(3)
}

（1）获取当前任务的任务控制块。pxCurrentTCB 是一个在 task.c 定义的全局指针，用于指向当前正在运行或者即将要运行的任务的任务控制块。

（2）xTicksToDelay 是任务控制块的一个成员，用于记录任务需要延时的时间，单位为 SysTick 的中断周期。比如我们本书当中 SysTick 的中断周期为 10ms，调用 vTaskDelay( 2 )则完成 2*10ms 的延时。

xTicksToDelay 定义

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t *pxTopOfStack; /* 栈顶 */

    ListItem_t xStateListItem; /* 任务节点 */

    StackType_t *pxStack; /* 任务栈起始地址 */
                          /* 任务名称，字符串形式 */
    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];
 
    //=======================================
    TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */         //延时延时延时延时延时延时延时**********
    //=======================================
} tskTCB;

（3）任务切换。调用 tashYIELD()会产生 PendSV中断，在 PendSV中断服务函数中会调用上下文切换函数 vTaskSwitchContext()，该函数的作用是寻找最高优先级的就绪任务，然后更新 pxCurrentTCB。上一章我们只有两个任务，则 pxCurrentTCB 不是指向任务 1 就是指向任务 2，本章节开始我们多增加了一个空闲任务，则需要让 pxCurrentTCB 在这三个任务中切换，算法需要改变

2、修改 vTaskSwitchContext()函数

#if 0
    void vTaskSwitchContext( void )
    { /* 两个任务轮流切换 */
        if ( pxCurrentTCB == &Task1TCB )
        {
            pxCurrentTCB = &Task2TCB;
        }
        else
        {
            pxCurrentTCB = &Task1TCB;
        }
    }
#else

    void vTaskSwitchContext( void ) 
    { 
        /* 如果当前任务是空闲任务，那么就去尝试执行任务 1 或者任务 2， 
        看看他们的延时时间是否结束，如果任务的延时时间均没有到期， 
        那就返回继续执行空闲任务 */ 
        if ( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )         //(1) 
        { 
            if (Task1TCB.xTicksToDelay == 0) 
            { 
                pxCurrentTCB =&Task1TCB; 
            } 
            else if (Task2TCB.xTicksToDelay == 0) 
            { 
                pxCurrentTCB =&Task2TCB; 
            } 
            else 
            { 
                return; /* 任务延时均没有到期则返回，继续执行空闲任务 */ 
            } 
        } 
        else /* 当前任务不是空闲任务则会执行到这里 */         //(2) 
        { 
            /*如果当前任务是任务 1 或者任务 2 的话，检查下另外一个任务, 
            如果另外的任务不在延时中，就切换到该任务 
            否则，判断下当前任务是否应该进入延时状态， 
            如果是的话，就切换到空闲任务。否则就不进行任何切换 */ 
            if (pxCurrentTCB == &Task1TCB) 
            { 
                if (Task2TCB.xTicksToDelay == 0) 
                { 
                    pxCurrentTCB =&Task2TCB; 
                } 
                else if (pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0) 
                { 
                    pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB; 
                } 
                else 
                { 
                    return; /* 返回，不进行切换，因为两个任务都处于延时中 */ 
                } 
            } 
            else if (pxCurrentTCB == &Task2TCB) 
            { 
                if (Task1TCB.xTicksToDelay == 0) 
                { 
                    pxCurrentTCB =&Task1TCB; 
                } 
                else if (pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0) 
                { 
                    pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB; 
                } 
                else 
                { 
                    return; /* 返回，不进行切换，因为两个任务都处于延时中     */ 
                } 
            } 
        } 
    } 

#endif

（1）如果当前任务是空闲任务，那么就去尝试执行任务 1 或者任务 2，看看他们的延时时间是否结束，如果任务的延时时间均没有到期，那就返回继续执行空闲任务。

（2）如果当前任务是任务 1 或者任务 2 的话，检查下另外一个任务，如果另外的任务不在延时中，就切换到该任务。否则，判断下当前任务是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲任务，否则就不进行任何切换。

三、SysTick中断服务函数

在任务上下文切换函数 vTaskSwitchContext ()中，会判断每个任务的任务控制块中的延时成员 xTicksToDelay 的值是否为 0，如果为 0就要将对应的任务就绪，如果不为 0 就继续延时。如果一个任务要延时，一开始 xTicksToDelay 肯定不为 0，当 xTicksToDelay 变为 0 的时候表示延时结束，那么 xTicksToDelay 是以什么周期在递减？在哪里递减？在 FreeRTOS 中，这个周期由 SysTick 中断提供，操作系统里面的最小的时间单位就是 SysTick 的中断周期，我们称之为一个 tick，SysTick 中断服务函数在 port.c 中实现

//SysTick 中断服务函数

void xPortSysTickHandler( void )
{
    /* 关中断 */
    vPortRaiseBASEPRI();     //(1)

    /* 更新系统时基 */
    xTaskIncrementTick();     //(2)

    /* 开中断 */
    vPortClearBASEPRIFromISR();     //(3)
}

（2）更新系统时基，该函数在 task.c 中定义

1、xTaskIncrementTick()函数，更新系统时基。

void xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t i = 0;

    /* 更新系统时基计数器 xTickCount，xTickCount 是一个在 port.c 中定义的全局变量 */    //(1)
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
    xTickCount = xConstTickCount;

 
    /* 扫描就绪列表中所有任务的 xTicksToDelay，如果不为 0，则减 1 */    //(2)
    for (i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
    {
        pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
        if (pxTCB->xTicksToDelay > 0)
        {
            pxTCB->xTicksToDelay --;
        }
    }

    /* 任务切换 */    //(3)
    portYIELD();
}

（1）更新系统时基计数器 xTickCount，加一操作。xTickCount 是一个在 port.c 中定义的全局变量，在函数任务启动调度器vTaskStartScheduler()中调用启动调度器 xPortStartScheduler()函数前初始化。

（2）扫描就绪列表中所有任务的 xTicksToDelay，如果不为 0，则减 1。

（3）执行一次任务切换。

四、SysTick初始化函数

SysTick 的中断服务函数要想被顺利执行，则 SysTick 必须先初始化。SysTick 初始化函数在 port.c 中定义

// vPortSetupTimerInterrupt()函数

/* SysTick 控制寄存器 */     //(1)
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG (*((volatile uint32_t *) 0xe000e010 ))
/* SysTick 重装载寄存器寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG (*((volatile uint32_t *) 0xe000e014 ))

/* SysTick 时钟源选择 */
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ 
    #define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ 
    /* 确保 SysTick 的时钟与内核时钟一致 */ 
    #define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL ) 
#else 
    #define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 0 ) 
#endif 

#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT     ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT  ( 1UL << 0UL )


void vPortSetupTimerInterrupt( void )     //(2)
{
    /* 设置重装载寄存器的值 */     //(3)
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;

    /* 设置系统定时器的时钟等于内核时钟     //(4)
       使能 SysTick 定时器中断
       使能 SysTick 定时器 */
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
                                  portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
                                  portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}

（1）配置 SysTick 需要用到的寄存器和宏定义，在 port.c 中实现。

（2）SysTick 初始化函数 vPortSetupTimerInterrupt() ，在 xPortStartScheduler()中被调用

//xPortStartScheduler() 中调用  vPortSetupTimerInterrupt()


BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
    /* 配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低 */
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI; 

    /* 初始化 SysTick */ 
    vPortSetupTimerInterrupt(); 

    /* 启动第一个任务，不再返回 */
    prvStartFirstTask();

    /* 不应该运行到这里 */
    return 0;
}

（3）设置重装载寄存器的值，决定 SysTick 的中断周期。从代码清单（1）可以知道：如果没有定义 configSYSTICK_CLOCK_HZ 那么 configSYSTICK_CLOCK_HZ 就等于configCPU_CLOCK_HZ ， configSYSTICK_CLOCK_HZ 确实没有定义，则 configSYSTICK_CLOCK_HZ 由在 FreeRTOSConfig.h 中定义的 configCPU_CLOCK_HZ 决定，同时 configTICK_RATE_HZ 也在 FreeRTOSConfig.h 中定义

//configCPU_CLOCK_HZ 与 configTICK_RATE_HZ 宏定义

1 #define configCPU_CLOCK_HZ (( unsigned long ) 25000000)     //(1)
2 #define configTICK_RATE_HZ (( TickType_t ) 100)     //(2)

（3）、（1）系统时钟的大小，因为目前是软件仿真，需要配置成与 system_ARMCM3.c(system_ARMCM4.c 或 system_ARMCM7.c)文件中的 SYSTEM_CLOCK 的一样，即等于 25M。如果有具体的硬件，则配置成与硬件的系统时钟一样。

（3）、（2）SysTick 每秒中断多少次，目前配置为 100，即每 10ms 中断一次。

（4）设置系统定时器的时钟等于内核时钟，使能 SysTick 定时器中断，使能 SysTick 定时器。

五、实验

/*
 *************************************************************************
 * 包含的头文件
 *************************************************************************
 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
 
/*
 *************************************************************************
 * 全局变量
 *************************************************************************
 */
portCHAR flag1;
portCHAR flag2;

extern List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];
 
 
/*
 *************************************************************************
 * 任务控制块 & STACK
 *************************************************************************
 */
TaskHandle_t Task1_Handle;
#define TASK1_STACK_SIZE 128
StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];
TCB_t Task1TCB;
 
TaskHandle_t Task2_Handle;
#define TASK2_STACK_SIZE 128
StackType_t Task2Stack[TASK2_STACK_SIZE];
TCB_t Task2TCB;
 
 
/*
 *************************************************************************
 * 函数声明
 *************************************************************************
 */
void delay (uint32_t count);
void Task1_Entry( void *p_arg );
void Task2_Entry( void *p_arg );
 
/*
 ************************************************************************
 * main 函数
 ************************************************************************
 */
 
int main(void)
{
    /* 硬件初始化 */
    /* 将硬件相关的初始化放在这里，如果是软件仿真则没有相关初始化代码 */

    /* 初始化与任务相关的列表，如就绪列表 */
    prvInitialiseTaskLists();

    /* 创建任务 */
    Task1_Handle =
        xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task1_Entry, /* 任务入口 */
                           (char *)"Task1", /* 任务名称，字符串形式 */
                           (uint32_t)TASK1_STACK_SIZE , /* 任务栈大小，单位为字 */
                           (void *) NULL, /* 任务形参 */
                           (StackType_t *)Task1Stack, /* 任务栈起始地址 */
                           (TCB_t *)&Task1TCB ); /* 任务控制块 */
    /* 将任务添加到就绪列表 */
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[1] ),
                    &( ((TCB_t *)(&Task1TCB))->xStateListItem ) );

    Task2_Handle =
        xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task2_Entry, /* 任务入口 */
                           (char *)"Task2", /* 任务名称，字符串形式 */
                           (uint32_t)TASK2_STACK_SIZE , /* 任务栈大小，单位为字 */
                           (void *) NULL, /* 任务形参 */
                           (StackType_t *)Task2Stack, /* 任务栈起始地址 */
                           (TCB_t *)&Task2TCB ); /* 任务控制块 */
    /* 将任务添加到就绪列表 */
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[2] ),
                    &( ((TCB_t *)(&Task2TCB))->xStateListItem ) );

    /* 启动调度器，开始多任务调度，启动成功则不返回 */
    vTaskStartScheduler();

    for (;;)
    {
        /* 系统启动成功不会到达这里 */
    }
}
 
/*
 *************************************************************************
 * 函数实现
 *************************************************************************
 */
/* 软件延时 */
void delay (uint32_t count)
{
    for (; count!=0; count--);
}
/* 任务 1 */
void Task1_Entry( void *p_arg )
{
    for ( ;; )
    {
#if 0
        flag1 = 1;
        delay( 100 );
        flag1 = 0;
        delay( 100 );

        /* 任务切换，这里是手动切换 */
        portYIELD();
#else
        flag1 = 1; 
        vTaskDelay( 2 );         //(1) 
        flag1 = 0; 
        vTaskDelay( 2 ); 
#endif
    }
}

/* 任务 2 */
void Task2_Entry( void *p_arg )
{
    for ( ;; )
    {
#if 0
        flag2 = 1;
        delay( 100 );
        flag2 = 0;
        delay( 100 );

        /* 任务切换，这里是手动切换 */
        portYIELD();
#else
        flag2 = 1; 
        vTaskDelay( 2 );     //(2) 
        flag2 = 0; 
        vTaskDelay( 2 ); 
#endif
    }
}
 
/* 获取空闲任务的内存 */ 
StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];     //(3) 
TCB_t IdleTaskTCB; 
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, 
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, 
                                    uint32_t *pulIdleTaskStackSize ) 
{ 
    *ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB; 
    *ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack; 
    *pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE; 
}

（1）、（2）：延时函数均由原来的软件延时替代为阻塞延时，延时时间均为 2 个 SysTick 中断周期，即 20ms。

（3）定义空闲任务的栈和 TCB

每天加油、好好学习、多看多学多想！！！！加油！！

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)