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FreeRTOS-任务基础知识

2023-05-16

（一）多任务系统

1. 单任务系统

在使用C51系列、STM32等单片机进行裸机编程时，大都在main函数中写一个while或者for死循环函数，用来无限轮询任务函数。很多时候会加入硬件中断来完成一些功能处理。相对于多任务系统来说，这种轮询系统就是单任务系统，也称作前后台系统。中断服务函数为前台系统，轮询为后台系统。
图1 前后台系统
前后台系统的缺点：实时性差；除中断之外的所有任务都排队轮流执行，处理器的性能好的话，轮询的速度就会快些，要是处理器性能比较差并且代码很多的话，系统就会比较慢。优点：系统简单、消耗资源小。

2. 多任务系统

多任务系统会将任务并发处理（不意味着同一时刻能够多任务一起执行，并且MCU就一个核），由于每个任务所占用的CPU时间很短，可以看做是多任务在一起执行。在RTOS中任务调度器起了关键性的作用，负责任务的调度。FreeRTOS是一个抢占式的实时多任务系统，其任务调度器也是抢占式的。具体运行过程如下图所示：
图2 抢占式多任务系统

3. FreeRTOS任务与协程

在FreeRTOS中任务和协程均可使用，但两者使用的是不同的API函数，因此不能通过队列（或信号量）将数据从任务发送给协程，反之依然。协程是专门为资源很少的MCU准备的。

（1）任务特性

在RTOS中，每一个任务都有自己的运行环境，不依赖于系统中的其它任务或者RTOS调度器。任何一个时间点，只能同时运行一个任务。任务调度器的主要任务是决定哪个任务运行。任务调度器确保一个任务的开始执行时的系统环境（寄存器值，堆栈内容等）和上一次任务退出时保持一致。因此，每个任务都有堆栈，用于保存任务切换时的上下文环境。

任务特性：
  • 简单。
  • 没有使用限制。
  • 支持抢占。
  • 支持优先级。
  • 每个任务都拥有堆栈导致RAM使用量增大。
  • 如果使用抢占的话，必须仔细考虑重入问题。

（2）协程特性

协程与任务在概念上是相似的，但存在一下几点不同：

  • 堆栈的使用 -
    所有的协程使用同一个堆栈，比任务消耗更小的RAM。
  • 调度器和优先级
    协程使用合作式调度器，但可以在抢占式调度其中使用协程。
  • 宏实现
    协程是通过宏定义来实现的。
  • 使用限制
    为了降低对RAM的消耗做了很多的限制。

（3）任务状态

- 运行态
任务正在运行的状态。

- 就绪态
处于就绪态的任务（没有被阻塞或挂起）是已经准备就绪、可以运行的任务，但还没有正式运行，主要由于当前系统正在运行的同一优先级或者更高优先级的任务。

- 阻塞态
任务当前正在等待某个外部事件时，就处于阻塞态。例如，某任务调用vTaskDelay()函数，进入阻塞态，等待延时完成。任务在等待队列、信号量、事件组、通知或互斥信号量时也会进入阻塞态。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，即使等待的事件还没有触发。

- 挂起态
任务进入挂起态后不能被任务调度器调用进入运行态，且没有超时时间。任务进入和退出挂起态通过调用函数vTaskSuspend()和xTaskResume()。

任务状态之间的转换如下图所示：
在这里插入图片描述

（4）任务优先级

每个任务都可以分配一个从 0 ~ (configMAX_PRIORITIES - 1) 的优先级。configMAX_PRIORITIES 宏定义在FreeRTOSConfig.h头文件中有定义。一般情况下configMAX_PRIORITIES 可以设置为任意值，但是考虑到RAM的消耗，最好设置为一个满足应用的最小值。
注意：如果硬件平台支持类似计算前导零这样的指令（可以通过该指令选择下一个要运行的任务），并且宏configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION也设置为1后，那么宏configMAX_PRIORITIES 不能超过32，即优先级不能超过32级。
优先级数字越小表示的优先级越低，0的优先级最低，configMAX_PRIORITIES - 1的优先级最高。空闲任务的优先级最低，为0.
处于就绪态的最高优先级的任务才会运行。当宏configUSE_TIME_SLICING定义为1时，多个任务可以共用一个优先级，数量不限；此时处于就绪态的同优先级任务，会使用时间片轮转调度器，获取运行时间。

（5）任务实现

在FreeRTOS中，使用xTaskCreate()或者xTaskCreateStatic()两个函数来创建任务。FreeRTOS官方任务函数模板：

void vATaskFunction(void *pvParameters)
{
	for( ; ; )
	{
		/*
			任务应用程序
		*/
		vTaskDelay();
	}
	/*
		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()，前提是定义了configASSERT()。
		如果一定要从任务函数中退出的话，一定要调用函数vTaskDelete(NULL)来删除次任务。
	*/
	vTaskDelete(NULL);
}
  • 任务函数无返回值，且无传入参数；任务函数名可以根据实际应用定义。
  • 任务应用程序放在一个死循环中执行，可以是for( ; ; )，也可以是while(1)。
  • 死循环中是当前任务真正执行的功能
  • vTaskDelay()函数在这里的主要功能是引发任务调度器切换任务；只要是能引起任务切换的函数均可以的，例如请求信号量、队列，甚至可以直接调用任务调度器。
  • 任务函数一般不允许跳出死循环，如果一定要跳出，则在跳出后一定要调用vTaskDelete(NULL)函数删除此任务。

（6）任务控制块（任务句柄）

FreeRTOS的每个任务都有一些属性需要存储，FreeRTOS把这些属性集合到了一起，用了一个结构体来表示，这个结构体叫做任务句柄：TaskHandle_t，在调用任务创建函数时，会自动给每个任务分配一个任务控制块。在新版本中使用的是TaskHandle_t，本质上是tskTaskControlBlock结构体。

typedef struct tskTaskControlBlock 			/* The old naming convention is used to prevent breaking kernel aware debuggers. */
{
	volatile StackType_t	*pxTopOfStack;	/*< Points to the location of the last item placed on the tasks stack.  THIS MUST BE THE FIRST MEMBER OF THE TCB STRUCT. */

	#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
		xMPU_SETTINGS	xMPUSettings;		/*< The MPU settings are defined as part of the port layer.  THIS MUST BE THE SECOND MEMBER OF THE TCB STRUCT. */
	#endif

	ListItem_t			xStateListItem;	/*< The list that the state list item of a task is reference from denotes the state of that task (Ready, Blocked, Suspended ). */
	ListItem_t			xEventListItem;		/*< Used to reference a task from an event list. */
	UBaseType_t			uxPriority;			/*< The priority of the task.  0 is the lowest priority. */
	StackType_t			*pxStack;			/*< Points to the start of the stack. */
	char				pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/*< Descriptive name given to the task when created.  Facilitates debugging only. */ /*lint !e971 Unqualified char types are allowed for strings and single characters only. */

	#if ( ( portSTACK_GROWTH > 0 ) || ( configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS == 1 ) )
		StackType_t		*pxEndOfStack;		/*< Points to the highest valid address for the stack. */
	#endif

	#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
		UBaseType_t		uxCriticalNesting;	/*< Holds the critical section nesting depth for ports that do not maintain their own count in the port layer. */
	#endif

	#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
		UBaseType_t		uxTCBNumber;		/*< Stores a number that increments each time a TCB is created.  It allows debuggers to determine when a task has been deleted and then recreated. */
		UBaseType_t		uxTaskNumber;		/*< Stores a number specifically for use by third party trace code. */
	#endif

	#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
		UBaseType_t		uxBasePriority;		/*< The priority last assigned to the task - used by the priority inheritance mechanism. */
		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;	/*< Stores the amount of time the task has spent in the Running state. */
	#endif

	#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
		/* Allocate a Newlib reent structure that is specific to this task.
		Note Newlib support has been included by popular demand, but is not
		used by the FreeRTOS maintainers themselves.  FreeRTOS is not
		responsible for resulting newlib operation.  User must be familiar with
		newlib and must provide system-wide implementations of the necessary
		stubs. Be warned that (at the time of writing) the current newlib design
		implements a system-wide malloc() that must be provided with locks.

		See the third party link http://www.nadler.com/embedded/newlibAndFreeRTOS.html
		for additional information. */
		struct	_reent xNewLib_reent;
	#endif

	#if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
		volatile uint32_t ulNotifiedValue;
		volatile uint8_t ucNotifyState;
	#endif

	/* See the comments in FreeRTOS.h with the definition of
	tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE. */
	#if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 ) /*lint !e731 !e9029 Macro has been consolidated for readability reasons. */
		uint8_t	ucStaticallyAllocated; 		/*< Set to pdTRUE if the task is a statically allocated to ensure no attempt is made to free the memory. */
	#endif

	#if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
		uint8_t ucDelayAborted;
	#endif

	#if( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 )
		int iTaskErrno;
	#endif

} tskTCB;

/* The old tskTCB name is maintained above then typedefed to the new TCB_t name
below to enable the use of older kernel aware debuggers. */
typedef tskTCB TCB_t;

在task.h中有如下定义：

/**
 * task. h
 *
 * Type by which tasks are referenced.  For example, a call to xTaskCreate
 * returns (via a pointer parameter) an TaskHandle_t variable that can then
 * be used as a parameter to vTaskDelete to delete the task.
 *
 * \defgroup TaskHandle_t TaskHandle_t
 * \ingroup Tasks
 */
struct tskTaskControlBlock; /* The old naming convention is used to prevent breaking kernel aware debuggers. */
typedef struct tskTaskControlBlock* TaskHandle_t;

（7）任务堆栈

任务堆栈的存在保证了FreeRTOS能够正确的恢复一个任务。任务堆栈负责保存任务调度器在进行任务切换时的现场（CPU寄存器值等），等到该任务下次运行时，使用堆栈中的值来恢复现场，保证任务能够在上次停止的地方接着运行下去。
任务创建时需要制定任务堆栈。动态创建任务和静态创建任务直接会影响到堆栈的创建。使用xTaskCreate()函数动态创建任务时，任务堆栈会由函数自动创建。使用xTaskCreateStatic()函数静态创建任务时，需要自定定义任务堆栈，然后以堆栈首地址作为函数的参数puxStackBuffer 传递给函数。

TaskHandle_t xTaskCreateStatic(	TaskFunction_t pxTaskCode,
									const char * const pcName,		/*lint !e971 Unqualified char types are allowed for strings and single characters only. */
									const uint32_t ulStackDepth,
									void * const pvParameters,
									UBaseType_t uxPriority,
									StackType_t * const puxStackBuffer,
									StaticTask_t * const pxTaskBuffer )

无论是创建动态任务（xTaskCreate()）或者是静态任务（xTaskCreateStatic()）都需要指定任务的堆栈大小。由于采用的uint32_t的类型，单位为4个字节，故实际的堆栈大小为定义数字的4倍。

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