RTOS 系統(tǒng)的核心就是任務(wù)管理，F(xiàn)reeRTOS 也不例外，而且大多數(shù)學(xué)習(xí) RTOS 系統(tǒng)的工程師或者學(xué)生主要就是為了使用 RTOS 的多任務(wù)處理功能，初步上手 RTOS 系統(tǒng)首先必須掌握的也是任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起和恢復(fù)等操作，由此可見任務(wù)管理的重要性。

什么是多任務(wù)系統(tǒng)？

回想一下我們以前在使用 51、AVR、STM32 單片機(jī)裸機(jī)(未使用系統(tǒng))的時候一般都是在main 函數(shù)里面用 while(1)做一個大循環(huán)來完成所有的處理，即應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成所需的處理。有時候我們也需要中斷中完成一些處理。相對于多任務(wù)系統(tǒng)而言，這個就是單任務(wù)系統(tǒng)，也稱作前后臺系統(tǒng)，中斷服務(wù)函數(shù)作為前臺程序，大循環(huán)while(1)作為后臺程序

前后臺系統(tǒng)的實(shí)時性差，前后臺系統(tǒng)各個任務(wù)(應(yīng)用程序)都是排隊(duì)等著輪流執(zhí)行，不管你這個程序現(xiàn)在有多緊急，沒輪到你就只能等著！相當(dāng)于所有任務(wù)(應(yīng)用程序)的優(yōu)先級都是一樣的。但是前后臺系統(tǒng)簡單啊，資源消耗也少??！在稍微大一點(diǎn)的嵌入式應(yīng)用中前后臺系統(tǒng)就明顯力不從心了，此時就需要多任務(wù)系統(tǒng)出馬了。

多任務(wù)系統(tǒng)會把一個大問題(應(yīng)用)“分而治之”，把大問題劃分成很多個小問題，逐步的把小問題解決掉，大問題也就隨之解決了，這些小問題可以單獨(dú)的作為一個小任務(wù)來處理。這些小任務(wù)是并發(fā)處理的，注意，并不是說同一時刻一起執(zhí)行很多個任務(wù)，而是由于每個任務(wù)執(zhí)行的時間很短，導(dǎo)致看起來像是同一時刻執(zhí)行了很多個任務(wù)一樣。多個任務(wù)帶來了一個新的問題，究竟哪個任務(wù)先運(yùn)行，哪個任務(wù)后運(yùn)行呢？完成這個功能的東西在 RTOS 系統(tǒng)中叫做任務(wù)調(diào)度器。不同的系統(tǒng)其任務(wù)調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)方法也不同，比如 FreeRTOS 是一個搶占式的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)，那么其任務(wù)調(diào)度器也是搶占式的。

高優(yōu)先級的任務(wù)可以打斷低優(yōu)先級任務(wù)的運(yùn)行而取得 CPU 的使用權(quán)，這樣就保證了那些緊急任務(wù)的運(yùn)行。這樣我們就可以為那些對實(shí)時性要求高的任務(wù)設(shè)置一個很高的優(yōu)先級，比如自動駕駛中的障礙物檢測任務(wù)等。高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行完成以后重新把 CPU 的使用權(quán)歸還給低優(yōu)先級的任務(wù)，這個就是搶占式多任務(wù)系統(tǒng)的基本原理。

FreeRTOS  任務(wù)與協(xié)程

FreeRTOS 中應(yīng)用既可以使用任務(wù)，也可以使用協(xié)程(Co-Routine)，或者兩者混合使用。但是任務(wù)和協(xié)程使用不同的API函數(shù)，因此不能通過隊(duì)列(或信號量)將數(shù)據(jù)從任務(wù)發(fā)送給協(xié)程，反之亦然。協(xié)程是為那些資源很少的 MCU 準(zhǔn)備的，其開銷很小，但是 FreeRTOS 官方已經(jīng)不打算再更新協(xié)程了，所以本教程只講解任務(wù)。

1.任務(wù)(Task) 的特性

在使用 RTOS 的時候一個實(shí)時應(yīng)用可以作為一個獨(dú)立的任務(wù)。每個任務(wù)都有自己的運(yùn)行環(huán)境，不依賴于系統(tǒng)中其他的任務(wù)或者 RTOS 調(diào)度器。任何一個時間點(diǎn)只能有一個任務(wù)運(yùn)行，具體運(yùn)行哪個任務(wù)是由 RTOS 調(diào)度器來決定的，RTOS 調(diào)度器因此就會重復(fù)的開啟、關(guān)閉每個任務(wù)。任務(wù)不需要了解 RTOS 調(diào)度器的具體行為，RTOS 調(diào)度器的職責(zé)是確保當(dāng)一個任務(wù)開始執(zhí)行的時候其上下文環(huán)境(寄存器值，堆棧內(nèi)容等)和任務(wù)上一次退出的時候相同。為了做到這一點(diǎn)，每個任務(wù)都必須有個堆棧，當(dāng)任務(wù)切換的時候?qū)⑸舷挛沫h(huán)境保存在堆棧中，這樣當(dāng)任務(wù)再次執(zhí)行的時候就可以從堆棧中取出上下文環(huán)境，任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。

任務(wù)特性： 簡單。沒有使用限制。支持搶占支持優(yōu)先級每個任務(wù)都擁有堆棧導(dǎo)致了 RAM 使用量增大。如果使用搶占的話的必須仔細(xì)的考慮重入的問題。

2.協(xié)程(Co-routine)的特性

協(xié)程是為那些資源很少的 MCU 而做的，但是隨著 MCU 的飛速發(fā)展，性能越來越強(qiáng)大，現(xiàn)
在協(xié)程幾乎很少用到了！但是 FreeRTOS 目前還沒有把協(xié)程移除的計(jì)劃，但是 FreeRTOS 是絕對
不會再更新和維護(hù)協(xié)程了，因此協(xié)程大家了解一下就行了。在概念上協(xié)程和任務(wù)是相似的，但
是有如下根本上的不同：

• 堆棧使用：所有的協(xié)程使用同一個堆棧(如果是任務(wù)的話每個任務(wù)都有自己的堆棧)，這樣就比使用任務(wù)消耗更少的 RAM。
• 調(diào)度器和優(yōu)先級：協(xié)程使用合作式的調(diào)度器，但是可以在使用搶占式的調(diào)度器中使用協(xié)程。
• 宏實(shí)現(xiàn)：協(xié)程是通過宏定義來實(shí)現(xiàn)的。
• 使用限制：為了降低對 RAM 的消耗做了很多的限制。

任務(wù)狀態(tài)

FreeRTOS 中的任務(wù)永遠(yuǎn)處于下面幾個狀態(tài)中的某一個：

運(yùn)行態(tài)

當(dāng)一個任務(wù)正在運(yùn)行時，那么就說這個任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)，處于運(yùn)行態(tài)的任務(wù)就是當(dāng)前正在使用處理器的任務(wù)。如果使用的是單核處理器的話那么不管在任何時刻永遠(yuǎn)都只有一個任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。

就緒態(tài)

處于就緒態(tài)的任務(wù)是那些已經(jīng)準(zhǔn)備就緒(這些任務(wù)沒有被阻塞或者掛起)，可以運(yùn)行的任務(wù)，但是處于就緒態(tài)的任務(wù)還沒有運(yùn)行，因?yàn)橛幸粋€同優(yōu)先級或者更高優(yōu)先級的任務(wù)正在運(yùn)行！

阻塞態(tài)

如果一個任務(wù)當(dāng)前正在等待某個外部事件的話就說它處于阻塞態(tài)，比如說如果某個任務(wù)調(diào)用了函數(shù) vTaskDelay()的話就會進(jìn)入阻塞態(tài)，直到延時周期完成。任務(wù)在等待隊(duì)列、信號量、事件組、通知或互斥信號量的時候也會進(jìn)入阻塞態(tài)。任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)會有一個超時時間，當(dāng)超過這個超時時間任務(wù)就會退出阻塞態(tài)，即使所等待的事件還沒有來臨！

掛起態(tài)

像阻塞態(tài)一樣，任務(wù)進(jìn)入掛起態(tài)以后也不能被調(diào)度器調(diào)用進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，但是進(jìn)入掛起態(tài)的任務(wù)沒有超時時間。任務(wù)進(jìn)入和退出掛起態(tài)通過調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend()和 xTaskResume()。

任務(wù)優(yōu)先級

每 個 任 務(wù) 都 可 以 分 配 一 個 從 0~(configMAX_PRIORITIES-1) 的 優(yōu) 先 級 ，configMAX_PRIORITIES 在文件 FreeRTOSConfig.h 中有定義，前面我們講解 FreeRTOS 系統(tǒng)配置的時候已經(jīng)講過了。如果所使用的硬件平臺支持類似計(jì)算前導(dǎo)零這樣的指令(可以通過該指令選 擇 下 一 個 要 運(yùn) 行 的 任 務(wù) ， Cortex-M 處 理 器 是 支 持 該 指 令 的 ) ， 并 且 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 也 設(shè) 置 為 了 1 ， 那 么 宏configMAX_PRIORITIES 不能超過 32！也就是優(yōu)先級不能超過 32 級。其他情況下宏configMAX_PRIORITIES 可以為任意值，但是考慮到 RAM 的消耗，宏 configMAX_PRIORITIES最好設(shè)置為一個滿足應(yīng)用的最小值。

優(yōu)先級數(shù)字越低表示任務(wù)的優(yōu)先級越低，0 的優(yōu)先級最低，configMAX_PRIORITIES-1 的優(yōu)先級最高。空閑任務(wù)的優(yōu)先級最低，為 0。

FreeRTOS 調(diào)度器確保處于就緒態(tài)或運(yùn)行態(tài)的高優(yōu)先級的任務(wù)獲取處理器使用權(quán)，換句話說就是處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級的任務(wù)才會運(yùn)行。當(dāng)宏 configUSE_TIME_SLICING 定義為 1 的時候多個任務(wù)可以共用一個優(yōu)先級，數(shù)量不限。默認(rèn)情況下宏configUSE_TIME_SLICING 在文件FreeRTOS.h 中已經(jīng)定義為 1。此時處于就緒態(tài)的優(yōu)先級相同的任務(wù)就會使用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度器獲取運(yùn)行時間。

任務(wù)實(shí)現(xiàn)

在使用 FreeRTOS 的過程中，我們要使用函數(shù) xTaskCreate()或 xTaskCreateStatic()來創(chuàng)建任務(wù)，這兩個函數(shù)的第一個參數(shù)pxTaskCode，就是這個任務(wù)的任務(wù)函數(shù)。什么是任務(wù)函數(shù)？任務(wù)函數(shù)就是完成本任務(wù)工作的函數(shù)。我這個任務(wù)要干嘛？要做什么？要完成什么樣的功能都是在這個任務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的。 比如我要做個任務(wù)，這個任務(wù)要點(diǎn)個流水燈，那么這個流水燈的程序就是任務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的。FreeRTOS 官方給出的任務(wù)函數(shù)模板如下：

void vATaskFunction(void *pvParameters) 
{
    for( ; ; ) 
    {
        //--任務(wù)應(yīng)用程序--
        vTaskDelay(); 
        /*此處不一定要用延時函數(shù)，其他只要能讓 FreeRTOS 發(fā)生任務(wù)切換的 API 函數(shù)都可以，
        比如請求信號量、隊(duì)列等，甚至直接調(diào)用任務(wù)調(diào)度器。只不過最常用的就是 FreeRTOS 的延時函數(shù)。*/
    }
    /*不能從任務(wù)函數(shù)中返回或者退出，從任務(wù)函數(shù)中返回或退出的話就會調(diào)用
    configASSERT()，前提是你定義了 configASSERT()。如果一定要從任務(wù)函數(shù)中退出的話那一定
    要調(diào)用函數(shù) vTaskDelete(NULL)來刪除此任務(wù)。*/
    //vTaskDelete(NULL);  (5)
}

任務(wù)控制塊

FreeRTOS 的每個任務(wù)都有一些屬性需要存儲，F(xiàn)reeRTOS 把這些屬性集合到一起用一個結(jié)構(gòu)體來表示，這個結(jié)構(gòu)體叫做任務(wù)控制塊：TCB_t，在使用函數(shù) xTaskCreate()創(chuàng)建任務(wù)的時候就會自動的給每個任務(wù)分配一個任務(wù)控制塊。在老版本的 FreeRTOS 中任務(wù)控制塊叫做 tskTCB，新版本重命名為 TCB_t，但是本質(zhì)上還是 tskTCB，本教程后面提到任務(wù)控制塊的話均用 TCB_t表示，此結(jié)構(gòu)體在文件 tasks.c 中有定義。 FreeRTOS 的任務(wù)控制塊中的成員變量相比 UCOSIII 要少很多，而且大多數(shù)與裁剪有關(guān)，當(dāng)不使用某些功能的時候與其相關(guān)的變量就不參與編譯，任務(wù)控制塊大小就會進(jìn)一步的減小。

typedef struct tskTaskControlBlock{    volatile StackType_t  *pxTopOfStack;  //任務(wù)堆棧棧頂    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )        xMPU_SETTINGS xMPUSettings;  //MPU 相關(guān)設(shè)置    #endif    ListItem_t  xStateListItem;  //狀態(tài)列表項(xiàng)    ListItem_t  xEventListItem;  //事件列表項(xiàng)    UBaseType_t uxPriority;  //任務(wù)優(yōu)先級    StackType_t *pxStack;  //任務(wù)堆棧起始地址    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];//任務(wù)名字    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )        StackType_t *pxEndOfStack;  //任務(wù)堆棧棧底    #endif    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )        UBaseType_t uxCriticalNesting; //臨界區(qū)嵌套深度    #endif    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) //trace 或到 debug 的時候用到        UBaseType_t uxTCBNumber;         UBaseType_t uxTaskNumber;     #endif    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )        UBaseType_t uxBasePriority;  //任務(wù)基礎(chǔ)優(yōu)先級,優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的時候用到        UBaseType_t uxMutexesHeld;  //任務(wù)獲取到的互斥信號量個數(shù)    #endif    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )        TaskHookFunction_t pxTaskTag;    #endif    #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 ) //與本地存儲有關(guān)        void *pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];    #endif    #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )        uint32_t ulRunTimeCounter;  //用來記錄任務(wù)運(yùn)行總時間    #endif    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )        struct  _reent xNewLib_reent; //定義一個 newlib 結(jié)構(gòu)體變量    #endif    #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 ) //任務(wù)通知相關(guān)變量        volatile uint32_t ulNotifiedValue; //任務(wù)通知值        volatile uint8_t ucNotifyState;  //任務(wù)通知狀態(tài)    #endif    #if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )        //用來標(biāo)記任務(wù)是動態(tài)創(chuàng)建的還是靜態(tài)創(chuàng)建的，如果是靜態(tài)創(chuàng)建的此變量就為 pdTURE，        //如果是動態(tài)創(chuàng)建的就為 pdFALSE         uint8_t  ucStaticallyAllocated;    #endif    #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )        uint8_t ucDelayAborted;    #endif} tskTCB;//新版本的 FreeRTOS 任務(wù)控制塊重命名為 TCB_t，但是本質(zhì)上還是 tskTCB，主要是為了兼容//舊版本的應(yīng)用。typedef tskTCB TCB_t;typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t  *pxTopOfStack;  //任務(wù)堆棧棧頂
    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS xMPUSettings;  //MPU 相關(guān)設(shè)置
    #endif
    ListItem_t  xStateListItem;  //狀態(tài)列表項(xiàng)
    ListItem_t  xEventListItem;  //事件列表項(xiàng)
    UBaseType_t uxPriority;  //任務(wù)優(yōu)先級
    StackType_t *pxStack;  //任務(wù)堆棧起始地址
    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];//任務(wù)名字
    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
        StackType_t *pxEndOfStack;  //任務(wù)堆棧棧底
    #endif
    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t uxCriticalNesting; //臨界區(qū)嵌套深度
    #endif
    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) //trace 或到 debug 的時候用到
        UBaseType_t uxTCBNumber; 
        UBaseType_t uxTaskNumber; 
    #endif
    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t uxBasePriority;  //任務(wù)基礎(chǔ)優(yōu)先級,優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的時候用到
        UBaseType_t uxMutexesHeld;  //任務(wù)獲取到的互斥信號量個數(shù)
    #endif
    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;
    #endif
    #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 ) //與本地存儲有關(guān)
        void *pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
    #endif
    #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t ulRunTimeCounter;  //用來記錄任務(wù)運(yùn)行總時間
    #endif
    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        struct  _reent xNewLib_reent; //定義一個 newlib 結(jié)構(gòu)體變量
    #endif
    #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 ) //任務(wù)通知相關(guān)變量
        volatile uint32_t ulNotifiedValue; //任務(wù)通知值
        volatile uint8_t ucNotifyState;  //任務(wù)通知狀態(tài)
    #endif
    #if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )
        //用來標(biāo)記任務(wù)是動態(tài)創(chuàng)建的還是靜態(tài)創(chuàng)建的，如果是靜態(tài)創(chuàng)建的此變量就為 pdTURE，
        //如果是動態(tài)創(chuàng)建的就為 pdFALSE 
        uint8_t  ucStaticallyAllocated;
    #endif
    #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;
    #endif
} tskTCB;
//新版本的 FreeRTOS 任務(wù)控制塊重命名為 TCB_t，但是本質(zhì)上還是 tskTCB，主要是為了兼容
//舊版本的應(yīng)用。
typedef tskTCB TCB_t;

 任務(wù)堆棧

FreeRTOS 之所以能正確的恢復(fù)一個任務(wù)的運(yùn)行就是因?yàn)橛腥蝿?wù)堆棧在保駕護(hù)航，任務(wù)調(diào)度器在進(jìn)行任務(wù)切換的時候會將當(dāng)前任務(wù)的現(xiàn)場(CPU 寄存器值等)保存在此任務(wù)的任務(wù)堆棧中，等到此任務(wù)下次運(yùn)行的時候就會先用堆棧中保存的值來恢復(fù)現(xiàn)場，恢復(fù)現(xiàn)場以后任務(wù)就會接著從上次中斷的地方開始運(yùn)行。

創(chuàng)建任務(wù)的時候需要給任務(wù)指定堆棧，如果使用的函數(shù) xTaskCreate()創(chuàng)建任務(wù)(動態(tài)方法)的話那么任務(wù)堆棧就會由函數(shù) xTaskCreate()自動創(chuàng)建，后面分析 xTaskCreate()的時候會講解。如果使用函數(shù) xTaskCreateStatic()創(chuàng)建任務(wù)(靜態(tài)方法)的話就需要程序員自行定義任務(wù)堆棧，然后堆棧首地址作為函數(shù)的參數(shù) puxStackBuffer 傳遞給函數(shù)。

任務(wù)堆棧的數(shù)據(jù)類型為 StackType_t，StackType_t 本質(zhì)上是 uint32_t，在 portmacro.h 中有定義。所以 StackType_t 類型的變量為 4 個字節(jié)，那么任務(wù)的實(shí)際堆棧大小就應(yīng)該是我們所定義的 4 倍。

以上就是FreeRTOS實(shí)時操作系統(tǒng)多任務(wù)管理基礎(chǔ)知識的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于FreeRTOS實(shí)時操作系統(tǒng)多任務(wù)管理的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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