FreeRTOS進階之任務通知示例完全解析
前言
在FreeRTOS版本V8.2.0中推出了全新的功能：任務通知。在大多數(shù)情況下，任務通知可以替代二進制信號量、計數(shù)信號量、事件組，可以替代長度為1的隊列（可以保存一個32位整數(shù)或指針值），并且任務通知速度更快、使用的RAM更少！我在FreeRTOS任務通知一文中介紹了任務通知如何使用以及局限性，今天我們將分析任務通知的實現(xiàn)源碼，看一下任務通知是如何做到效率與RAM消耗雙贏的。
在FreeRTOS信號量分析一文中我們已經知道，F(xiàn)reeRTOS的信號量是使用隊列機制實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)結構也完全是隊列的那一套。而任務通知則不同，它的數(shù)據(jù)結構嵌在任務TCB（任務控制塊，見FreeRTOS進階之任務創(chuàng)建中的，并且數(shù)據(jù)結構十分簡單，涉及到任務TCB的兩個字段，我們將它單獨列出來：
volatile uint32_t ulNotifiedValue; /*任務通知值*/ volatile uint8_t ucNotifyState; /*任務通知狀態(tài)，標識任務是否在等待通知等*/
這兩個字段占用5字節(jié)RAM（本文都是在32位系統(tǒng)下討論），而一個隊列數(shù)據(jù)結構至少占用76字節(jié)RAM！這不是同一數(shù)量級的，所以任務通知在RAM消耗上完勝。
在分析隊列和信號量的文章中，我們知道在使用隊列、信號量前，必須先創(chuàng)建隊列和信號量，目的是為了創(chuàng)建隊列數(shù)據(jù)結構。比如使用API函數(shù)xQueueCreate()創(chuàng)建隊列，用API函數(shù)xSemaphoreCreateBinary()創(chuàng)建二進制信號量等等。再來看任務通知，由于任務通知的數(shù)據(jù)結構包含在任務TCB中，只要任務存在，任務通知數(shù)據(jù)結構就已經創(chuàng)建完畢，可以直接使用！在易用性上，任務通知再次獲勝。
要想了解任務通知在性能上占優(yōu)的原因，就要分析源代碼了。
只有任務可以等待通知，中斷服務函數(shù)中不可以。如果等待的通知無效，任務會進入阻塞狀態(tài)，我們可以將等待通知的任務看作是消費者；其它任務和中斷可以向等待通知的任務發(fā)送通知，發(fā)送通知的任務和中斷服務函數(shù)可以認為是生產者。處于阻塞的消費者得到通知后會再次進入就緒態(tài)。
任務通知API函數(shù)主要有兩類，一類發(fā)送通知，一類等待通知。發(fā)送通知API函數(shù)可以用于任務和中斷服務函數(shù)，等待通知API函數(shù)只能用在任務中。
1.發(fā)送通知
我們先看一下發(fā)送通知API函數(shù)。這類函數(shù)比較多，有6個。但仔細分析會發(fā)現(xiàn)它們只能完成3種操作，每種操作有兩個API函數(shù)，分別為帶中斷保護版本和不帶中斷保護版本。FreeRTOS將API細分為帶中斷保護版本和不帶中斷保護版本是為了節(jié)省中斷服務程序處理時間，提升性能。
和信號量類似，大多數(shù)發(fā)送通知API接口也是由宏實現(xiàn)的，如表1-1所示。
表1-1：發(fā)送通知API函數(shù)與實際調用函數(shù)列表
1.1 xTaskGenericNotify()
不帶中斷保護的發(fā)送通知API函數(shù)實際都是調用函數(shù)xTaskGenericNotify()實現(xiàn)的，我們看一下這個函數(shù)原型：
BaseType_t xTaskGenericNotify(
TaskHandle_t xTaskToNotify,
uint32_t ulValue,
eNotifyAction eAction,
uint32_t *pulPreviousNotificationValue )xTaskToNotify：被通知的任務句柄。
ulValue：更新的通知值
eAction：枚舉類型，指明更新通知值的方法，枚舉變量成員以及作用見表1-2所示。
pulPreviousNotifyValue：回傳未被更新的任務通知值。如果不需要回傳未被更新的任務通知值，這里設置為NULL。
表1-2：eNotifyAction枚舉成員以及作用
與入隊操作相比較，發(fā)送通知API函數(shù)顯得非常簡單，整理后的源碼如下所示：
BaseType_t xTaskGenericNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue, eNotifyAction eAction, uint32_t *pulPreviousNotificationValue )
{
TCB_t * pxTCB;
BaseType_t xReturn = pdPASS;
uint8_t ucOriginalNotifyState;
configASSERT( xTaskToNotify );
pxTCB = ( TCB_t * ) xTaskToNotify;
taskENTER_CRITICAL();
{
if( pulPreviousNotificationValue != NULL )
{
/* 回傳更新前的通知值*/
*pulPreviousNotificationValue = pxTCB->ulNotifiedValue;
}
ucOriginalNotifyState = pxTCB->ucNotifyState;
pxTCB->ucNotifyState = taskNOTIFICATION_RECEIVED;
switch( eAction )
{
case eSetBits :
pxTCB->ulNotifiedValue |= ulValue;
break;
case eIncrement :
( pxTCB->ulNotifiedValue )++;
break;
case eSetValueWithOverwrite :
pxTCB->ulNotifiedValue = ulValue;
break;
case eSetValueWithoutOverwrite :
if( ucOriginalNotifyState != taskNOTIFICATION_RECEIVED )
{
pxTCB->ulNotifiedValue = ulValue;
}
else
{
/* 上次的通知值還未取走,本次通知值丟棄 */
xReturn = pdFAIL;
}
break;
case eNoAction:
/* 不需要更新通知值*/
break;
}
traceTASK_NOTIFY();
/* 如果被通知的任務因為等待通知而阻塞,現(xiàn)在將它解除阻塞 */
if( ucOriginalNotifyState == taskWAITING_NOTIFICATION )
{
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
if( pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority )
{
/* 如果被通知的任務優(yōu)先級高于當前任務,則觸發(fā)PendSV中斷,退出臨界區(qū)后進行上下文切換T*/
taskYIELD_IF_USING_PREEMPTION();
}
}
}
taskEXIT_CRITICAL();
return xReturn;
}函數(shù)的功能可以概括為：按照指定的方法更新通知值，如果被通知的任務處于阻塞狀態(tài)，則將它解除阻塞，解除阻塞任務的優(yōu)先級如果大于當前任務的優(yōu)先級，則觸發(fā)一次任務切換。
與釋放信號量API函數(shù)相比，本函數(shù)少了很多調用子函數(shù)開銷、少了很多判斷、少了對事件列表的操作等等，確實是比釋放信號量的實現(xiàn)要簡潔的多。這也是有原因的，因為任務通知有它自己的局限性，并不能完全代替信號量。比如一個任務只能阻塞到一個通知上，如想要實現(xiàn)多個任務阻塞到同一個事件上，只能使用信號量了。也正是因為這種局限性，使得任務通知實現(xiàn)起來簡單高效，并且大多數(shù)情況下，任務通知的方法就已經能解決問題了。
1.2 vTaskNotifyGiveFromISR()
這個API函數(shù)是vTaskNotifyGive()的帶中斷保護版本，是專門設計用來在某些情況下代替二進制信號量和計數(shù)信號量的。函數(shù)也很簡單，我們直接看源碼，源碼經過整理和注釋，以方便理解。
void vTaskNotifyGiveFromISR( TaskHandle_t xTaskToNotify, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken )
{
TCB_t * pxTCB;
uint8_t ucOriginalNotifyState;
UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
pxTCB = ( TCB_t * ) xTaskToNotify;
uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
{
ucOriginalNotifyState = pxTCB->ucNotifyState;
pxTCB->ucNotifyState = taskNOTIFICATION_RECEIVED;
/* 通知值加1,相當于釋放了一個信號量 */
( pxTCB->ulNotifiedValue )++;
/* 如果目標任務因為等待通知而阻塞,現(xiàn)在將它解除阻塞*/
if( ucOriginalNotifyState == taskWAITING_NOTIFICATION )
{
/* 如果調度器正常,將任務放入就緒列表,否則放入掛起就緒列表 */
if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
{
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
}
else
{
vListInsertEnd( &( xPendingReadyList ), &( pxTCB->xEventListItem ) );
}
if( pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority )
{
/* 如果解除阻塞的任務優(yōu)先級大于當前任務優(yōu)先級,則設置上下文切換標識,等退出函數(shù)后手動切換上下文,或者在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務程序中自動切換上下文*/
if( pxHigherPriorityTaskWoken != NULL )
{
*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE; /* 設置手動切換標志 */
}
else
{
xYieldPending = pdTRUE; /* 設置自動切換標志 */
}
}
}
}
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
}1.3 xTaskGenericNotifyFromISR()
如表1-1所示，帶中斷保護版本的API函數(shù)xTaskNotifyFromISR()和xTaskNotifyAndQueryFromISR()都是宏定義，真正被調用的函數(shù)為xTaskGenericNotifyFromISR()。
這個函數(shù)用于在中斷在中發(fā)送通知，與不帶中斷保護的API函數(shù)xTaskGenericNotify()非常相似，只是增加了一些中斷保護措施，我們直接看源碼。通用源碼經過整理和注釋，以方便理解。
BaseType_t xTaskGenericNotifyFromISR( TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue, eNotifyAction eAction, uint32_t *pulPreviousNotificationValue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken )
{
TCB_t * pxTCB;
uint8_t ucOriginalNotifyState;
BaseType_t xReturn = pdPASS;
UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;
pxTCB = ( TCB_t * ) xTaskToNotify;
uxSavedInterruptStatus = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
{
if( pulPreviousNotificationValue != NULL )
{
/* 回傳更新前的通知值 */
*pulPreviousNotificationValue = pxTCB->ulNotifiedValue;
}
ucOriginalNotifyState = pxTCB->ucNotifyState;
pxTCB->ucNotifyState = taskNOTIFICATION_RECEIVED;
/* 根據(jù)參數(shù)設置通知值 */
switch( eAction )
{
case eSetBits :
pxTCB->ulNotifiedValue |= ulValue;
break;
case eIncrement :
( pxTCB->ulNotifiedValue )++;
break;
case eSetValueWithOverwrite :
pxTCB->ulNotifiedValue = ulValue;
break;
case eSetValueWithoutOverwrite :
if( ucOriginalNotifyState != taskNOTIFICATION_RECEIVED )
{
pxTCB->ulNotifiedValue = ulValue;
}
else
{
/* 上次的通知值還未取走,本次通知值丟棄 */
xReturn = pdFAIL;
}
break;
case eNoAction :
/* 不需要更新通知值*/
break;
}
traceTASK_NOTIFY_FROM_ISR();
/* 如果被通知的任務因為等待通知而阻塞,現(xiàn)在將它解除阻塞 */
if( ucOriginalNotifyState == taskWAITING_NOTIFICATION )
{
/* 如果調度器正常,將任務放入就緒列表,否則放入掛起就緒列表 */
if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
{
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
}
else
{
vListInsertEnd( &( xPendingReadyList ), &( pxTCB->xEventListItem ) );
}
if( pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority )
{
/* 如果解除阻塞的任務優(yōu)先級大于當前任務優(yōu)先級,則設置上下文切換標識,等退出函數(shù)后手動切換上下文,或者在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務程序中自動切換上下文*/
if( pxHigherPriorityTaskWoken != NULL )
{
*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE; /* 設置手動切換標志 */
}
else
{
xYieldPending = pdTRUE; /* 設置自動切換標志 */
}
}
}
}
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );
return xReturn;
}2.等待通知
等待通知API函數(shù)只能用在任務中，沒有帶中斷保護版本，因此只有兩個API函數(shù)：
ulTaskNotifyTake()和xTaskNotifyWait ()
前者是為代替二進制信號量和計數(shù)信號量而專門設計的，它和發(fā)送通知API函數(shù)xTaskNotifyGive()、vTaskNotifyGiveFromISR()配合使用；
后者是全功能版的等待通知，可以根據(jù)不同的參數(shù)實現(xiàn)輕量級二進制信號量、計數(shù)信號量、事件組和長度為1的隊列。
等待通知API函數(shù)都帶有最大阻塞時間參數(shù)，當任務因為等待通知而進入阻塞時，用來規(guī)定最大阻塞時間。
2.1 ulTaskNotifyTake()
這個API函數(shù)用于實現(xiàn)輕量級的二進制信號量和計數(shù)信號量，源碼如下所示。它有兩個參數(shù)，如果第一個參數(shù)xClearCountOnExit設置為pdTRUE，則用來實現(xiàn)二進制信號量，函數(shù)退出時將通知值清零；如果第一個參數(shù)設置為pdFALSE，則用來實現(xiàn)計數(shù)信號量，函數(shù)退出時，將通知值減一。
uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait )
{
uint32_t ulReturn;
taskENTER_CRITICAL();
{
/* 僅當通知值為0，才進行阻塞操作*/
if( pxCurrentTCB->ulNotifiedValue == 0UL )
{
/* 設置標志,表示當前任務等待一個通知*/
pxCurrentTCB->ucNotifyState = taskWAITING_NOTIFICATION;
if( xTicksToWait > ( TickType_t ) 0 )
{
/* 將任務加入延時列表 */
prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToWait, pdTRUE );
traceTASK_NOTIFY_TAKE_BLOCK();
/* 觸發(fā)PendSV中斷,等到退出臨界區(qū)時立即執(zhí)行任務切換 */
portYIELD_WITHIN_API();
}
}
}
taskEXIT_CRITICAL();
/* 到這里說明其它任務或中斷向這個任務發(fā)送了通知,或者任務阻塞超時,現(xiàn)在繼續(xù)處理*/
taskENTER_CRITICAL();
{
traceTASK_NOTIFY_TAKE();
ulReturn = pxCurrentTCB->ulNotifiedValue;
if( ulReturn != 0UL )
{
if( xClearCountOnExit != pdFALSE )
{
pxCurrentTCB->ulNotifiedValue = 0UL;
}
else
{
pxCurrentTCB->ulNotifiedValue = ulReturn - 1;
}
}
/* 設置標志,表示不需要等待通知 */
pxCurrentTCB->ucNotifyState = taskNOT_WAITING_NOTIFICATION;
}
taskEXIT_CRITICAL();
return ulReturn; /* 如果返回值為0,說明是任務阻塞超時了 */
}與獲取二進制信號量和獲取計數(shù)信號量函數(shù)相比，本函數(shù)少了很多調用子函數(shù)開銷、少了很多判斷、少了事件列表處理、少了隊列上鎖與解鎖處理等等，因此本函數(shù)相對效率很高。
2.2 xTaskNotifyWait()
這個函數(shù)用于實現(xiàn)全功能版的等待通知，根據(jù)參數(shù)的不同，可以靈活的用于實現(xiàn)輕量級的隊列、二進制信號量、計數(shù)信號量和事件組功能，函數(shù)原型為：
BaseType_t xTaskNotifyWait( uint32_tulBitsToClearOnEntry,
uint32_tulBitsToClearOnExit,
uint32_t*pulNotificationValue,
TickType_txTicksToWait );ulBitsToClearOnEntry：在使用通知之前，先將任務的通知值與參數(shù)ulBitsToClearOnEntry的按位取反值按位與操作。設置參數(shù)ulBitsToClearOnEntry為0xFFFFFFFF(ULONG_MAX)，表示清零任務通知值。
ulBitsToClearOnExit：在函數(shù)xTaskNotifyWait()退出前，將任務的通知值與參數(shù)ulBitsToClearOnExit的按位取反值按位與操作。設置參數(shù)ulBitsToClearOnExit為0xFFFFFFFF(ULONG_MAX)，表示清零任務通知值。
pulNotificationValue：用于向外回傳任務的通知值。這個通知值在參數(shù)ulBitsToClearOnExit起作用前將通知值拷貝到*pulNotificationValue中。如果不需要返回任務的通知值，這里設置成NULL。
xTicksToWait：因等待通知而進入阻塞狀態(tài)的最大時間。時間單位為系統(tǒng)節(jié)拍周期。宏pdMS_TO_TICKS用于將指定的毫秒時間轉化為相應的系統(tǒng)節(jié)拍數(shù)。
這個函數(shù)的實現(xiàn)和ulTaskNotifyTake()有很多相通之處，我將整個流程以注釋形式置于源碼中，源碼如下所示：
BaseType_t xTaskNotifyWait( uint32_t ulBitsToClearOnEntry, uint32_t ulBitsToClearOnExit, uint32_t *pulNotificationValue, TickType_t xTicksToWait )
{
BaseType_t xReturn;
taskENTER_CRITICAL();
{
/* 只有任務沒有等待通知，才會將任務阻塞 */
if( pxCurrentTCB->ucNotifyState != taskNOTIFICATION_RECEIVED )
{
/* 使用任務通知值之前,先將參數(shù)ulBitsToClearOnEntryClear取反后與任務通知值位與.可以用這種方法在使用任務通知值之前,將通知值的某些或全部位清零 */
pxCurrentTCB->ulNotifiedValue &= ~ulBitsToClearOnEntry;
/* 設置任務狀態(tài)標識:等待通知 */
pxCurrentTCB->ucNotifyState = taskWAITING_NOTIFICATION;
if( xTicksToWait > ( TickType_t ) 0 )
{
/* 阻塞當前任務 */
prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToWait, pdTRUE );
traceTASK_NOTIFY_WAIT_BLOCK();
/* 觸發(fā)PendSV中斷,等到退出臨界區(qū)后,執(zhí)行任務切換 */
portYIELD_WITHIN_API();
}
}
}
taskEXIT_CRITICAL();
/* 到這里說明其它任務或中斷向這個任務發(fā)送了通知,或者任務阻塞超時,現(xiàn)在繼續(xù)處理*/
taskENTER_CRITICAL();
{
traceTASK_NOTIFY_WAIT();
if( pulNotificationValue != NULL )
{
/* 輸出當前通知值,通過指針參數(shù)傳遞*/
*pulNotificationValue = pxCurrentTCB->ulNotifiedValue;
}
/* 判斷是否是因為任務阻塞超時 */
if( pxCurrentTCB->ucNotifyState == taskWAITING_NOTIFICATION )
{
/* 沒有收到任務通知,是阻塞超時 */
xReturn = pdFALSE;
}
else
{
/* 收到任務值,先將參數(shù)ulBitsToClearOnExit取反后與通知值位與,用于在退出函數(shù)前,將通知值的某些或者全部位清零. */
pxCurrentTCB->ulNotifiedValue &= ~ulBitsToClearOnExit;
xReturn = pdTRUE;
}
/* 更改任務通知狀態(tài),解除任務通知等待 */
pxCurrentTCB->ucNotifyState = taskNOT_WAITING_NOTIFICATION;
}
taskEXIT_CRITICAL();
return xReturn;
}縱觀整個任務通知的實現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)它比隊列、信號量相比要簡單很多。它可以實現(xiàn)輕量級的隊列、二進制信號量、計數(shù)信號量和事件組，并且使用更方便、更節(jié)省RAM、更高效。FreeRTOS的作者做過測試，在同一平臺下，使用使用GCC編譯器、-o2優(yōu)化級別，相比使用信號量解除任務阻塞，使用任務通知可以快45%！這個性能的提升是巨大的。
我們分析過信號量的源碼，今天又分析了任務通知的源碼，這使得我們知道，之所以有這么大的性能提升，一方面緣于任務通知數(shù)據(jù)結構簡單、實現(xiàn)簡潔；
另一方面也跟FreeRTOS的信號量機制臃腫、效率低下有關。因為信號量的實現(xiàn)全部是使用隊列機制，并沒有為信號量做專門優(yōu)化。
此外，著重說明一下任務通知并不能完全代替隊列、二進制信號量、計數(shù)信號量和事件組，任務通知有自己的局限性，我們就以它的局限性來結束本文：
只能有一個任務接收通知事件。
接收通知的任務可以因為等待通知而進入阻塞狀態(tài)，但是發(fā)送通知的任務即便不能立即完成發(fā)送通知，也不能進入阻塞狀態(tài)。
以上就是FreeRTOS進階任務通知示例分析的詳細內容，更多關于FreeRTOS任務通知分析的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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