• FreeRTOS多任务管理




    1、任务

    1.1 任务简介

    (1) 在裸机系统中,系统的主体就是 main 函数里面顺序执行的无限循环,这个无限循环里面 CPU 按照顺序完成各种事情。
    (2) 在FreeRTOS中,根据功能的不同,把整个系统分割成一个个独立无限循环无法返回的函数,这个函数就称为 任务

    1.2 任务调度

    任何时刻,只有一个任务得到运行,FreeRTOS调度器 决定运行哪个任务。调度器会不断的启动、停止每一个任务,宏观看上去所有的任务都在同时在执行。
    FreeRTOS 中的任务是 抢占式 调度机制,高优先级的任务可打断 低优先级任务,低优先级任务必须在高优先级任务阻塞结束后 才能得到调度。

    1.3 任务的状态 (就绪态 / 运行态 / 阻塞态 / 挂起态)

    任务状态通常分为以下四种:
    就绪态 (ready):该任务在就绪列表中,就绪的任务已经具备执行的能力,只等待调度器进行调度,新创建的任务会初始化为就绪态

    运行态 (running):该状态表明任务正在执行,此时它占用处理器,FreeRTOS调度器选择运行的永远是处于最高优先级的 就绪态任务,当任务被运行的一刻,它的任务状态就变成了运行态

    阻塞态 (blocked):正在运行的任务发生阻塞 (延时、读信号量等待、读写队列或者等待读写事件) 时,该任务会从就绪列表中删除,任务状态由运行态变成阻塞态。

    挂起态 (suspended):处于挂起态的任务 对调度器而言是不可见的,让一个任务进入挂起状态的唯一办法就是调用 vTaskSuspend() 函数;而把一个挂起状态的任务恢复 的唯一途径 就是调用 vTaskResume() 或 vTaskResumeFromISR() 函数。

    挂起态阻塞态的区别:
    当任务有较长的时间不允许运行的时候,我们可以挂起任务,这样 调度器就不会管这个任务的任何信息,直到我们调用恢复任务的 API 函数;
    而任务处于阻塞态的时候,系统还需要判断 阻塞态的任务是否超时,是否可以解除阻塞。

    他们之间的转换关系如下图:
    在这里插入图片描述
    (1):创建任务→就绪态 (ready):任务创建完成后进入就绪态,表明任务已准备就绪,随时可以运行,只等待调度器进行调度。
    (2):就绪态→运行态 (running):发生任务切换时,就绪列表最高优先级的任务被执行,从而进入运行态。
    (3):运行态→就绪态:有更高优先级任务创建或者恢复后,会发生 任务调度,此刻就绪列表中最高优先级任务变为运行态,那么原先运行的任务由运行态变为就绪态,依然在就绪列表中,等待最高优先级的任务运行完毕继续运行原来的任务 (此处可以看做是 CPU使用权被更高优先级的任务抢占了)。
    (4):运行态→阻塞态 (blocked):正在运行的任务发生阻塞 (延时、读信号量等待) 时,该任务会从就绪列表中删除,任务状态由运行态变成阻塞态,然后发生任务切换,运行就绪列表中当前最高优先级任务。
    (5):阻塞态→就绪态:阻塞的任务被恢复后 (任务恢复、延时时间超时、读信号量超时或读到信号量等),此时被恢复的任务会被加入就绪列表,从而由阻塞态变成就绪态;如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级,则会发生任务切换,将该任务将再次转换任务状态,由就绪态变成运行态。
    (6) (7) (8):就绪态、阻塞态、运行态→挂起态 (suspended):任务可以通过调用 vTaskSuspend() API 函数都可以将处于任何状态的任务挂起,被挂起的任务得不到CPU的使用权,也不会参与调度,除非它从挂起态中解除。
    (9):挂起态→就绪态:把一个挂起状态的任务 恢复的唯一途径就是调用 vTaskResume() 或 vTaskResumeFromISR() API 函数,如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级,则会发生 任务切换,将该任务将再次转换任务状态,由就绪态 变成 运行态。

    1.4 空闲任务

    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。如果没有其它任务可以运行,这个时候CPU就运行空闲任务。

    2、动态创建两个任务

    2.1 定义动态内存空间的堆

    使用动态内存,即 堆(heap),也属于 SRAM。
    FreeRTOS 做法是在SRAM里面定义一个大数组,也就是堆内存,供 FreeRTOS的动态内存分配函数使用,在第一次使用的时候,系统会将定义的堆内存进行初始化。

    //系统所有总的堆大小
    #define configTOTAL_HEAP_SIZE    ((size_t)(36*1024))    (1)
    static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]; 	    (2)
    
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    (1) 堆内存的大小为 configTOTAL_HEAP_SIZE,在 FreeRTOSConfig.h 中,由用户自己定义,configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 这个宏定义在使用FreeRTOS操作系统的时候必须开启。
    (2) 从内部SRAM 里面定义一个静态数组 ucHeap,大小由configTOTAL_HEAP_SIZE这个宏决定,目前定义为 36KB。

    2.2 定义任务函数

    创建两个任务,分别 让 LED 灯以 500ms / 1000ms的频率闪烁,具体实现见代码清单:

     static void LED1_Task(void* parameter)
     {
       while (1) {							
         LED1_ON;
         vTaskDelay(500); /*  延时500个tick */
    
         LED1_OFF;
         vTaskDelay(500); /*  延时500个tick */
       }
     }
     
     static void LED2_Task(void* parameter)
     {
       while (1) {									(1)
         LED2_ON;
         vTaskDelay(1000); /*  延时1000个tick */  	(2)
    
         LED2_OFF;
         vTaskDelay(1000); /*  延时1000个tick */
       }
    }
    
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    (1) :任务必须是一个死循环。
    (2) :任务里面的延时函数必须使用 FreeRTOS 里面提供的延时函数 vTaskDelay()
    调用 vTaskDelay() 函数的时候,当前任务进入阻塞状态,调度器会切换到其它就绪的任务,从而实现多任务。

    2.3 定义 任务控制块 指针

    任务控制块 (TCB) 是在任务创建的时候分配内存空间创建,任务创建函数会返回一个指针,用于指向 任务控制块,所以要预先为任务栈定义一个任务控制块指针,也就是 任务句柄

    任务句柄的数据类型为 TaskHandle_t,在 task.h 中定义,实际上就是一个 空指针,具体实现见代码清单:

     /* 任务句柄 */
     typedef void * TaskHandle_t;
    
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    定义任务句柄:

    /**************************** 任务句柄 ********************************/
     /*
     * 任务句柄是一个指针,用于指向一个任务,当任务创建好之后,它就具有了一个任务句柄
     * 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄,如果是自身的任务操作自己,那么
     * 这个句柄可以为 NULL。
     */
     static  TaskHandle_t  AppTaskCreate_Handle  =  NULL;	/* 创建任务句柄 */
     static  TaskHandle_t  LED1_Task_Handle  	=  NULL;	/* LED1 任务句柄 */
     static  TaskHandle_t  LED2_Task_Handle  	=  NULL;	/* LED2 任务句柄 */
    
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    2.4 动态创建任务 xTaskCreate()

    使用动态内存的时候,使用 xTaskCreate() 函数来创建一个任务。

     	/* 创建 AppTaskCreate 任务 */
     	xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, /* 任务入口函数 */	   	(1)
     						(const char* )"AppTaskCreate", 	/* 任务名字 */	       	(2)
     						(uint16_t )512, 				/* 任务栈大小 */			(3)
     						(void* )NULL,					/* 任务入口函数参数 */	(4)
     						(UBaseType_t )1, 				/* 任务的优先级 */	 	(5)
     						(TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle); /* 任务控制块 指针 */ (6)
     	/* 启动任务调度 */
     	if (pdPASS == xReturn)
     		vTaskStartScheduler(); /* 启动任务,开启调度 */
    
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    (1) :任务入口函数,即任务函数的名称。(用户自定义,用于创建任务)
    (2) :任务名字,字符串形式, 最大长度由 FreeRTOSConfig .h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定,多余部分会被自动截掉,这里任务名字最好要与 任务函数入口名字一致,方便进行调试。
    (3) :任务堆栈大小,单位为字,在32位的处理器下,一个字等于4个字节,那么任务大小就为 512*4 = 2048 字节。
    (4) :任务入口函数形参,不用的时候配置为 0 或者 NULL即可。
    (5) :任务的优先级。 优先级范围根据 FreeRTOSConfig .h 中的宏 configMAX_PRIORITIES 决定:

    1. 如果使能 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 这个宏定义,则最多支持 32 个优先级;
    2. 如果不用特殊方法查找下一个运行的任务,那么则不强制要求限制最大可用优先级数目。

    在 FreeRTOS 中,数值越大 优先级越高,0代表最低优先级

    (6) :任务控制块 指针。 在使用动态内存的时候,任务创建函数 xTaskCreate() 会返回一个指针 指向 任务控制块,该任务控制块是 xTaskCreate() 函数里面动态分配的一块内存。

    任务创建好后,是处于 任务就绪 (ready),在就绪态的任务可以参与操作系统的调度。

    说明
    为了方便管理,任务的创建都通过 AppTaskCreate() 任务创建函数来执行:

     static void AppTaskCreate(void)
     {
     	BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值,默认为 pdPASS */
     
     	taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
     
     	/* 创建 LED1_Task 任务 */
     	xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, 	/* 任务入口函数 */
     				(const char* )"LED1_Task", 				/* 任务名字 */
    				(uint16_t )512, 						/* 任务栈大小 */
     				(void* )NULL,  							/* 任务入口函数参数 */
     				(UBaseType_t )2, 						/* 任务的优先级 */
     				(TaskHandle_t* )&LED1_Task_Handle);		/* 任务控制块指针 */
       
       	if (pdPASS == xReturn)
    		printf("创建 LED1_Task 任务成功!\r\n");
     
     	/* 创建 LED2_Task 任务 */
     	xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, 	/* 任务入口函数 */
     				(const char* )"LED2_Task",				/* 任务名字 */
    				(uint16_t )512, 						/* 任务栈大小 */
     				(void* )NULL,  							/* 任务入口函数参数 */
     				(UBaseType_t )3, 						/* 任务的优先级 */
     				(TaskHandle_t* )&LED2_Task_Handle);		/* 任务控制块指针 */
       
       	if (pdPASS == xReturn)
    		printf("创建 LED2_Task 任务成功!\r\n");
       
     	vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除 AppTaskCreate 任务
     
     	taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
     }
    
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    2.5 启动任务 vTaskStartScheduler()

    在创建完任务的时候,我们需要 开启调度器,因为创建仅仅是把任务添加到系统中,还没真正调度,并且空闲任务也没实现,定时器任务也没实现,这些都是在开启调度函数 vTaskStartScheduler() 中实现的。

    任务调度器只启动一次,之后就不会再次执行了。从此,任务管理都由 FreeRTOS 管理,此时是真正进入 实时操作系统

     /*****************************************************************
     * @brief 主函数
     * @param 无
     * @retval 无
     * @note 第一步:开发板硬件初始化
     第二步:创建 APP 应用任务
     第三步:启动 FreeRTOS,开始多任务调度
     ****************************************************************/
     int main(void)
     {
         BaseType_t xReturn = pdPASS;	/* 定义一个创建信息返回值,默认为 pdPASS */
    
         /* 第1步 开发板硬件初始化 */
         BSP_Init();
    
    	 /* 第2步 创建 AppTaskCreate 任务 */
     	xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, /* 任务入口函数 */		(1)
     						(const char* )"AppTaskCreate", 	/* 任务名字 */			(2)
     						(uint16_t )512, 				/* 任务栈大小 */  		(3)
     						(void* )NULL,					/* 任务入口函数参数 */ 	(4)
     						(UBaseType_t )1, 				/* 任务的优先级 */  		(5)
     						(TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle); /* 任务控制块指针 */ (6)
    
         /* 第3步 启动任务调度 */
         if (pdPASS == xReturn)
       		 vTaskStartScheduler(); /* 启动任务,开启调度 */
         else
       		 return -1;
    
         while (1); /* 正常不会执行到这里 */
     }  
    
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    3、常用的任务函数

    3.1 任务挂起 vTaskSuspend()

    任务可以通过调用 vTaskSuspend() 函数都可以将处于任何状态的任务挂起,被挂起的任务得不到 CPU 的使用权,也不会参与调度,它相对于调度器而言是不可见的,除非它从挂起态中解除。

    注:任务可以调用 vTaskSuspend() 这个函数来挂起任务自身,但是在挂起自身的时候会进行一次任务上下文切换,需要 挂起自身就将 xTaskToSuspend 设置为 NULL 传递进来即可。
    无论任务是什么状态都可以被挂起,只要调用了 vTaskSuspend() 这个函数就会挂起成功,不论是挂起其他任务还是挂起任务自身。

    代码示例:

     static TaskHandle_t LED_Task_Handle = NULL;	/*LED任务句柄*/
     
     static void KEY_Task(void* parameter)
     {
         while (1) {
             if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON ) {
                 /*K1被按下*/
                 printf("挂起 LED 任务!\n");
                 vTaskSuspend(LED_Task_Handle);	/*挂起LED任务*/
             }
             vTaskDelay(20);			/*延时20个tick*/
         }
     }
    
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    3.2 任务恢复 vTaskResume()

    任务恢复 就是让挂起的任务 重新进入就绪状态,恢复的任务会保留挂起前 的状态信息,在恢复的时候 根据挂起时的状态,继续运行。
    如果被恢复任务在所有就绪态任务中,处于最高优先级列表的第一位,那么系统将进行任务上下文的切换。

    代码示例:

    static TaskHandle_t LED_Task_Handle = NULL;		/* LED  任务句柄 */
     
    static void KEY_Task(void* parameter)
    {
       while (1) {
           if ( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON ) {
               /* K2 被按下 */
               printf("恢复 LED 任务!\n");
               vTaskResume(LED_Task_Handle);	/* 恢复LED任务!*/
           }
           vTaskDelay(20);				/* 延时20个tick */
       }
    }
    
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    3.3 任务删除 vTaskDelete()

    vTaskDelete() 用于删除一个任务。
    (1) 当一个任务 删除另外一个任务时,形参为 要删除任务 创建时返回的任务句柄;
    (2) 如果是删除自身, 则形参为 NULL。

    要想使用该函数必须在 FreeRTOSConfig.h 中把 INCLUDE_vTaskDelete 定义为 1,删除的任务将从所有 就绪,阻塞,挂起和事件列表中删除。

    代码示例:

    
    /*  删除任务本身 */
    vTaskDelete( NULL );
    
    /*  在其他任务删除 DeleteTask 任务 */
    vTaskDelete( DeleteHandle );
    
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    3.4 阻塞延时函数

    3.4.1 相对延时函数 vTaskDelay()

    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。延时的时长由形参 xTicksToDelay 决定,单位为系统节拍周期, 比如系统的时钟节拍周期为 1ms,那么调用 vTaskDelay(1) 的延时时间则为 1ms。

    vTaskDelay() 延时是相对性的延时,它指定的延时时间是从调用 vTaskDelay() 结束后开始计算的,经过指定的时间后延时结束。
    比如 vTaskDelay(100), 从调用 vTaskDelay() 结束后,任务进入阻塞状态,经过 100 个系统时钟节拍周期后,任务解除阻塞。因此,vTaskDelay() 并不适用与周期性执行任务的场合。此外,其它任务和中断活动,也会影响到 vTaskDelay() 的调用(比如调用前,高优先级任务抢占了当前任务),进而影响到任务的下一次执行的时间。

    任务的延时在实际中运用特别多,因为需要暂停一个任务,让任务放弃 CPU,延时结束后再继续运行该任务,如果任务中没有阻塞的话,比该任务优先级低的任务 则无法得到CPU的使用权,就无法运行。

    代码示例:

    void vTaskA( void * pvParameters )
     {
         while (1) {
           // ...
           // 这里为任务主体代码
           // ...
    
           /*  调用相对延时函数, 阻塞 1000 个 个 tick */
           vTaskDelay( 1000 );
         }
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    3.4.2 绝对延时函数 vTaskDelayUntil()

    在 FreeRTOS 中,除了相对延时函数,还有绝对延时函数 vTaskDelayUntil(),这个绝对延时常用于较精确周期运行任务,比如我有一个任务,希望它以 固定频率定期执行,而不受外部的影响,任务从上一次运行开始到下一次运行开始的时间间隔是绝对的,而不是相对的。

    函数原型:

    void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement );
    
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    代码实例:

    void vTaskA( void * pvParameters )
     {
       /*  用于保存上次时间。调用后系统自动更新 */
       static portTickType PreviousWakeTime;
       /*  设置延时时间,将时间转为节拍数 */
       const portTickType TimeIncrement = pdMS_TO_TICKS(1000);
    
       /*  获取当前系统时间 */
       PreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
    
       while (1) {
         /*  调用绝对延时函数, 任务时间间隔为 1000 个 个 tick */
         vTaskDelayUntil( &PreviousWakeTime ,TimeIncrement );
    
         // ...
         // 这里为任务主体代码
         // ...
       }
    }
    
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    注意:在使用的时候要将延时时间转化为系统节拍,在任务主体之前要调用延时函数。
    任务会先调用 vTaskDelayUntil() 使任务进入 阻塞态,等到时间到了就从阻塞中解除,然后执行主体代码,任务主体代码执行完毕。会继续调用 vTaskDelayUntil() 使任务进入阻塞态,然后就是循环这样子执行。

    即使任务在执行过程中发生中断,那么也不会影响这个任务的运行周期,仅仅是缩短了阻塞的时间而已,到了要唤醒的时间依旧会将任务唤醒。

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/Hongwei_1990/article/details/126695228