FreeRTOS(中断时间片任务API)
五、FreeRTOS的任务恢复与挂起
5.1 任务挂起与恢复的API函数
5.1.1 任务挂起函数
void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend )
- xTaskToSuspend:待挂起任务的任务句柄,为NULL表示挂起任务自身。
- 需将宏INCLUDE_vTaskSuspend配置为 1。
5.1.2 任务恢复函数
void vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToResume )
- INCLUDE_vTaskSuspend必须定义为 1。
- 不论任务被使用 vTaskSuspend() 挂起多少次,只需调用 vTaskResume() 一次,即可使其继续执行。被恢复的任务会重新进入就绪状态。
5.1.3 任务恢复函数(中断中恢复)
1)函数说明
BaseType_t xTaskResumeFromISR( TaskHandle_t xTaskToResume )
返回值如下:
- pdTRUE:任务恢复后需要进行任务切换。
- pdFALSE:任务恢复后不需要进行任务切换。
2)注意事项
- INCLUDE_vTaskSuspend 和 INCLUDE_xTaskResumeFromISR 必须定义为 1。
- 在中断服务程序中调用FreeRTOS的API函数时,中断的优先级不能高于FreeRTOS所管理的最高中断优先级。
5.1.4 挂起与恢复调度器
- vTaskSuspendAll():挂起任务调度器,调度器不会进行任务切换,当前任务一直运行。
- xTaskResumeAll():恢复任务调度器,调度器继续任务切换。
5.1.5 查看任务状态
/* 开启跟踪task信息 */
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
void vTaskList( char * pcWriteBuffer )
名称 状态 优先级 堆栈使用 任务编号
'X'(运行) 'B'(阻塞)、'R'(就绪)、'S'(挂起\暂停)或 'D'(删除)
示例函数:
/**
* @description: 判断按键按下逻辑,KEY1按下,挂起task1,按下KEY2在任务中恢复task1,KEY3按下,挂起调度器,KEY4按下,恢复调度器,并打印任务的状态
* @param {void} *pvParameters
* @return {*}
*/
char task_info[500]; //定义一个字符数组,用于接收任务信息字符串
void task3(void *pvParameters)
{
uint8_t key = 0;
while (1)
{
printf("task3运行...\r\n");
key = Key_Detect();
if (key == KEY1_PRESS)
{
/* key1按下,挂起task1 */
printf(">>>>挂起task1....\r\n");
vTaskSuspend(task1_handle);
}
else if (key == KEY2_PRESS)
{
/* key2按下,恢复task1 */
printf(">>>>恢复task1....\r\n");
vTaskResume(task1_handle);
}
else if (key == KEY3_PRESS)
{
/* key3按下,挂起调度器 */
printf("<<<<挂起调度器....\r\n");
vTaskSuspendAll();
}
else if (key == KEY4_PRESS)
{
/* key4按下,恢复调度器 */
printf("<<<<恢复调度器....\r\n");
xTaskResumeAll();
}
/* 打印任务的状态 */
vTaskList(task_info);
printf("%s\r\n",task_info);
vTaskDelay(500);
}
}
六、中断处理
6.1 FreeRTOS中断
6.1.1 FreeRTOS的中断管理
在STM32中,中断优先级是通过中断优先级配置寄存器的高4位 [7:4] 来配置的。因此STM32支持最多16级中断优先级,其中数值越小表示优先级越高,即更紧急的中断。(FreeRTOS任务调度的任务优先级相反,是数值越大越优先)
FreeRTOS可以与STM32原生的中断机制结合使用,但它提供了自己的中断管理机制,主要是为了提供更强大和灵活的任务调度和管理功能。
FreeRTOS中,将PendSV和SysTick设置最低中断优先级(数值最大,15),保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应。
FreeRTOS利用BASEPRI寄存器实现中断管理,屏蔽优先级低于某一个阈值的中断。比如: BASEPRI设置为0x50(只看高四位,也就是5),代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽,0~4的中断优先级正常执行。
在中断服务函数中调用FreeRTOS的API函数需注意:
- 中断服务函数的优先级需在FreeRTOS所管理的范围内,阈值由configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY指定。
- 建议将所有优先级位指定为抢占优先级位,方便FreeRTOS管理。
- 在中断服务函数里边需调用FreeRTOS的API函数,必须使用带“FromISR”后缀的函数。
6.1.2 FreeRTOS的开关中断
FreeRTOS 开关中断函数其实是宏定义,在 portmacro.h 中有定义,如下:
#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI( 0 )
- 调用portENABLE_INTERRUPTS() 它, FreeRTOS会打开管理的所有中断
- 调用portDISABLE_INTERRUPTS() 它, FreeRTOS会关闭管理的所有中断
6.1.3 FreeRTOS的临界段代码
临界段代码,又称为临界区,指的是那些必须在不被打断的情况下完整运行的代码段。例如,某些外设的初始化可能要求严格的时序,因此在初始化过程中不允许被中断打断。在FreeRTOS中,进入临界段代码时需要关闭中断,在处理完临界段代码后再重新开启中断。FreeRTOS系统本身包含许多临界段代码,并对其进行了保护。在编写用户程序时,有些情况下也需要添加临界段代码以确保代码的完整性。
与临界段代码保护有关的函数有 4 个:
- taskENTER_CRITICAL() :进入临界段。
- taskEXIT_CRITICAL() :退出临界段。
- taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() :进入临界段(中断级)。
- taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR():退出临界段(中断级)。
进入和退出临界段是成对使用的。每进入一次临界段,全局变量uxCriticalNesting都会加一,每调用一次退出临界段,uxCriticalNesting减一,只有当 uxCriticalNesting 为 0 的时候才会调用函数 portENABLE_INTERRUPTS()使能中断。这确保了在存在多个临界段代码的情况下,不会因为某个临界段代码的退出而破坏其他临界段的保护。只有当所有的临界段代码都退出时,中断才会被重新使能。
6.1.4 挂起和恢复任务调度器
挂起和恢复任务调度器, 调用此函数不需要关闭中断:
- vTaskSuspendAll():挂起任务调度器。
- xTaskResumeAll():恢复任务调度器。
与临界区不同的是,挂起任务调度器时未关闭中断;这种方式仅仅防止了任务之间的资源争夺,中断仍然可以直接响应;挂起调度器的方法适用于临界区位于任务与任务之间的情况;这样既不需要延迟中断,同时又能确保临界区的安全性。
6.2 中断实验
1.目标:
学会FreeRTOS中断管理:
- 设置管理的优先级范围:5~15。
- 使用两个定时器,一个优先级为4,一个优先级为6。
- 两个定时器每1s,打印一段字符串。
- task1:按下KEY1,关中断,按下KEY2,开中断。
观察两个定时器的打印情况。
2.添加定时器
添加完定时器,重新注释掉stm32f1xx_it.c的SVC_Handler和PendSV_Handler函数。
3.示例代码:
注意:关于延迟函数:使用HAL_Delay前提:HAL时钟修改成其他定时器,并且中断优先级高于freertos的管理范围
//#main.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM2)
{
printf("TIM2优先级为4,运行中...\r\n");
}
else if(htim->Instance == TIM3)
{
printf("TIM3优先级为6,运行中...\r\n");
}
}
/* USER CODE END 0 */
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
/* USER CODE END 2 */
//#FreeRTOSConfig.h
/*3. 中断嵌套行为相关配置 cm3内核:我们要求4个优先级位全部为抢占优先级位
最高优先级是 0
最低优先级是 15
*/
/* 设置 RTOS 内核自身使用的中断优先级。 一般设置为最低优先级, 不至于屏蔽其他优先级程序*/
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY (15 << 4)
/* 设置了 调用中断安全的 FreeRTOS API 函数的最高中断优先级。 FreeRTOS 的管理的最高优先级 */
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (5 << 4)
/* 同上. 仅用于新版移植。 这两者是等效的。 */
#define configMAX_API_CALL_INTERRUPT_PRIORITY configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
//#freertos_demo.c
//1.任务配置
/* 启动任务函数 */
#define START_TASK_PRIORITY 1
#define START_TASK_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t start_task_handler;
void Start_Task(void *pvParameters);
/* Task1 任务 配置 */
#define TASK1_PRIORITY 2
#define TASK1_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t task1_handler;
void Task1(void *pvParameters);
//2.入口函数
/**
* @description: FreeRTOS入口函数:创建任务函数并开始调度
* @return {*}
*/
void FreeRTOS_Start(void)
{
xTaskCreate((TaskFunction_t)Start_Task,
(char *)"Start_Task",
(configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&start_task_handler);
vTaskStartScheduler();
}
//3.初始任务函数
void Start_Task(void *pvParameters)
{
taskENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区 */
xTaskCreate((TaskFunction_t)Task1,
(char *)"Task1",
(configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)TASK1_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&task1_handler);
vTaskDelete(NULL);
taskEXIT_CRITICAL(); /* 退出临界区 */
}
//4.4)task1任务函数
/**
* @description: 开关中断
* @param {void *} pvParameters
* @return {*}
*/
void Task1(void *pvParameters)
{
uint8_t key = 0;
while (1)
{
key = Key_Detect();
if (key == KEY1_PRESS)
{
/* 关中断 */
printf(">>>>关中断.....\r\n");
portDISABLE_INTERRUPTS();
}
else if (key == KEY2_PRESS)
{
/* 开中断 */
printf(">>>>开中断.....\r\n");
portENABLE_INTERRUPTS();
}
/* 为了观察实验现象,不要调用freertos的延时函数,底层会去开关中断,影响现象 */
// vTaskDelay(500);
/* 使用HAL_Delay前提:HAL时钟修改成其他定时器,并且中断优先级高于freertos的管理范围 */
HAL_Delay(500);
}
}
七、 FreeRTOS时间片调度
7.1 时间片调度
在FreeRTOS中,同等优先级的任务会轮流分享相同的CPU时间,这个时间被称为时间片。在这里,一个时间片的长度等同于SysTick中断的周期。
7.2 时间片调度实验演示(掌握)
- start_task:用来创建其他的2个任务。
- task1:通过串口打印task1的运行次数,设置任务优先级为2。
- task2:通过串口打印task2的运行次数,设置任务优先级为2。
为了更好观察现象,滴答定时器的中断频率设置为50ms中断一次(一个时间片)。
(1000/20)ms
FreeRTOSConfig.h代码
#define configUSE_TIME_SLICING 1
#define configUSE_PREEMPTION 1
#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 20 )
freertos_demo.c代码清单
//1.任务配置
/* 启动任务函数 */
#define START_TASK_PRIORITY 1
#define START_TASK_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t start_task_handler;
void Start_Task(void *pvParameters);
/* Task1 任务 配置 */
#define TASK1_PRIORITY 2
#define TASK1_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t task1_handler;
void Task1(void *pvParameters);
/* Task2 任务 配置 */
#define TASK2_PRIORITY 2
#define TASK2_STACK_DEPTH 128
TaskHandle_t task2_handler;
void Task2(void *pvParameters);
//2.入口函数
/**
* @description: FreeRTOS入口函数:创建任务函数并开始调度
* @return {*}
*/
void FreeRTOS_Start(void)
{
xTaskCreate((TaskFunction_t)Start_Task,
(char *)"Start_Task",
(configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK_DEPTH,
(void *)NULL,
(UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
(TaskHandle_t *)&start_task_handler);
vTaskStartScheduler();
}
//3.初始任务函数
void Start_Task( void * pvParameters )
{
taskENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区 */
xTaskCreate((TaskFunction_t ) Task1,
(char * ) "Task1",
(configSTACK_DEPTH_TYPE ) TASK1_STACK_DEPTH,
(void * ) NULL,
(UBaseType_t ) TASK1_PRIORITY,
(TaskHandle_t * ) &task1_handler );
xTaskCreate((TaskFunction_t ) Task2,
(char * ) "Task2",
(configSTACK_DEPTH_TYPE ) TASK2_STACK_DEPTH,
(void * ) NULL,
(UBaseType_t ) TASK2_PRIORITY,
(TaskHandle_t * ) &task2_handler );
vTaskDelete(NULL);
taskEXIT_CRITICAL(); /* 退出临界区 */
}
//4.task1任务函数
/**
* @description: 打印任务1执行次数
* @param {void *} pvParameters
* @return {*}
*/
void Task1(void * pvParameters)
{
uint16_t task1_count=0;
while(1)
{
/* 临界区避免printf执行一半被打断 */
taskENTER_CRITICAL();
printf("task1运行次数=%d..\r\n",++task1_count);
// vTaskDelay(500); //为了观察时间片调度,不使用freertos的延时函数
HAL_Delay(10); // 使用该延时的前提:HAL时钟修改成其他定时器,并且中断优先级较高
taskEXIT_CRITICAL();
}
}
//task2任务函数
/**
* @description: 打印任务2执行次数
* @param {void *} pvParameters
* @return {*}
*/
void Task2(void * pvParameters)
{
uint16_t task2_count=0;
while(1)
{
/* 临界区避免printf执行一半被打断 */
taskENTER_CRITICAL();
printf("task2运行次数=%d..\r\n",++task2_count);
// vTaskDelay(500); //为了观察时间片调度,不使用freertos的延时函数
HAL_Delay(10); // 使用该延时的前提:HAL时钟修改成其他定时器,并且中断优先级较高
taskEXIT_CRITICAL();
}
}
八、FreeRTOS任务相关API函数
8.1 FreeRTOS任务相关API函数介绍
任务相关的API主要如下:
函数 |
描述 |
uxTaskPriorityGet() |
获取任务优先级 |
vTaskPrioritySet() |
设置任务优先级 |
uxTaskGetNumberOfTasks() |
获取系统中任务的数量 |
uxTaskGetSystemState() |
获取所有任务状态信息 |
vTaskGetInfo() |
获取指定单个的任务信息 |
xTaskGetCurrentTaskHandle() |
获取当前任务的任务句柄 |
xTaskGetHandle() |
根据任务名获取该任务的任务句柄 |
uxTaskGetStackHighWaterMark() |
获取任务的任务栈历史剩余最小值 |
eTaskGetState() |
获取任务状态 |
vTaskList() |
以“表格”形式获取所有任务的信息 |
vTaskGetRunTimeStats() |
获取任务的运行时间 |
官网:任务实用程序 - FreeRTOS™
8.2 任务状态查询API函数实验
使用 FreeRTOS 任务状态查询相关 API 函数:
- start_task:用来创建其他的2个任务。
- task1:LED1每500ms闪烁一次,提示程序正在运行。
- task2:用于展示任务状态查询相关API函数的使用。
- FreeRTOSConfig.h代码清单
#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState