STM32Cube-FreeRTOS任务调度与任务管理-笔记

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一、任务调度机制

1.1 调度算法类型

FreeRTOS支持两种调度算法：

1. 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

   • 特点：高优先级任务可抢占低优先级任务的CPU使用权。
   • 时间片轮转：
     • 启用时间片：相同优先级任务间按时间片（默认1ms）轮转。
     • 禁用时间片：仅在更高优先级任务就绪或当前任务主动让出CPU时切换。
   • 配置方式：在STM32CubeMX中设置 USE_PREEMPTION 为 Enable。
     

2. 合作式调度（Cooperative Scheduling）

   • 特点：任务需主动让出CPU（如调用 taskYIELD()），否则不会被抢占。
   • 配置方式：在STM32CubeMX中设置 USE_PREEMPTION 为 Disable。

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二、抢占式调度实现与分析

2.1 时间片轮转机制

• 基础时钟（Tick）：

  • FreeRTOS基础时钟的一个定时周期称为一个时间片(timeslice)，默认值为1ms。当使用时间片时，在基础时钟的每次中断里会要求进行一次上下文切换(contextswitching)，函数xPortSysTickHandler()就是SysTick定时中断的处理函数。
  • 时间片长度可通过 configTICK_RATE_HZ 宏调整（如设置为100Hz即10ms/次）。

• 中断优先级配置：
  

  • 优先级分组：默认将全部4位用于抢占优先级（如 configPRIO_BITS=4），系统中断优先级设为最低（15），确保RTOS任务优先级高于中断。

2.2 调度触发条件

• 使用时间片时：
  • 每个时间片（默认1ms）触发一次任务切换。
• 不使用时间片时：
  • 仅在以下情况切换任务：
    1. 更高优先级任务进入就绪态。
    2. 当前任务进入阻塞态或挂起态。
  • 优点：减少上下文切换频率，降低CPU负担。
  • 缺点：同优先级任务可能因时间分配不均导致不公平。

2.3 抢占式调度例子

这张图可以说明带时间片的抢占式任务优先级的特点。

假设task2具有高优先级，task1具有正常优先级，且这两个任务的优先级都高于空闲任务的优先级。那么首先T1时刻是空闲任务在运行，在这一段时间里面系统里面没有其他任务处于就绪状态。在T2时刻进行了调度，task一抢占CPU开始运行，这是因为task1的优先级高于空闲任务。我们在task 3时刻，task1就进入了阻塞态，就让出了CPU的使用权。空闲任务又进入了运行状态。

在T4时刻task1又进入了运行态，在T5时刻更高优先级的task2抢占了CPU的运行。那么这个时候，task1就进入了就绪态，在T6时刻task2进入了阻塞状态，让出了CPU使用权。那么task1就可以从就绪态变为运行态。在T7时刻task一进入了阻塞状态，主动让出了CPU使用权，空闲任务就又进入了运行状态。

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三、合作式调度实现

3.1 核心逻辑

• 特点：
  • 使用合作式任务调度方法时，FreeRTOS不主动进行上下文切换，而是运行状态的任务进入阻塞状态，或显式地调用taskYIELD()函数让出CPU使用权时才进行上下文切换。
  • 任务不会发生抢占，所以也不使用时间片，函数taskYIELD()的作用就是主动申请进行一次上下文切换
• 典型场景：
  • 需精确控制任务执行顺序（如调试阶段）。
  • 任务间无优先级差异，需按需轮询。

3.1 合作式调度例子

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四、任务管理函数详解

4.1 任务创建

4.1.1 动态创建任务

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,      // 任务函数指针const char * const pcName,      // 任务名称（调试用）configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 栈大小（单位：字）void * const pvParameters,      // 任务参数UBaseType_t uxPriority,         // 优先级（数值越小优先级越低）TaskHandle_t * const pxCreatedTask // 返回任务句柄
);

• 特点：RTOS自动分配栈和TCB空间。

4.1.2 静态创建任务（手动分配资源）

TaskHandle_t xTaskCreateStatic(TaskFunction_t pxTaskCode,      // 任务函数指针const char * const pcName,      // 任务名称const uint32_t ulStackDepth,    // 栈大小（单位：字）void * const pvParameters,      // 任务参数UBaseType_t uxPriority,         // 优先级StackType_t * const puxStackBuffer, // 静态分配的栈空间StaticTask_t * const pxTaskBuffer // 静态分配的任务控制块
);

• 特点：适用于内存有限的场景，需手动分配栈和TCB空间。

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4.2 任务删除

void vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

• 功能：
  • 删除指定任务（传入 NULL 表示删除自身）。
  • 自动释放RTOS分配的栈和TCB，但需手动释放任务内动态分配的内存。
  • 需要说明该函数它需要传入的参数是需要删除的任务的句柄。但需要注意，如果要删除的是任务，自己必须在跳出任务死循环之后，在退出任务函数之前执行vTaskDelete删除任务时，自动释放系统自动分配的内存，如动态分配的占空间和任务控制块。但是在任务内，用户自己分配的内存需要在删除任务之前手工释放。

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4.3 挂起与恢复任务

4.3.1 挂起任务

void vTaskSuspend(TaskHandle_t xTaskToSuspend);

• 功能：
  • 挂起指定任务（传入 NULL 表示挂起自身）。
  • 挂起的任务不参与调度，需其他任务调用 vTaskResume() 恢复。

4.3.2 恢复任务

void vTaskResume(TaskHandle_t xTaskToResume);

• 功能：
  • 恢复被挂起的任务，使其进入就绪态。
  • 注意：只能在其他任务中调用（不可恢复自身）。

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4.4 调度器控制

4.4.1 开启调度器

void vTaskStartScheduler();

• 功能：启动RTOS调度器，开始任务调度。

4.4.2 暂停调度器

void vTaskSuspendAll();

• 功能：暂停所有任务调度，进入临界区。

4.4.3 恢复调度器

BaseType_t xTaskResumeAll();

• 功能：恢复调度器并返回暂停前的就绪任务状态。

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4.5 延时与阻塞

4.5.1 基础延时

void vTaskDelay(TickType_t xTicksToDelay);

• 功能：将任务阻塞指定Tick数（如 vTaskDelay(100) 阻塞100ms）。

4.5.2 周期性精确延时

BaseType_t xTaskDelayUntil(TickType_t * const pxPreviousWakeTime, // 上次唤醒时间const TickType_t xTimeIncrement        // 周期间隔（单位：Tick）
);

• 功能：用于周期性任务，确保任务以固定间隔执行。

4.5.3 终止延时

void vTaskDelayUntil( /* ... */ );

• 功能：可配合 xTaskDelayUntil() 实现精确周期任务。

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4.6 时间相关函数

4.6.1 获取当前Tick值

TickType_t xTaskGetTickCount();

• 功能：返回自系统启动以来的Tick总数。

4.6.2 终止任务延时

BaseType_t xTaskCheckForTimeOut( /* ... */ );

• 功能：检查任务是否超时，用于手动处理延时逻辑。

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五、配置与优化建议

5.1 调度算法选择

• 抢占式调度：
  • 适用场景：实时性要求高的系统（如工业控制）。
  • 配置：STM32CubeMX中启用 USE_PREEMPTION。
• 合作式调度：
  • 适用场景：资源受限或需严格控制任务切换的场景。

5.2 优先级与时间片配置

• 优先级分组：
  • 通过 configPRIO_BITS 宏配置抢占优先级与子优先级分配（如 configPRIO_BITS=4 表示4位抢占优先级）。
• 时间片调整：
  • 通过 configTICK_RATE_HZ 修改Tick频率（如设置为100Hz降低中断频率）。

5.3 低功耗优化

• Tickless模式：
  • 配置 configUSE_TICKLESS_IDLE=1，在空闲时关闭SysTick，降低功耗。

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六、常见问题与注意事项

1. 任务栈大小：
   • 动态任务需合理设置栈大小，避免栈溢出。
   • 静态任务需手动分配足够内存。
2. 内存管理：
   • 删除任务前需手动释放动态分配的内存。
3. 中断优先级：
   • 确保RTOS任务优先级低于系统中断（如 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）。

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