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FreeRTOS的学习记录（任务创建，任务挂起）

news 来源：原创 2025/5/18 10:12:00

一、任务创建

1动态创建

1. 配置 FreeRTOS 堆内存

首先需要在FreeRTOSConfig.h中配置堆内存大小：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE (10 * 1024)  // 分配10KB堆内存

FreeRTOS 提供了 5 种堆内存管理方案（heap_1.c~heap_5.c），默认使用heap_4.c，它支持内存块的分配和释放，且能避免内存碎片。

2. 定义任务函数

定义一个符合 FreeRTOS 要求的任务函数：

void vTaskFunction(void *pvParameters)
{// 任务的执行代码for( ;; ){// 任务主体vTaskDelay(1000); // 延时1秒}
}

3. 动态创建任务

使用xTaskCreate()函数创建任务：

TaskHandle_t xTaskHandle = NULL;// 动态创建任务
BaseType_t xReturned = xTaskCreate(vTaskFunction,        // 任务函数"MyTask",             // 任务名称128,                  // 任务栈大小（以字为单位，不是字节）NULL,                 // 传递给任务的参数tskIDLE_PRIORITY,     // 任务优先级&xTaskHandle          // 任务句柄（用于后续操作任务）
);// 检查任务是否创建成功
if (xReturned == pdPASS) {printf("任务创建成功\n");
} else {printf("任务创建失败，原因：堆内存不足或参数错误\n");
}

4. 启动调度器

所有任务创建完成后启动调度器：

vTaskStartScheduler();

2静态任务创建 （空闲任务内存分配是必须的，定时器是可选的）

1. 配置FreeRTOSConfig.h

在工程中修改FreeRTOSConfig.h文件，启用静态内存分配：

#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1 // 启用静态分配 
#define configUSE_TIMERS 0 // 如果不用软件定时器可关闭 
#define configMAX_PRIORITIES 5 // 根据需求调整优先级数量#define configUSE_TIMERS                1       // 启用软件定时器功能
#define configTIMER_TASK_PRIORITY       (tskIDLE_PRIORITY + 1)  // 定时器任务优先级
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH        10      // 定时器命令队列长度
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH    (configMINIMAL_STACK_SIZE * 2)  // 定时器任务栈大小

2. 实现内存回调函数

在main.c中添加以下函数，为FreeRTOS的空闲任务和定时器任务分配静态内存：

// 空闲任务静态内存
static StaticTask_t xIdleTaskTCBBuffer;
static StackType_t xIdleStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];// 定时器任务静态内存（如果启用）
#if configUSE_TIMERS == 1
static StaticTask_t xTimerTaskTCBBuffer;
static StackType_t xTimerStack[configTIMER_TASK_STACK_DEPTH];
#endif// 回调函数实现
void vApplicationGetIdleTaskMemory(StaticTask_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,uint32_t *pulIdleTaskStackSize) {*ppxIdleTaskTCBBuffer = &xIdleTaskTCBBuffer;*ppxIdleTaskStackBuffer = xIdleStack;*pulIdleTaskStackSize = configMINIMAL_STACK_SIZE;
}#if configUSE_TIMERS == 1
void vApplicationGetTimerTaskMemory(StaticTask_t **ppxTimerTaskTCBBuffer,StackType_t **ppxTimerTaskStackBuffer,uint32_t *pulTimerTaskStackSize) {*ppxTimerTaskTCBBuffer = &xTimerTaskTCBBuffer;*ppxTimerTaskStackBuffer = xTimerStack;*pulTimerTaskStackSize = configTIMER_TASK_STACK_DEPTH;
}
#endif

3. 定义任务栈和TCB

在全局区域定义任务的栈和任务控制块（TCB）：

// 任务栈和TCB
#define TASK_STACK_SIZE 128
StaticTask_t xTaskTCB;
StackType_t xTaskStack[TASK_STACK_SIZE];

4. 编写任务函数

实现任务逻辑（例如LED闪烁）：

void vTaskFunction(void *pvParameters) {(void)pvParameters;for (;;) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); // 示例：控制PA5引脚vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));}
}

5. 创建静态任务

在main()函数中创建任务并启动调度器：

int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config(); // 配置系统时钟（例如72MHz）MX_GPIO_Init();       // 初始化GPIO// 创建静态任务TaskHandle_t xTaskHandle = xTaskCreateStatic(vTaskFunction,           // 任务函数"StaticTask",            // 任务名称TASK_STACK_SIZE,         // 栈大小NULL,                    // 参数tskIDLE_PRIORITY + 1,    // 优先级xTaskStack,              // 栈数组&xTaskTCB                // TCB结构体);if (xTaskHandle != NULL) {vTaskStartScheduler(); // 启动调度器}while (1); // 调度器启动后不应执行到这里
}

6.创建静态定时器

#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"// 为定时器控制块提供内存
StaticTimer_t xTimerBuffer;  // 用于静态创建定时器// 定时器回调函数（禁止调用会阻塞的API）
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
{// 定时器到期时执行的代码static uint32_t ulCount = 0;ulCount++;printf("定时器触发次数: %lu\n", ulCount);
}// 静态创建并启动定时器
void vSetupStaticTimer(void)
{TimerHandle_t xTimer = NULL;// 静态创建一个周期性定时器（自动重载模式）xTimer = xTimerCreateStatic("MyStaticTimer",      // 定时器名称pdMS_TO_TICKS(1000),  // 定时器周期（1000ms）pdTRUE,               // pdTRUE=自动重载，pdFALSE=单次触发(void*)0,             // 定时器ID（用户定义）vTimerCallback,       // 回调函数&xTimerBuffer         // 静态分配的控制块内存);if (xTimer != NULL) {// 启动定时器（0表示不等待）if (xTimerStart(xTimer, 0) != pdPASS) {printf("启动定时器失败\n");}}
}

 3任务删除

vTaskDelete(xTaskHandle);//动态静态任务都用这个，参数为NULL时删除正在运行的任务（运行结束删除）

静态任务与动态任务的删除对比

特性动态任务（xTaskCreate）静态任务（xTaskCreateStatic）
内存释放调用 vTaskDelete() 后自动释放内存永久保留，需手动管理
适合场景需动态创建 / 删除的任务生命周期固定的关键任务
内存碎片化风险频繁删除可能导致堆碎片化无碎片化风险
资源释放责任空闲任务自动回收内存需用户确保资源手动释放

 4、临界区间

        在实时操作系统（如 FreeRTOS）中，** 临界区间（Critical Section）** 是指一段必须被原子执行的代码区域，即不允许被中断或任务切换打断。临界区间的核心目标是确保共享资源在被访问时的一致性和完整性，防止竞态条件（Race Condition）的发生。

  1. 作用场景

    • 当多个任务或中断需要访问共享资源（如全局变量、硬件寄存器、缓冲区等）时，必须通过临界区间保证操作的原子性。
    • 例如：修改多个关联变量时（如先更新数据缓冲区，再更新缓冲区指针），若操作被打断，可能导致数据不一致。

  2. 关键特性

    • 原子性：临界区间内的代码必须一次性执行完毕，不允许被中断或任务切换打断。
    • 时效性：临界区间的代码应尽可能简短，避免长时间阻塞中断或任务调度，影响系统实时性。

 使用方式

关闭中断（全局临界区）
  • 原理：通过关闭所有中断（包括可屏蔽中断），确保临界区间内的代码不会被任何中断打断，同时隐式禁止任务切换（因为任务切换通常由滴答中断触发）。
关闭中断（全局临界区）
// 进入临界区（关闭中断）
portDISABLE_INTERRUPTS();// 临界区代码（访问共享资源）
vAccessSharedResource();// 退出临界区（恢复中断）
portENABLE_INTERRUPTS();

特点：

  • 完全禁止中断，实时性影响较大，仅适用于极短的临界区。
  • 可在任务或中断服务程序（ISR）中使用
关闭任务切换（局部临界区）
  • 原理：允许中断继续响应，但禁止任务调度器进行任务切换（即不允许上下文切换）。中断服务程序仍可执行，但执行完毕后不会触发任务切换，直到退出临界区。
  • FreeRTOS 接口： 
    // 进入临界区（禁止任务切换，允许中断）
//taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR(); // 从中断进入时使用
taskENTER_CRITICAL(); // 从任务进入时使用// 临界区代码（访问共享资源）
vModifySharedVariable();// 退出临界区（允许任务切换）
taskEXIT_CRITICAL();
//taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() ;// 从中断退出时使用
  • 特点：
    • 允许中断响应，实时性影响较小，适用于较长的临界区。
    • 若在中断中使用，需通过 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 进入，并搭配 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 返回是否需要切换任务。

注意事项：在实际开发中，应遵循 “能用信号量 / 互斥量解决的场景，绝不使用临界区间；必须使用临界区间时，确保其最短化和中断安全”  

机制临界区间信号量 / 互斥量
控制范围代码段（原子性）资源所有权（阻塞 / 唤醒）
中断影响可能关闭中断或调度不影响中断，仅通过阻塞任务实现
适用场景极短的原子操作（如单变量修改）较长时间的资源独占（如外设操作）
优先级反转可能发生（若持有资源的任务被低优先级任务阻塞）互斥量可通过优先级继承解决

 二、任务挂起

任务挂起：挂起任务相当于暂停，可以恢复

 1、挂起任务

使用 vTaskSuspend() 函数暂停指定任务的执行，被挂起的任务不会参与调度，直到被恢复。
函数原型：

#define INCLUDE_vTaskSuspend     1    //需配置宏void vTaskSuspend(TaskHandle_t xTaskToSuspend);
  • 参数：
    • xTaskToSuspend：要挂起的任务句柄。若为 NULL，则挂起当前任务。
  • 注意事项：
    • 挂起持有互斥量的任务可能导致死锁，建议在挂起前释放锁。

2、恢复被挂起任务（任务中恢复）

使用 vTaskResume() 函数恢复被挂起的任务，使其重新参与调度。
函数原型：

void vTaskResume(TaskHandle_t xTaskToResume);
  • 参数：
    • xTaskToResume：要恢复的任务句柄，只有挂起和非挂起俩种状态。 
      // 任务被多次挂起，但只需一次恢复即可运行
vTaskSuspend(taskHandle); // 任务挂起
vTaskSuspend(taskHandle); // 无实际效果（任务已挂起）
vTaskResume(taskHandle);  // 任务恢复为就绪状态

3、在中断中恢复被挂起的任务

FreeRTOS 要求在中断中调用任务恢复函数时，必须使用专门的中断安全版本：
xTaskResumeFromISR()（而非普通的 vTaskResume()）。
这是因为普通任务函数（如 vTaskResume()）可能触发上下文切换，而中断上下文需要特殊处理。

2. 函数原型与参数

BaseType_t xTaskResumeFromISR(TaskHandle_t xTaskToResume);

  • 参数：xTaskToResume 是要恢复的任务句柄。

  • 返回值：

    • pdTRUE：恢复任务后需要触发上下文切换（例如，恢复的任务优先级高于当前任务）。

    • pdFALSE：无需立即切换上下文。

3. 上下文切换的注意事项

如果 xTaskResumeFromISR() 返回 pdTRUE，通常需要手动触发一次上下文切换，以确保高优先级任务立即获得 CPU 控制权。
使用 portYIELD_FROM_ISR() 宏实现中断内的上下文切换：

#define INCLUDE_vTaskSuspend             1//必须定义
#define INCLUDE_vTaskResumeFromISR       1//必须定义// 假设任务句柄已定义：TaskHandle_t xTaskToResumeHandle;void vExampleISR(void) {BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;// 恢复被挂起的任务xHigherPriorityTaskWoken = xTaskResumeFromISR(xTaskToResumeHandle);// 如果需要，触发上下文切换if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE) {portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);}
}

4. 中断服务程序（ISR）的限制

  • 中断优先级：需确保 FreeRTOS 管理的中断优先级正确配置（通常低于或等于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY），否则可能导致数据竞争或未定义行为。

  • 保持简短：ISR 应尽量简短，避免在中断中执行复杂逻辑。

  • 中断优先级配置必须符合 FreeRTOS 的要求，避免系统不稳定（一般默认是5~15）

  • 提示：中断优先级数值越小优先级越高，任务优先级数值越大优先级越高

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