FreeRTOS任务基础知识

前言

本文介绍了FreeRTOS的任务系统，包括任务的含义、状态、优先级、任务控制块，以及任务栈。并强调了在任务中调用vTaskDelay函数的话，任务状态会经历怎样的改变。本文属于任务基础知识。

前后台系统

在主函数中，运行while(1)死循环，里面轮询执行一些代码，通过中断执行一些需要立即处理的事情。这时候，while死循环是后台程序，而中断服务程序是前台程序。

上图引自《STM32F4 FreeRTOS开发手册》

抢占式多任务系统

任务调度器负责决定哪个任务先执行，哪个任务后执行。FreeRTOS是抢占式实时多任务系统，下图描述了抢占式系统的执行流程。

上图引自《STM32F4 FreeRTOS开发手册》

任务和协程

任务（Task）和协程（co-Routine）都可以在应用中使用，二者的API不同，不能通过队列或信号量将数据在二者之间传递。区别在于协程是为资源很少的MCU准备，开销小。

任务

RTOS调度器会开启和关闭每一个任务，同一时间只有一个任务栈执行，每个任务都有自己的堆栈，任务退出执行的时候需要压栈，将寄存器和堆栈内容保存好，等下一次运行的时候就出栈，将上下文环境恢复成跟上次退出的时候完全一样的。
这种情况下，每个任务是独立的，支持优先级设置，但缺点是由于每个任务都有自己的堆栈导致RAM开销大。如果要使用抢占，就必须考虑重入的问题。

协程

MCU的资源越来越多，导致协程的使用几乎没有了。所有协程使用同一个堆栈，使用合作式调度器，可以在抢占式调度器中使用协程。协程是通过宏定义实现的。为降低RAM消耗有很多限制。

任务状态

• 运行态
  处于运行状态的任务。
• 就绪态
  已经准备就绪，可以运行的任务。但它没有处于运行态，因为有更高优先级或者相同优先级的任务在运行。
• 阻塞态
  正在等待某个外部事件的任务就是处于阻塞态。比如在任务中调用了vTaskDelay()，就会等到延时完成。任务在等待队列、信号量、事件组、通知或互斥量的时候也会进入。但有超时事件，一旦到达超时时间，即便没有等到需要的事件也会退出阻塞态，进入就绪态。
• 挂起态
  跟阻塞态相比，没有超时时间。任务进入挂起态调用vTaskSuspend()，任务退出挂起态调用vTaskResume()
• 删除态
  任务已被删除，等待内存回收。

状态	核心特点	触发方式
运行态	正在占用 CPU 执行	调度器选中
就绪态	准备执行，等待高优先级任务释放	CPU 任务创建、延时结束、资源释放
阻塞态	等待事件（延时、信号量、队列等）	vTaskDelay()、xQueueReceive()等
挂起态	暂停执行，需显式恢复	vTaskSuspend()、vTaskResume()
删除态	任务已删除，等待内存回收	vTaskDelete()

不同任务状态之间的转换关系

注意：
在任务中调用vTaskDelay()，会直接使这个任务进入阻塞态，把CPU的使用权交出来，调度器会让其他处于就绪态，并且优先级最高的任务来处于运行态，占据CPU。直到延时完成，它会变成就绪态，等待调度器选中它来运行。
并不是让它在就绪态，占用CPU而等待延时结束。

关于vTaskDelay常见误区澄清：

• 误区 1：认为vTaskDelay()会让任务在就绪队列中等待。
• 纠正：任务会进入阻塞队列，而非就绪队列。
• 误区2：认为延时期间任务仍占用 CPU 资源。
• 纠正：阻塞态任务完全释放 CPU，由其他就绪任务执行。
• 误区3：混淆vTaskDelay()与忙等待（如for(;;)循环）。
• 纠正：vTaskDelay()是无负载延时，忙等待会持续占用 CPU。

vTaskDelay()的核心作用：使任务主动放弃 CPU，进入阻塞态，等待指定时间后再参与调度。
状态转换路径：
运行态 → vTaskDelay() → 阻塞态 → 延时到期 → 就绪态 → 调度器选中 → 运行态。

合理使用vTaskDelay()是实现任务协作和降低系统功耗的关键，它能确保高优先级任务在延时期间仍可执行。

任务优先级

每个任务的优先级在0~（configMAX_PRIORITIES-1）。
configMAX_PRIORITIES在 FreeRTOSConfig.h 中定义，指定系统支持的最大优先级数值（从 0 开始），用于定义系统支持的最大任务优先级数量，它直接影响任务调度器的行为和内存使用效率。而configMAX_PRIORITIES这个宏的大小，用户可以根据需要自行设定。

#define configMAX_PRIORITIES			( 5 )

任务的优先级数字越小，优先级越低。所以0的优先级最低，configMAX_PRIORITIES-1优先级最高。空闲任务优先级为0。
跟STM32的中断优先级相反。

任务优先级权衡

参数	作用	配置建议
configMAX_PRIORITIES	定义系统支持的最大任务优先级数量	根据实际需求设置，通常 5~32
任务的优先级范围	0（最低）到 configMAX_PRIORITIES-1（最高）	避免使用过多优先级层级
内存影响	优先级数量越多，调度器数据结构占用内存越大	够用即可，避免浪费

合理配置 configMAX_PRIORITIES 是平衡系统性能与资源消耗的关键，需根据应用复杂度和实时性要求进行优化。

任务的优先级可以相同吗

#define configUSE_TIME_SLICING 1

configUSE_TIME_SLICING 等于1的话，允许不同任务的优先级相同。这样的任务会使用时间片轮转调度器运行。

任务函数

任务函数就是实现这个任务想要做什么事情的函数。比如：

void led0_task(void * pxParameters)
{while(1){LED0 = ~LED0;vTaskDelay(500);}
}

这个函数返回值是void，入参是void*类型的指针。任务函数中，有一个死循环，不允许退出任务！死循环里可以执行具体的代码，完成这个任务需要做的事。
如果需要从这个任务函数中退出，就一定要执行vTaskDelete(NULL)删除此任务。比如：

void start_task(void * pxParameters)
{taskENTER_CRITICAL();//进入临界区//创建LED0任务xTaskCreate((TaskFunction_t) interrupt_task,(const char*) "interrupt_task",(uint16_t) INTERRUPT_STK_SIZE,(void*) NULL,(UBaseType_t)INTERRUPT_TASK_PRIO,(TaskHandle_t*) &INTERRUPTTask_Handler);vTaskDelete(StartTask_Handler);//删除开始任务taskEXIT_CRITICAL();//推出临界区
}

这个任务函数中，没有死循环，只有创建了另一个任务，然后删除了start_task任务。

任务控制块

在FreeRTOS中，对于每一个任务都有一些属性需要存储，这些属性整合到一个结构体中，就叫任务控制块，名为TCB_t，是管理任务的核心数据结构，每个任务都有唯一的TCB实例。它存储了任务的所有状态信息，是调度器进行任务管理的基础。以下是详细解析：

1. TCB的作用

• 保存任务状态：如任务当前状态（运行/就绪/阻塞）、优先级、栈指针等。
• 实现任务切换：调度器通过TCB恢复或保存任务上下文。
• 管理任务资源：如任务句柄、栈空间、挂起的事件等。

2. TCB的核心成员

TCB的定义位于task.h中，主要包含以下字段（简化版）：

typedef struct tskTaskControlBlock {volatile StackType_t *pxTopOfStack;  // 栈顶指针，指向当前栈顶位置ListItem_t xStateListItem;           // 状态列表项，用于就绪/阻塞队列ListItem_t xEventListItem;           // 事件列表项，用于等待特定事件UBaseType_t uxPriority;              // 任务优先级StackType_t *pxStack;                // 栈底指针，指向任务栈的起始地址char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; // 任务名称// ... 其他成员（如事件标志、栈溢出检测等）
} tskTCB;

3. TCB的关键功能

3.1 任务状态管理

• 通过xStateListItem将任务链接到不同队列：
  • 就绪队列：所有就绪态任务的TCB通过xStateListItem链接。
  • 阻塞队列：等待事件的任务TCB通过xEventListItem链接到对应事件队列。

3.2 上下文切换

• 保存上下文：任务切换时，当前寄存器值被保存到任务栈，栈顶地址更新到pxTopOfStack。
• 恢复上下文：调度器选中任务后，从pxTopOfStack恢复寄存器值，使任务继续执行。

3.3 优先级管理

• uxPriority字段存储任务优先级，调度器据此决定任务执行顺序。
• 支持动态优先级调整（vTaskPrioritySet()）。

4. TCB的创建与初始化

4.1 动态创建（xTaskCreate）

TaskHandle_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,     // 任务函数const char * const pcName,     // 任务名称configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 栈深度void *pvParameters,            // 任务参数UBaseType_t uxPriority,        // 优先级TaskHandle_t *pxCreatedTask    // 任务句柄（即TCB指针）
);

4.2 静态创建（xTaskCreateStatic）

// 需要预先定义栈空间和TCB内存
StackType_t xStack[ configMINIMAL_STACK_SIZE ];
StaticTask_t xTaskBuffer;TaskHandle_t xTaskCreateStatic(TaskFunction_t pxTaskCode,const char * const pcName,uint32_t ulStackDepth,void *pvParameters,UBaseType_t uxPriority,StackType_t *puxStackBuffer,   // xStack，静态栈空间StaticTask_t *pxTaskBuffer     // &xTaskBuffer，静态TCB内存
);

5. TCB与任务句柄的关系

• 任务句柄（TaskHandle_t）：本质是指向TCB的指针。
• 通过句柄可操作任务：

  TaskHandle_t xTaskHandle;// 创建任务并获取句柄
  xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", 1024, NULL, 1, &xTaskHandle);// 使用句柄操作任务
  vTaskSuspend(xTaskHandle);     // 挂起任务
  vTaskResume(xTaskHandle);      // 恢复任务
  vTaskPrioritySet(xTaskHandle, 2); // 修改优先级
  

任务栈

任务切换时需要将当前运行的任务保存在此任务的栈中，等下次运行的时候，从该任务的堆栈中恢复现场，使其接着上次运行的位置继续运行。
如果使用xTaskCreate()创建任务，即动态方法，任务堆栈会自动创建；但如果使用xTaskCreateStatic()创建任务，即静态创建，就需要我们自行定义任务堆栈。将堆栈首地址作为函数入参传递给xTaskCreateStatic函数，前面有介绍，这里回顾一下。

栈大小

栈的数据类型是StackType_t，本质上是uint32_t。

#define portSTACK_TYPE	uint32_t

typedef portSTACK_TYPE StackType_t;

如果我们定义栈深度是100，那么实际的栈大小是400字节。