FreeRTOS学习笔记（四）：任务执行与切换

好的，这是一个关于 FreeRTOS 核心机制的绝佳问题。我会详细、系统地讲解任务是如何执行的，以及优先级切换的完整过程。

第一部分：FreeRTOS 任务是如何执行的？

FreeRTOS 是一个抢占式的实时操作系统内核。其任务执行遵循一个核心原则：调度器（Scheduler）总是选择当前处于“就绪态”（Ready）的最高优先级任务来运行。

1. 任务的形态：一个永不返回的函数

每个 FreeRTOS 任务本质上是一个永不返回的 void 函数，通常是一个无限的 for(;;) 循环或 while(1) 循环。

void vMyTask( void * pvParameters ) // 任务函数原型
{// 可选的初始化代码for( ;; ) // 无限循环，任务的主体{// 任务要做的实际工作...do_work();// 关键点：必须调用一个能让任务“放弃”CPU的FreeRTOS API// 例如，等待一个事件或延迟一段时间vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS( 1000 ) ); // 延迟1秒}// 理论上任务不应结束，但如果结束，必须调用 vTaskDelete(NULL) 来删除自己。
}

2. 任务的状态

一个任务在任何时刻都处于以下几种状态之一，理解这些状态是理解调度的关键：

• 运行态（Running）：任务正在 CPU 上执行。在单核处理器上，任何时候都只有一个任务处于此状态。
• 就绪态（Ready）：任务已经准备好可以运行（不被阻塞或挂起），但当前没有运行，因为有一个更高优先级的任务正在运行，或者一个同等优先级的任务正在其时间片内运行。
• 阻塞态（Blocked）：任务正在等待某个事件。事件可以是：
  • 时间相关：例如调用 vTaskDelay() 等待一段时间。
  • 同步事件：例如等待一个信号量（Semaphore）、队列（Queue） 消息、任务通知（Task Notification） 等。
  • 处于阻塞态的任务不会被调度器选择执行。当事件发生时，任务会自动离开阻塞态，进入就绪态。
• 挂起态（Suspended）：任务被主动挂起，通过 vTaskSuspend() 实现。被挂起的任务对调度器“不可见”，无论发生什么事件都不会被执行，除非其他任务调用 vTaskResume() 来恢复它。它不参与调度。

3. 任务的控制块（TCB）和栈

• TCB（Task Control Block）：FreeRTOS 为每个任务创建一个数据结构（TCB），用来存储任务的所有元信息，如优先级、堆栈指针、状态、事件列表项等。
• 栈（Stack）：每个任务都有自己独立的堆栈空间，用于存储函数调用链、局部变量和任务挂起时的上下文（CPU寄存器值）。这是实现多任务并发的基石。

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第二部分：优先级任务切换的详细过程

任务切换，也称为上下文切换（Context Switch），即保存当前任务的运行环境（上下文），恢复另一个任务的运行环境，并开始执行它。

核心原则：抢占（Preemption）

FreeRTOS 是抢占式调度器。这意味着：

1. 如果一个更高优先级的任务进入就绪态（例如，它等待的事件发生了），调度器会立即停止当前运行的任务（即使它还没执行完），并切换到更高优先级的任务。
2. 这保证了系统对高优先级事件的响应是即时的。

触发任务切换的四大场景

1. 系统时钟节拍（SysTick）中断

   • 这是时间片轮转的基础。SysTick 定时器定期产生中断（例如每1ms一次）。
   • 在中断服务程序（ISR）中，内核会：
     • 递增系统时钟计数器 xTickCount。
     • 检查是否有因延时到期而需要从阻塞态唤醒的任务。
     • 检查是否需要任务切换：如果当前任务的时间片已用完，并且存在同等优先级的就绪任务，则会触发切换（同优先级任务轮转）。如果发现了一个更高优先级的任务就绪了，也会触发切换。
   • 这是周期性的自动切换。

2. 任务主动进入阻塞态

   • 这是最常见、最推荐的切换方式，体现了事件驱动编程思想。
   • 当一个高优先级任务执行到 xQueueReceive(), xSemaphoreTake(), vTaskDelay() 等函数时，因为它要等待的事件尚未发生，它会主动放弃CPU，将自己置于阻塞态。
   • 一旦它进入阻塞态，它就不再是“就绪态”的任务，调度器会立刻寻找当前最高优先级的就绪任务来执行。这通常是低优先级或同等优先级的任务。
   • 示例：一个高优先级任务等待一个按键消息。在它等待（阻塞）期间，CPU 会去执行低优先级的 LED 闪烁任务、显示刷新任务等。

3. 中断服务程序（ISR）使更高优先级任务就绪

   • 这是一个硬件外部中断（如 GPIO 引脚中断、UART 接收中断、定时器中断）触发的切换。
   • 流程：
     1. 硬件中断发生，CPU 跳转到对应的 ISR。
     2. 在 ISR 中，代码通过 xSemaphoreGiveFromISR(), xQueueSendToBackFromISR(), xTaskResumeFromISR() 等 FromISR 系列的 API 给出一个信号量、发送一条消息或恢复一个任务。
     3. 这些 API 会通知调度器：一个更高优先级的任务因为此事件而就绪了。
     4. 在 ISR 的末尾，FreeRTOS 会进行上下文判断：如果被唤醒的任务优先级高于被中断的任务，ISR 退出时会直接触发一次上下文切换，让更高优先级的任务立即运行，而不是先返回被中断的任务。

4. 任务主动让步（Yield）

   • 任务可以调用 taskYIELD() 来主动请求调度器立即进行任务切换。
   • 注意：taskYIELD() 并不会使任务进入阻塞态，它只是让任务从运行态变为就绪态，参与下一轮调度。
   • 如果存在同等或更高优先级的任务处于就绪态，则调度器会切换到那个任务。否则，它可能继续执行当前任务。

切换的核心机制：PendSV 异常

为了让切换过程高效且不干扰中断的实时性，FreeRTOS 在 ARM Cortex-M 架构上使用 PendSV（可挂起的系统调用） 异常来执行实际的上下文切换工作。

1. 触发：上述任何一种场景（如 SysTick ISR、FromISR API）判断需要切换后，并不立刻切换，而是简单地挂起（Pend）一个 PendSV 异常。
2. 延迟执行：PendSV 被设置为最低优先级的中断。这意味着 CPU 会先完成所有高优先级的 ISR 处理（保证中断响应及时）。
3. 执行切换：当所有高优先级中断处理完毕后，CPU 才来执行 PendSV 异常处理程序（xPortPendSVHandler）。在这里，才会进行繁重的上下文保存和恢复工作：
   • 保存上下文：将当前任务的 CPU 寄存器（R4-R11等）压入该任务自己的堆栈。
   • 切换TCB：将当前任务的控制块（TCB）指针指向下一个要运行的任务。
   • 恢复上下文：从下一个任务的堆栈中弹出 CPU 寄存器值。
4. 退出并运行：当 PendSV 异常处理程序退出时，CPU 会自动使用刚刚恢复的寄存器，程序计数器（PC）也随之跳转，于是自然而然就开始执行新的任务了。

总结与最佳实践

场景	触发方式	说明
时间片到期	SysTick 中断	同优先级任务轮转的基础
任务等待事件	vTaskDelay(), xSemaphoreTake(), 等	最推荐的方式，事件驱动，高效节能
中断唤醒任务	xSemaphoreGiveFromISR(), 等	保证高优先级任务对硬件事件的即时响应
主动让步	taskYIELD()	较少使用，用于计算密集型任务中主动让步

核心设计哲学：一个设计良好的 FreeRTOS 应用，其高优先级任务的大部分时间都应处于阻塞态，等待事件发生。 事件到来后（来自中断或其他任务），高优先级任务被唤醒，快速处理事件，处理完毕后立刻又返回阻塞态。这样，低优先级任务就能获得充足的 CPU 时间片来运行。

错误示范（绝对要避免）：

void vBadHighPriorityTask( void * pvParameters )
{for( ;; ){// 这是一个“忙等待”（Busy-Waiting）循环// 它永不阻塞，将永远霸占CPU，导致系统被“锁死”// 低优先级任务永远无法运行！process_data();}
}