FreeRTOS系列第9篇---FreeRTOS任務(wù)概述基礎(chǔ)篇

1. 任務(wù)和協(xié)程（Co-routines）

應(yīng)用程序可以使用任務(wù)也可以使用協(xié)程，或者兩者混合使用，但是任務(wù)和協(xié)程使用不同的API函數(shù)，因此在任務(wù)和協(xié)程之間不能使用同一個隊(duì)列或信號量傳遞數(shù)據(jù)。

通常情況下，協(xié)程僅用在資源非常少的微處理器中，特別是RAM非常稀缺的情況下。

目前協(xié)程很少被使用到，因此對于協(xié)程FreeRTOS作者既沒有把它刪除也沒有進(jìn)一步開發(fā)。

所以本系列文章以后不會對協(xié)程過多描述，包括其API函數(shù)。

1.1任務(wù)的特性

「簡而言之：」

使用RTOS的實(shí)時應(yīng)用程序可認(rèn)為是一系列獨(dú)立任務(wù)的集合。每個任務(wù)在自己的環(huán)境中運(yùn)行，不依賴于系統(tǒng)中的其它任務(wù)或者RTOS調(diào)度器。

在任何時刻，只有一個任務(wù)得到運(yùn)行，RTOS調(diào)度器決定運(yùn)行哪個任務(wù)。調(diào)度器會不斷的啟動、停止每一個任務(wù)，宏觀看上去就像整個應(yīng)用程序都在執(zhí)行。

作為任務(wù)，不需要對調(diào)度器的活動有所了解，在任務(wù)切入切出時保存上下文環(huán)境（寄存器值、堆棧內(nèi)容）是調(diào)度器主要的職責(zé)。

為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，每個任務(wù)都需要有自己的堆棧。當(dāng)任務(wù)切出時，它的執(zhí)行環(huán)境會被保存在該任務(wù)的堆棧中，這樣當(dāng)再次運(yùn)行時，就能從堆棧中正確的恢復(fù)上次的運(yùn)行環(huán)境。

1.2任務(wù)概要

• 簡單
• 沒有使用限制
• 支持完全搶占
• 支持優(yōu)先級
• 每個任務(wù)都有自己的堆棧，消耗RAM較多
• 如果使用搶占，必須小心的考慮可重入問題

2. 任務(wù)狀態(tài)

「一個任務(wù)可為下面中的一個：」

1. 「運(yùn)行」：如果一個任務(wù)正在執(zhí)行，那么說這個任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。此時它占用處理器。
2. 「就緒」：就緒的任務(wù)已經(jīng)具備執(zhí)行的能力（不同于阻塞和掛起），但是因?yàn)橛幸粋€同優(yōu)先級或者更高優(yōu)先級的任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)而還沒有真正執(zhí)行。
3. 「阻塞」：如果任務(wù)當(dāng)前正在等待某個時序或外部中斷，我們就說這個任務(wù)處于阻塞狀態(tài)。比如一個任務(wù)調(diào)用vTaskDelay()后會阻塞到延時周期到為止。任務(wù)也可能阻塞在隊(duì)列或信號量的事件上。進(jìn)入阻塞狀態(tài)的任務(wù)通常有一個“超時”周期，當(dāng)事件超時后解除阻塞。
4. 「掛起」：處于掛起狀態(tài)的任務(wù)同樣對調(diào)度器無效。僅當(dāng)明確的分別調(diào)用vTaskSuspend() 和xTaskResume() API函數(shù)后，任務(wù)才會進(jìn)入或退出掛起狀態(tài)。不可以指定超時周期事件（不可以通過設(shè)定超時事件而退出掛起狀態(tài)）

3.任務(wù)優(yōu)先級

每個任務(wù)都要被指定一個優(yōu)先級，從0~configMAX_PRIORITIES，configMAX_PRIORITIES定義在FreeRTOSConfig.h中。

如果某架構(gòu)硬件支持CLZ（或類似）指令（計(jì)算前導(dǎo)零的數(shù)目，Cortex-M3是支持該指令的，從ARMv6T2才支持這個指令），并且打算在移植層使用這個特性來優(yōu)化任務(wù)調(diào)度機(jī)制，需要有一些步驟。

首先將FreeRTOSConfig.h中configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設(shè)置為1，并且最大優(yōu)先級數(shù)目configMAX_PRIORITIES不能大于32。

除此之外，configMAX_PRIORITIES可以設(shè)置為任意值，但是考慮到configMAX_PRIORITIES設(shè)置越大，RAM消耗也越大，一般設(shè)置為滿足使用的最小值。

低優(yōu)先級數(shù)值代表低優(yōu)先級。空閑任務(wù)（idle task）的優(yōu)先級為0（tskIDLE_PRIORITY）。

FreeRTOS調(diào)度器確保處于最高優(yōu)先級的就緒或運(yùn)行態(tài)任務(wù)獲取處理器，換句話說，處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)，只有其中的最高優(yōu)先級任務(wù)才會運(yùn)行。

任何數(shù)量的任務(wù)可以共享同一個優(yōu)先級。如果宏configUSE_TIME_SLICING未定義或者宏configUSE_TIME_SLICING定義為1，處于就緒態(tài)的多個相同優(yōu)先級任務(wù)將會以時間片切換的方式共享處理器。

4.實(shí)現(xiàn)一個任務(wù)

「一個任務(wù)具有以下結(jié)構(gòu)：」

void?vATaskFunction(?void?*pvParameters?)
{
????for(?;;?)
????{
????????/*--?應(yīng)用程序代碼放在這里.?--*/
????}
?
????/*?任務(wù)不可以從這個函數(shù)返回或退出。在較新的FreeRTOS移植包中，如果
????試圖從一個任務(wù)中返回，將會調(diào)用configASSERT()（如果定義的話）。
????如果一個任務(wù)確實(shí)要退出函數(shù)，那么這個任務(wù)應(yīng)調(diào)用vTaskDelete(NULL)
????函數(shù)，以便處理一些清理工作。*/
????vTaskDelete(?NULL?);
}

任務(wù)函數(shù)返回為void，參數(shù)只有一個void類型指針。所有的任務(wù)函數(shù)都應(yīng)該是這樣。void類型指針可以向任務(wù)傳遞任意類型信息。

任務(wù)函數(shù)決不應(yīng)該返回，因此通常任務(wù)函數(shù)都是一個死循環(huán)。

任務(wù)由xTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建，由vTaskDelete()函數(shù)刪除。

5.空閑任務(wù)和空閑任務(wù)鉤子（idle task和Idle Task hook）

5.1空閑任務(wù)

空閑任務(wù)是啟動RTOS調(diào)度器時由內(nèi)核自動創(chuàng)建的任務(wù)，這樣可以確保至少有一個任務(wù)在運(yùn)行。

空閑任務(wù)具有最低任務(wù)優(yōu)先級，這樣如果有其它更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)就可以立刻讓出CPU。

刪除任務(wù)后，空閑任務(wù)用來釋放RTOS分配給被刪除任務(wù)的內(nèi)存。因此，在應(yīng)用中使用vTaskDelete()函數(shù)后確保空閑任務(wù)能獲得處理器時間就很重要了。

除此之外，空閑任務(wù)沒有其它有效功能，所以可以被合理的剝奪處理器時間，并且它的優(yōu)先級也是最低的。

應(yīng)用程序任務(wù)共享空閑任務(wù)優(yōu)先級（tskIDLE_PRIORITY）也是可能的。這種情況如何配置可以參考configIDLE_SHOULE_YIELD配置參數(shù)類獲取更多信息。

5.2空閑任務(wù)鉤子

空閑任務(wù)鉤子是一個函數(shù)，每一個空閑任務(wù)周期被調(diào)用一次。如果你想將任務(wù)程序功能運(yùn)行在空閑優(yōu)先級上，可以有兩種選擇：

1. 在一個空閑任務(wù)鉤子中實(shí)現(xiàn)這個功能：因?yàn)镕reeRTOS必須至少有一個任務(wù)處于就緒或運(yùn)行狀態(tài)，因此鉤子函數(shù)不可以調(diào)用可能引起空閑任務(wù)阻塞的API函數(shù)（比如vTaskDelay()或者帶有超時事件的隊(duì)列或信號量函數(shù)）

2. 創(chuàng)建一個具有空閑優(yōu)先級的任務(wù)去實(shí)現(xiàn)這個功能：這是個更靈活的解決方案，但是會帶來更多RAM開銷。

「創(chuàng)建一個空閑鉤子步驟如下」：

• 在FreeRTOSConfig.h頭文件中設(shè)置configUSE_IDLE_HOOK為1；
• 定義一個函數(shù)，名字和參數(shù)原型如下所示：

void?vApplicationIdleHook(?void?);

通常，使用這個空閑鉤子函數(shù)設(shè)置CPU進(jìn)入低功耗模式。

6.任務(wù)創(chuàng)建

任務(wù)創(chuàng)建和刪除API函數(shù)位于文件task.c中，需要包含task.h頭文件。

6.1 函數(shù)描述

BaseType_t?xTaskCreate(
????????TaskFunction_t?pvTaskCode,
????????const?char?*?const?pcName,
????????unsigned?short?usStackDepth,
????????void?*pvParameters,
????????UBaseType_t?uxPriority,
????????TaskHandle_t?*?pvCreatedTask
??????);

創(chuàng)建新的任務(wù)并加入任務(wù)就緒列表。

如果使用FreeRTOS-MPU（在官方下載包中，為Cortex-M3內(nèi)核寫了兩個移植方案，一個是普通的FreeRTOS移植層，還有一個是FreeRTOS-MPU移植層。后者包含完整的內(nèi)存保護(hù)），那么推薦使用函數(shù)xTaskCreateRestricted()來代替xTaskCreate()。

在使用FreeRTOS-MPU的情況下，使用xTaskCreate()函數(shù)可以創(chuàng)建運(yùn)行在特權(quán)模式或用戶模式（見下面對函數(shù)參數(shù)uxPriority的描述）的任務(wù)。

當(dāng)運(yùn)行在特權(quán)模式下，任務(wù)可以訪問整個內(nèi)存映射；當(dāng)處于用戶模式下，任務(wù)僅能訪問自己的堆棧。

無論在何種模式下，MPU都不會自動捕獲堆棧溢出，因此標(biāo)準(zhǔn)的FreeRTOS堆棧溢出檢測機(jī)制仍然會被用到。xTaskCreateRestricted()函數(shù)具有更大的靈活性。

6.2參數(shù)描述

• 「pvTaskCode」：指針，指向任務(wù)函數(shù)的入口。任務(wù)永遠(yuǎn)不會返回（位于死循環(huán)內(nèi)）。該參數(shù)類型TaskFunction_t定義在文件projdefs.h中，定義為：typedefvoid (*TaskFunction_t)( void * )。
• 「pcName」：任務(wù)描述。主要用于調(diào)試。字符串的最大長度由宏configMAX_TASK_NAME_LEN指定，該宏位于FreeRTOSConfig.h文件中。
• 「usStackDepth」：指定任務(wù)堆棧大小，能夠支持的堆棧變量數(shù)量，而不是字節(jié)數(shù)。比如，在16位寬度的堆棧下，usStackDepth定義為100，則實(shí)際使用200字節(jié)堆棧存儲空間。堆棧的寬度乘以深度必須不超過size_t類型所能表示的最大值。比如，size_t為16位，則可以表示的最大值是65535。
• 「pvParameters」：指針，當(dāng)任務(wù)創(chuàng)建時，作為一個參數(shù)傳遞給任務(wù)。
• uxPriority：任務(wù)的優(yōu)先級。具有MPU支持的系統(tǒng)，可以通過置位優(yōu)先級參數(shù)的portPRIVILEGE_BIT位，隨意的在特權(quán)（系統(tǒng)）模式下創(chuàng)建任務(wù)。比如，創(chuàng)建一個優(yōu)先級為2的特權(quán)任務(wù)，參數(shù)uxPriority可以設(shè)置為( 2 | portPRIVILEGE_BIT )。
• 「pvCreatedTask」：用于回傳一個句柄（ID），創(chuàng)建任務(wù)后可以使用這個句柄引用任務(wù)。

6.3返回值

如果任務(wù)成功創(chuàng)建并加入就緒列表函數(shù)返回pdPASS，否則函數(shù)返回錯誤碼，具體參見projdefs.h。

6.4用法舉例

/*?創(chuàng)建任務(wù).?*/
void?vTaskCode(?void?*?pvParameters?)
{
????for(?;;?)
????{
???????/*?任務(wù)代碼放在這里?*/
????}
}
?
/*?創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)?*/
void?vOtherFunction(?void?)
{
????static?unsigned?char?ucParameterToPass;
????xTaskHandlexHandle;
?
?????/*?創(chuàng)建任務(wù)，存儲句柄。注：傳遞的參數(shù)ucParameterToPass必須和任務(wù)具有相同的生存周期，
????????因此這里定義為靜態(tài)變量。如果它只是一個自動變量，可能不會有太長的生存周期，因?yàn)?br>????????????????中斷和高優(yōu)先級任務(wù)可能會用到它。?*/
?????xTaskCreate(?vTaskCode,?"NAME",?STACK_SIZE,&ucParameterToPass,?tskIDLE_PRIORITY,?&xHandle?);
?
?????/*?使用句柄刪除任務(wù).?*/
????if(?xHandle?!=NULL?)
????{
????????vTaskDelete(?xHandle?);
????}
}

7.任務(wù)刪除

7.1 任務(wù)描述

voidvTaskDelete(?TaskHandle_t?xTask?);

從RTOS內(nèi)核管理器中刪除一個任務(wù)。任務(wù)刪除后將會從就緒、阻塞、暫停和事件列表中移除。在文件FreeRTOSConfig.h中，必須定義宏INCLUDE_vTaskDelete 為1，本函數(shù)才有效。

「注意：」

被刪除的任務(wù)，其在任務(wù)創(chuàng)建時由內(nèi)核分配的存儲空間，會由空閑任務(wù)釋放。

如果有應(yīng)用程序調(diào)用xTaskDelete()，必須保證空閑任務(wù)獲取一定的微控制器處理時間。

任務(wù)代碼自己分配的內(nèi)存是不會自動釋放的，因此刪除任務(wù)前，應(yīng)該將這些內(nèi)存釋放。

7.2參數(shù)描述

• 「xTask」：被刪除任務(wù)的句柄。為NULL表示刪除當(dāng)前任務(wù)。

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