[嵌入式]FreeRTOS的任务详解

这里说一下FreeRTOS的任务的简要概述，参考一下正点原子的开发手册，主要是为了自己做笔记。

1、什么是多任务？

以前在使用 51、AVR、STM32 单片机裸机(未使用系统)的时候一般都是在main 函数里面用 while(1)做一个大循环来完成所有的处理，即应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成所需的处理。有时候我们也需要中断中完成一些处理。相对于多任务系统而言，这个就是单任务系统，也称作前后台系统，中断服务函数作为前台程序，大循环while(1)作为后台程序，如下图所示：

前后台系统的实时性差，前后台系统各个任务(应用程序)都是排队等着轮流执行，不管你这个程序现在有多紧急，没轮到你就只能等着！相当于所有任务(应用程序)的优先级都是一样的。但是前后台系统简单啊，资源消耗也少啊！在稍微大一点的嵌入式应用中前后台系统就明显力不从心了，此时就需要多任务系统出马了。

2、FreeRTOS 任务

在使用 RTOS 的时候一个实时应用可以作为一个独立的任务。每个任务都有自己的运行环境，不依赖于系统中其他的任务或者 RTOS 调度器。任何一个时间点只能有一个任务运行，具体运行哪个任务是由 RTOS 调度器来决定的，RTOS 调度器因此就会重复的开启、关闭每个任务。任务不需要了解 RTOS 调度器的具体行为，RTOS 调度器的职责是确保当一个任务开始执行的时候其上下文环境(寄存器值，堆栈内容等)和任务上一次退出的时候相同。为了做到这一点，每个任务都必须有个堆栈，当任务切换的时候将上下文环境保存在堆栈中，这样当任务再次执行的时候就可以从堆栈中取出上下文环境，任务恢复运行。

任务特点
1、简单。
2、没有使用限制。 3、支持抢占
4、支持优先级
5、每个任务都拥有堆栈导致了 RAM 使用量增大。
6、如果使用抢占的话的必须仔细的考虑重入的问题。

3、FreeRTOS的任务状态

任务分为四种状态：

• 运行态
  当一个任务正在运行时，那么就说这个任务处于运行态，处于运行态的任务就是当前正在
  使用处理器的任务。如果使用的是单核处理器的话那么不管在任何时刻永远都只有一个任务处
  于运行态。

• 就绪态
  处于就绪态的任务是那些已经准备就绪(这些任务没有被阻塞或者挂起)，可以运行的任务，
  但是处于就绪态的任务还没有运行，因为有一个同优先级或者更高优先级的任务正在运行！

• 阻塞态
  如果一个任务当前正在等待某个9外部事件的话就说它处于阻塞态，比如说如果某个任务调
  用了函数 vTaskDelay()的话就会进入阻塞态，直到延时周期完成。任务在等待队列、信号量、事
  件组、通知或互斥信号量的时候也会进入阻塞态。任务进入阻塞态会有一个超时时间，当超过
  这个超时时间任务就会退出阻塞态，即使所等待的事件还没有来临！

• 挂起态
  像阻塞态一样，任务进入挂起态以后也不能被调度器调用进入运行态，但是进入挂起态的任务没有超时时间。任务进入和退出挂起态通过调用函数 vTaskSuspend()和 xTaskResume()。

任务状态之间的转换如图

4、任务优先级

每 个 任 务 都 可 以 分 配 一 个 从 0~(configMAX_PRIORITIES-1) 的 优 先 级 ，configMAX_PRIORITIES 在文件 FreeRTOSConfig.h 中有定义，一共设置了32个优先级。
数字越大，优先级约高，0为最低优先级！！！

5、任务控制块

FreeRTOS 的每个任务都有一些属性需要存储，FreeRTOS 把这些属性集合到一起用一个结构体来表示，这个结构体叫做任务控制块：TCB_t，在使用函数 xTaskCreate()创建任务的时候就会自动的给每个任务分配一个任务控制块。在老版本的 FreeRTOS 中任务控制块叫做 tskTCB，新版本重命名为 TCB_t，但是本质上还是 tskTCB，本教程后面提到任务控制块的话均用 TCB_t表示，此结构体在文件 tasks.c 中有定义，最主要的内容如下所示：

typedef struct tskTaskControlBlock
{
	volatile StackType_t *pxTopOfStack; //任务堆栈栈顶
	ListItem_t xStateListItem; //状态列表项	
	ListItem_t xEventListItem; //事件列表项
	UBaseType_t uxPriority; //任务优先级
	StackType_t *pxStack; //任务堆栈起始地址
	char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];//任务名字
}

6、任务堆栈

FreeRTOS 之所以能正确的恢复一个任务的运行就是因为有任务堆栈在保驾护航，任务调度器在进行任务切换的时候会将当前任务的现场(CPU 寄存器值等)保存在此任务的任务堆栈中，等到此任务下次运行的时候就会先用堆栈中保存的值来恢复现场，恢复现场以后任务就会接着从上次中断的地方开始运行。

创建任务的时候需要给任务指定堆栈，如果使用的函数 **xTaskCreate()**创建任务(动态方法)的话那么任务堆栈就会由函数 xTaskCreate()自动创建。如果使用函数 **xTaskCreateStatic()**创建任务(静态方法)的话就需要程序员自行定义任务堆栈，然后堆栈首地址作为函数的参数 puxStackBuffer 传递给函数，如下：

TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode,
 								const char * const pcName,
 								const uint32_t ulStackDepth,
 								void * const pvParameters,
 								UBaseType_t uxPriority,
 								StackType_t * const puxStackBuffer, //在这里
 								StaticTask_t * const pxTaskBuffer )

堆栈大小的问题

我们不管是使用函数 xTaskCreate()还是 xTaskCreateStatic()创建任务都需要指定任务堆栈大
小。任务堆栈的数据类型为 StackType_t，它本质上是 uint32_t，在 portmacro.h 中有定
义。

7、任务创建和删除相关的API函数

关于使用静态创建任务还是动态创建任务

• 静态创建任务比较稳定，但是耗内存！任务删除以后这段内存没法释放掉，就只能浪费掉！
• 动态创建方法可能因为内存不足导致任务创建失败。
• 如果你的任务少，而且你的应用中没有需要删除的任务就可以用静态的。

1. xTaxkCreate()

此函数用来创建一个任务，任务需要 RAM 来保存与任务有关的状态信息(任务控制块)，任务也需要一定的 RAM 来作为任务堆栈。如果使用函数 xTaskCreate()来创建任务的话那么这些所需的 RAM 就会自动的从 FreeRTOS 的堆中分配，因此必须提供内存管理文件，默认我们使用heap_4.c 这个内存管理文件，而且宏 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 必须为 1。

新创建的任务默认就是就绪态的，如果当前没有比它更高优先级的任务运行那么此任务就会立即进入运行态开始运行，不管在任务调度器启动前还是启动后，都可以创建任务。此函数也是我们以后经常用到的。

	//创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度

返回值：
pdPASS: 任务创建成功。
errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY： 任务创建失败，因为堆内存不足！

2. xTaskCreateStatic()
   使用此函数创建的任务所需 的 RAM 需 要 用 用 户 来 提 供 。 如 果 要 使 用 此 函 数 的 话 需 要 将 宏configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 定义为 1。

函数返回值就是任务句柄

	StackType_t StartTaskStack[START_STK_SIZE];			//任务堆栈
	
	xTaskCreateStatic((TaskFunction_t	)start_task,		//任务函数
					  (const char* 	)"start_task",		    //任务名称
					  (uint32_t 		)START_STK_SIZE,	//任务堆栈大小
					  (void* 		  	)NULL,				//传递给任务函数的参数
					  (UBaseType_t 	)START_TASK_PRIO, 	    //任务优先级
					  (StackType_t*   )StartTaskStack,	    //任务堆栈
					  (StaticTask_t*  )&StartTaskTCB);	    //任务控制块
	vTaskStartScheduler();          //开启任务调度 

3. xTaskCreateRestricted()
   此函数也是用来创建任务的，只不过此函数要求所使用的 MCU 有 MPU(内存保护单元)，用此函数创建的任务会受到 MPU 的保护。其他的功能和函数 xTaxkCreate()一样。

4. vTaskDelete()
   任务被删除以后就不能再使用此任务的句柄！如果此任务是使用动态方法创建的，也就是使用函数 xTaskCreate()创建的，那么在此任务被删除以后，此任务之前申请的堆栈和控制块内存会在空闲任务中被释放掉，因此当调用函数 vTaskDelete()删除任务以后必须给空闲任务一定的运行时间。
   用户分配给任务的内存需要用户自行释放掉
   比如某个任务中用户调用函数 pvPortMalloc()分配了 500 字节的内存，那么在此任务被删除以后用户也必须调用函数 vPortFree()将这 500 字节的内存释放掉，否则会导致内存泄露。

vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务，参数-----》任务句柄

8、任务挂起和恢复 API 函数

有时候我们需要暂停某个任务的运行，过一段时间以后在重新运行。这个时候要是使用任务删除和重建的方法的话那么任务中变量保存的值肯定丢失了！FreeRTOS 给我们提供了解决这种问题的方法，那就是任务挂起和恢复，当某个任务要停止运行一段时间的话就将这个任务挂起，当要重新运行这个任务的话就恢复这个任务的运行。

1. vTaskSuspend()
   此函数用于将某个任务设置为挂起态，进入挂起态的任务永远都不会进入运行态。退出挂起态的唯一方法就是调用任务恢复函数 vTaskResume()或 xTaskResumeFromISR()。

vTaskSuspend(Task1Task_Handler);//挂起任务  参数-----》任务句柄，如果为空则挂起自己

2. vTaskResume()

vTaskResume(Task1Task_Handler);	//恢复任务  参数-----》任务句柄

3. xTaskResumeFromISR()
   此函数是 vTaskResume()的中断版本，用于在中断服务函数中恢复一个任务。

BaseType_t xTaskResumeFromISR(Task1Task_Handler)  //中断恢复任务  参数-----》任务句柄

返回值：

pdTRUE: 恢复运行的任务的任务优先级等于或者高于正在运行的任务(被中断打断的任务)，这意味着在退出中断服务函数以后必须进行一次上下文切换。
pdFALSE: 恢复运行的任务的任务优先级低于当前正在运行的任务(被中断打断的任务)，这意味着在退出中断服务函数的以后不需要进行上下文切换。