文章目錄

• 系列教程總目錄
• 概述
• 3.1 基本概念
• 3.2 任務創(chuàng)建與刪除
  • 3.2.1 什么是任務
  • 3.2.2 創(chuàng)建任務
  • 3.2.3 示例1: 創(chuàng)建任務
  • 3.2.4 示例2: 使用任務參數(shù)
  • 3.2.5 任務的刪除
  • 3.2.6 示例3: 刪除任務
• 3.3 任務優(yōu)先級和Tick
  • 3.3.1 任務優(yōu)先級
  • 3.3.2 Tick
  • 3.3.3 示例4: 優(yōu)先級實驗
  • 3.3.4 示例5: 修改優(yōu)先級
• 3.4 任務狀態(tài)
  • 3.4.1 阻塞狀態(tài)(Blocked)
  • 3.4.2 暫停狀態(tài)(Suspended)
  • 3.4.3 就緒狀態(tài)(Ready)
  • 3.4.4 完整的狀態(tài)轉換圖
• 3.5 Delay函數(shù)
  • 3.5.1 兩個Delay函數(shù)
  • 3.5.2 示例6: Delay
• 3.6 空閑任務及其鉤子函數(shù)
  • 3.6.1 介紹
  • 3.6.2 使用鉤子函數(shù)的前提
• 3.7 調(diào)度算法
  • 3.7.1 重要概念
  • 3.7.2 配置調(diào)度算法
  • 3.7.3 示例7: 調(diào)度
  • 3.7.4 對比效果: 搶占與否
  • 3.7.5 對比效果: 時間片輪轉與否
  • 3.7.6 對比效果: 空閑任務讓步

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系列教程總目錄

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概述

在本章中，會涉及如下內(nèi)容：

• FreeRTOS如何給每個任務分配CPU時間
• 如何選擇某個任務來運行
• 任務優(yōu)先級如何起作用
• 任務有哪些狀態(tài)
• 如何實現(xiàn)任務
• 如何使用任務參數(shù)
• 怎么修改任務優(yōu)先級
• 怎么刪除任務
• 怎么實現(xiàn)周期性的任務
• 如何使用空閑任務
• ?

3.1 基本概念

對于整個單片機程序，我們稱之為application，應用程序。

使用FreeRTOS時，我們可以在application中創(chuàng)建多個任務(task)，有些文檔把任務也稱為線程(thread)。

以日常生活為例，比如這個母親要同時做兩件事：

• 喂飯：這是一個任務
• 回信息：這是另一個任務

這可以引入很多概念：

• 任務狀態(tài)(State)：
  • 當前正在喂飯，它是running狀態(tài)；另一個"回信息"的任務就是"not running"狀態(tài)
  • "not running"狀態(tài)還可以細分：
    • ready：就緒，隨時可以運行
    • blocked：阻塞，卡住了，母親在等待同事回信息
    • suspended：掛起，同事廢話太多，不管他了
• 優(yōu)先級(Priority)
  • 我工作生活兼顧：喂飯、回信息優(yōu)先級一樣，輪流做
  • 我忙里偷閑：還有空閑任務，休息一下
  • 廚房著火了，什么都別說了，先滅火：優(yōu)先級更高
• 棧(Stack)
  • 喂小孩時，我要記得上一口喂了米飯，這口要喂青菜了
  • 回信息時，我要記得剛才聊的是啥
  • 做不同的任務，這些細節(jié)不一樣
  • 對于人來說，當然是記在腦子里
  • 對于程序，是記在棧里
  • 每個任務有自己的棧
• 事件驅動
  • 孩子吃飯?zhí)合刃菹⒁粫?，等他咽下去了、等他提醒我了，再喂下一?/li>
• 協(xié)助式調(diào)度(Co-operative Scheduling)
  • 你在給同事回信息
    • 同事說：好了，你先去給小孩喂一口飯吧，你才能離開
    • 同事不放你走，即使孩子哭了你也不能走
  • 你好不容易可以給孩子喂飯了
    • 孩子說：好了，媽媽你去處理一下工作吧，你才能離開
    • 孩子不放你走，即使同事連發(fā)信息你也不能走

這涉及很多概念，后續(xù)章節(jié)詳細分析。

3.2 任務創(chuàng)建與刪除

3.2.1 什么是任務

在FreeRTOS中，任務就是一個函數(shù)，原型如下：

void ATaskFunction( void *pvParameters );

要注意的是：

• 這個函數(shù)不能返回
• 同一個函數(shù)，可以用來創(chuàng)建多個任務；換句話說，多個任務可以運行同一個函數(shù)
• 函數(shù)內(nèi)部，盡量使用局部變量：
  • 每個任務都有自己的棧
  • 每個任務運行這個函數(shù)時
    • 任務A的局部變量放在任務A的棧里、任務B的局部變量放在任務B的棧里
    • 不同任務的局部變量，有自己的副本
  • 函數(shù)使用全局變量、靜態(tài)變量的話
    • 只有一個副本：多個任務使用的是同一個副本
    • 要防止沖突(后續(xù)會講)

下面是一個示例：

void ATaskFunction( void *pvParameters )
{
	/* 對于不同的任務，局部變量放在任務的棧里，有各自的副本 */
	int32_t lVariableExample = 0;
	
    /* 任務函數(shù)通常實現(xiàn)為一個無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 任務的代碼 */
	}

    /* 如果程序從循環(huán)中退出，一定要使用vTaskDelete刪除自己
     * NULL表示刪除的是自己
     */
	vTaskDelete( NULL );
    
    /* 程序不會執(zhí)行到這里, 如果執(zhí)行到這里就出錯了 */
}

3.2.2 創(chuàng)建任務

創(chuàng)建任務時使用的函數(shù)如下：

BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode, // 函數(shù)指針, 任務函數(shù)
                        const char * const pcName, // 任務的名字
                        const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 棧大小,單位為word,10表示40字節(jié)
                        void * const pvParameters, // 調(diào)用任務函數(shù)時傳入的參數(shù)
                        UBaseType_t uxPriority,    // 優(yōu)先級
                        TaskHandle_t * const pxCreatedTask ); // 任務句柄, 以后使用它來操作這個任務

參數(shù)說明：

3.2.3 示例1: 創(chuàng)建任務

代碼為：FreeRTOS_01_create_task

使用2個函數(shù)分別創(chuàng)建2個任務。

任務1的代碼：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	const char *pcTaskName = "T1 run\r\n";
	volatile uint32_t ul; /* volatile用來避免被優(yōu)化掉 */
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務1的信息 */
		printf( pcTaskName );
		
		/* 延遲一會(比較簡單粗暴) */
		for( ul = 0; ul < mainDELAY_LOOP_COUNT; ul++ )
		{
		}
	}
}

任務2的代碼：

void vTask2( void *pvParameters )
{
	const char *pcTaskName = "T2 run\r\n";
	volatile uint32_t ul; /* volatile用來避免被優(yōu)化掉 */
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務1的信息 */
		printf( pcTaskName );
		
		/* 延遲一會(比較簡單粗暴) */
		for( ul = 0; ul < mainDELAY_LOOP_COUNT; ul++ )
		{
		}
	}
}

main函數(shù)：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);
	xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, NULL);

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

運行結果如下：

注意：

• task 2先運行！
• 要分析xTaskCreate的代碼才能知道原因：更高優(yōu)先級的、或者后面創(chuàng)建的任務先運行。

任務運行圖：

• 在t1：Task2進入運行態(tài)，一直運行直到t2
• 在t2：Task1進入運行態(tài)，一直運行直到t3；在t3，Task2重新進入運行態(tài)

3.2.4 示例2: 使用任務參數(shù)

代碼為：FreeRTOS_02_create_task_use_params

我們說過，多個任務可以使用同一個函數(shù)，怎么體現(xiàn)它們的差別？

• 棧不同
• 創(chuàng)建任務時可以傳入不同的參數(shù)

我們創(chuàng)建2個任務，使用同一個函數(shù)，代碼如下：

void vTaskFunction( void *pvParameters )
{
	const char *pcTaskText = pvParameters;
	volatile uint32_t ul; /* volatile用來避免被優(yōu)化掉 */
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務的信息 */
		printf(pcTaskText);
		
		/* 延遲一會(比較簡單粗暴) */
		for( ul = 0; ul < mainDELAY_LOOP_COUNT; ul++ )
		{
		}
	}
}

上述代碼中的pcTaskText來自參數(shù)pvParameters，pvParameters來自哪里？創(chuàng)建任務時傳入的。

代碼如下：

• 使用xTaskCreate創(chuàng)建2個任務時，第4個參數(shù)就是pvParameters
• 不同的任務，pvParameters不一樣

static const char *pcTextForTask1 = "T1 run\r\n";
static const char *pcTextForTask2 = "T2 run\r\n";

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTaskFunction, "Task 1", 1000, (void *)pcTextForTask1, 1, NULL);
	xTaskCreate(vTaskFunction, "Task 2", 1000, (void *)pcTextForTask2, 1, NULL);

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

3.2.5 任務的刪除

刪除任務時使用的函數(shù)如下：

void vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete );

參數(shù)說明：

怎么刪除任務？舉個不好的例子：

• 自殺：vTaskDelete(NULL)
• 被殺：別的任務執(zhí)行vTaskDelete(pvTaskCode)，pvTaskCode是自己的句柄
• 殺人：執(zhí)行vTaskDelete(pvTaskCode)，pvTaskCode是別的任務的句柄

3.2.6 示例3: 刪除任務

代碼為：FreeRTOS_03_delete_task

本節(jié)代碼會涉及優(yōu)先級的知識，可以只看vTaskDelete的用法，忽略優(yōu)先級的講解。

我們要做這些事情：

• 創(chuàng)建任務1：任務1的大循環(huán)里，創(chuàng)建任務2，然后休眠一段時間
• 任務2：打印一句話，然后就刪除自己

任務1的代碼如下：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xDelay100ms = pdMS_TO_TICKS( 100UL );		
	BaseType_t ret;
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務的信息 */
		printf("Task1 is running\r\n");
		
		ret = xTaskCreate( vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 2, &xTask2Handle );
		if (ret != pdPASS)
			printf("Create Task2 Failed\r\n");
		
		// 如果不休眠的話, Idle任務無法得到執(zhí)行
		// Idel任務會清理任務2使用的內(nèi)存
		// 如果不休眠則Idle任務無法執(zhí)行, 最后內(nèi)存耗盡
		vTaskDelay( xDelay100ms );
	}

任務2的代碼如下：

void vTask2( void *pvParameters )
{	
	/* 打印任務的信息 */
	printf("Task2 is running and about to delete itself\r\n");

	// 可以直接傳入?yún)?shù)NULL, 這里只是為了演示函數(shù)用法
	vTaskDelete(xTask2Handle);
}

main函數(shù)代碼如下：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

運行結果如下：

任務運行圖：

• main函數(shù)中創(chuàng)建任務1，優(yōu)先級為1。任務1運行時，它創(chuàng)建任務2，任務2的優(yōu)先級是2。
• 任務2的優(yōu)先級最高，它馬上執(zhí)行。
• 任務2打印一句話后，就刪除了自己。
• 任務2被刪除后，任務1的優(yōu)先級最高，輪到任務1繼續(xù)運行，它調(diào)用vTaskDelay()進入Block狀態(tài)
• 任務1 Block期間，輪到Idle任務執(zhí)行：它釋放任務2的內(nèi)存(TCB、棧)
• 時間到后，任務1變?yōu)樽罡邇?yōu)先級的任務繼續(xù)執(zhí)行。
• 如此循環(huán)。

在任務1的函數(shù)中，如果不調(diào)用vTaskDelay，則Idle任務用于沒有機會執(zhí)行，它就無法釋放創(chuàng)建任務2是分配的內(nèi)存。

而任務1在不斷地創(chuàng)建任務，不斷地消耗內(nèi)存，最終內(nèi)存耗盡再也無法創(chuàng)建新的任務。

現(xiàn)象如下：

任務1的代碼中，需要注意的是：xTaskCreate的返回值。

• 很多手冊里說它失敗時返回值是pdFAIL，這個宏是0
• 其實失敗時返回值是errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY，這個宏是-1
• 為了避免混淆，我們使用返回值跟pdPASS來比較，這個宏是1

3.3 任務優(yōu)先級和Tick

3.3.1 任務優(yōu)先級

在上個示例中我們體驗過優(yōu)先級的使用：高優(yōu)先級的任務先運行。

優(yōu)先級的取值范圍是：0~(configMAX_PRIORITIES – 1)，數(shù)值越大優(yōu)先級越高。

FreeRTOS的調(diào)度器可以使用2種方法來快速找出優(yōu)先級最高的、可以運行的任務。使用不同的方法時，configMAX_PRIORITIES 的取值有所不同。

• 通用方法
  使用C函數(shù)實現(xiàn)，對所有的架構都是同樣的代碼。對configMAX_PRIORITIES的取值沒有限制。但是configMAX_PRIORITIES的取值還是盡量小，因為取值越大越浪費內(nèi)存，也浪費時間。
  configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定義為0、或者未定義時，使用此方法。
• 架構相關的優(yōu)化的方法
  架構相關的匯編指令，可以從一個32位的數(shù)里快速地找出為1的最高位。使用這些指令，可以快速找出優(yōu)先級最高的、可以運行的任務。
  使用這種方法時，configMAX_PRIORITIES的取值不能超過32。
  configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定義為1時，使用此方法。

在學習調(diào)度方法之前，你只要初略地知道：

• FreeRTOS會確保最高優(yōu)先級的、可運行的任務，馬上就能執(zhí)行
• 對于相同優(yōu)先級的、可運行的任務，輪流執(zhí)行

這無需記憶，就像我們舉的例子：

• 廚房著火了，當然優(yōu)先滅火
• 喂飯、回復信息同樣重要，輪流做

3.3.2 Tick

對于同優(yōu)先級的任務，它們“輪流”執(zhí)行。怎么輪流？你執(zhí)行一會，我執(zhí)行一會。

"一會"怎么定義？

人有心跳，心跳間隔基本恒定。

FreeRTOS中也有心跳，它使用定時器產(chǎn)生固定間隔的中斷。這叫Tick、滴答，比如每10ms發(fā)生一次時鐘中斷。

如下圖：

• 假設t1、t2、t3發(fā)生時鐘中斷
• 兩次中斷之間的時間被稱為時間片(time slice、tick period)
• 時間片的長度由configTICK_RATE_HZ 決定，假設configTICK_RATE_HZ為100，那么時間片長度就是10ms

相同優(yōu)先級的任務怎么切換呢？請看下圖：

• 任務2從t1執(zhí)行到t2
• 在t2發(fā)生tick中斷，進入tick中斷處理函數(shù)：
  • 選擇下一個要運行的任務
  • 執(zhí)行完中斷處理函數(shù)后，切換到新的任務：任務1
• 任務1從t2執(zhí)行到t3
• 從下圖中可以看出，任務運行的時間并不是嚴格從t1,t2,t3哪里開始

有了Tick的概念后，我們就可以使用Tick來衡量時間了，比如：

vTaskDelay(2);  // 等待2個Tick，假設configTICK_RATE_HZ=100, Tick周期時10ms, 等待20ms

// 還可以使用pdMS_TO_TICKS宏把ms轉換為tick
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));	 // 等待100ms

注意，基于Tick實現(xiàn)的延時并不精確，比如vTaskDelay(2)的本意是延遲2個Tick周期，有可能經(jīng)過1個Tick多一點就返回了。

如下圖：

使用vTaskDelay函數(shù)時，建議以ms為單位，使用pdMS_TO_TICKS把時間轉換為Tick。

這樣的代碼就與configTICK_RATE_HZ無關，即使配置項configTICK_RATE_HZ改變了，我們也不用去修改代碼。

3.3.3 示例4: 優(yōu)先級實驗

代碼為：FreeRTOS_04_task_priority

本程序會創(chuàng)建3個任務：

• 任務1、任務2：優(yōu)先級相同，都是1
• 任務3：優(yōu)先級最高，是2

任務1、2代碼如下：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T1\r\n");				
	}
}

void vTask2( void *pvParameters )
{	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T2\r\n");				
	}
}

任務3代碼如下：

void vTask3( void *pvParameters )
{	
	const TickType_t xDelay3000ms = pdMS_TO_TICKS( 3000UL );		
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T3\r\n");				

		// 如果不休眠的話, 其他任務無法得到執(zhí)行
		vTaskDelay( xDelay3000ms );
	}
}

main函數(shù)代碼如下：

{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);
	xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, NULL);
	xTaskCreate(vTask3, "Task 3", 1000, NULL, 2, NULL);

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

運行情況如下圖所示：

• 任務3優(yōu)先執(zhí)行，直到它調(diào)用vTaskDelay主動放棄運行
• 任務1、任務2：輪流執(zhí)行

調(diào)度情況如下圖所示：

3.3.4 示例5: 修改優(yōu)先級

本節(jié)代碼為：FreeRTOS_05_change_priority。

使用uxTaskPriorityGet來獲得任務的優(yōu)先級：

UBaseType_t uxTaskPriorityGet( const TaskHandle_t xTask );

使用參數(shù)xTask來指定任務，設置為NULL表示獲取自己的優(yōu)先級。

使用vTaskPrioritySet 來設置任務的優(yōu)先級：

void vTaskPrioritySet( TaskHandle_t xTask,
                       UBaseType_t uxNewPriority );

使用參數(shù)xTask來指定任務，設置為NULL表示設置自己的優(yōu)先級；
參數(shù)uxNewPriority表示新的優(yōu)先級，取值范圍是0~(configMAX_PRIORITIES – 1)。

main函數(shù)的代碼如下，它創(chuàng)建了2個任務：任務1的優(yōu)先級更高，它先執(zhí)行：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	/* Task1的優(yōu)先級更高, Task1先執(zhí)行 */
	xTaskCreate( vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 2, NULL );
	xTaskCreate( vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, &xTask2Handle );

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

任務1的代碼如下：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	UBaseType_t uxPriority;
	
	/* Task1,Task2都不會進入阻塞或者暫停狀態(tài)
	 * 根據(jù)優(yōu)先級決定誰能運行
	 */
	
	/* 得到Task1自己的優(yōu)先級 */
	uxPriority = uxTaskPriorityGet( NULL );
	
	for( ;; )
	{
		printf( "Task 1 is running\r\n" );

		printf("About to raise the Task 2 priority\r\n" );
		
		/* 提升Task2的優(yōu)先級高于Task1
		 * Task2會即刻執(zhí)行
 		 */
		vTaskPrioritySet( xTask2Handle, ( uxPriority + 1 ) );
		
		/* 如果Task1能運行到這里，表示它的優(yōu)先級比Task2高
		* 那就表示Task2肯定把自己的優(yōu)先級降低了
 		 */
	}
}

任務2的代碼如下：

void vTask2( void *pvParameters )
{
	UBaseType_t uxPriority;

	/* Task1,Task2都不會進入阻塞或者暫停狀態(tài)
	 * 根據(jù)優(yōu)先級決定誰能運行
	 */
	
	/* 得到Task2自己的優(yōu)先級 */
	uxPriority = uxTaskPriorityGet( NULL );
	
	for( ;; )
	{
		/* 能運行到這里表示Task2的優(yōu)先級高于Task1
		 * Task1提高了Task2的優(yōu)先級
		 */
		printf( "Task 2 is running\r\n" );
		
		printf( "About to lower the Task 2 priority\r\n" );

		/* 降低Task2自己的優(yōu)先級，讓它小于Task1
		 * Task1得以運行
 		 */
		vTaskPrioritySet( NULL, ( uxPriority - 2 ) );
	}
}

調(diào)度情況如下圖所示：

• 1：一開始Task1優(yōu)先級最高，它先執(zhí)行。它提升了Task2的優(yōu)先級。
• 2：Task2的優(yōu)先級最高，它執(zhí)行。它把自己的優(yōu)先級降低了。
• 3：Task1的優(yōu)先級最高，再次執(zhí)行。它提升了Task2的優(yōu)先級。
• 如此循環(huán)。
• 注意：Task1的優(yōu)先級一直是2，Task2的優(yōu)先級是3或1，都大于0。所以Idel任務沒有機會執(zhí)行。

3.4 任務狀態(tài)

以前我們很簡單地把任務的狀態(tài)分為2中：運行(Runing)、非運行(Not Running)。

對于非運行的狀態(tài)，還可以繼續(xù)細分，比如前面的FreeRTOS_04_task_priority中：

• Task3執(zhí)行vTaskDelay后：處于非運行狀態(tài)，要過3秒種才能再次運行
• Task3運行期間，Task1、Task2也處于非運行狀態(tài)，但是它們隨時可以運行
• 這兩種"非運行"狀態(tài)就不一樣，可以細分為：
  • 阻塞狀態(tài)(Blocked)
  • 暫停狀態(tài)(Suspended)
  • 就緒狀態(tài)(Ready)

3.4.1 阻塞狀態(tài)(Blocked)

在日常生活的例子中，母親在電腦前跟同事溝通時，如果同事一直沒回復，那么母親的工作就被卡住了、被堵住了、處于阻塞狀態(tài)(Blocked)。重點在于：母親在等待。

在FreeRTOS_04_task_priority實驗中，如果把任務3中的vTaskDelay調(diào)用注釋掉，那么任務1、任務2根本沒有執(zhí)行的機會，任務1、任務2被"餓死"了(starve)。

在實際產(chǎn)品中，我們不會讓一個任務一直運行，而是使用"事件驅動"的方法讓它運行：

• 任務要等待某個事件，事件發(fā)生后它才能運行
• 在等待事件過程中，它不消耗CPU資源
• 在等待事件的過程中，這個任務就處于阻塞狀態(tài)(Blocked)

在阻塞狀態(tài)的任務，它可以等待兩種類型的事件：

• 時間相關的事件
  • 可以等待一段時間：我等2分鐘
  • 也可以一直等待，直到某個絕對時間：我等到下午3點
• 同步事件：這事件由別的任務，或者是中斷程序產(chǎn)生
  • 例子1：任務A等待任務B給它發(fā)送數(shù)據(jù)
  • 例子2：任務A等待用戶按下按鍵
  • 同步事件的來源有很多(這些概念在后面會細講)：
    • 隊列(queue)
    • 二進制信號量(binary semaphores)
    • 計數(shù)信號量(counting semaphores)
    • 互斥量(mutexes)
    • 遞歸互斥量、遞歸鎖(recursive mutexes)
    • 事件組(event groups)
    • 任務通知(task notifications)

在等待一個同步事件時，可以加上超時時間。比如等待隊里數(shù)據(jù)，超時時間設為10ms：

• 10ms之內(nèi)有數(shù)據(jù)到來：成功返回
• 10ms到了，還是沒有數(shù)據(jù)：超時返回

3.4.2 暫停狀態(tài)(Suspended)

在日常生活的例子中，母親正在電腦前跟同事溝通，母親可以暫停：

• 好煩啊，我暫停一會
• 領導說：你暫停一下

FreeRTOS中的任務也可以進入暫停狀態(tài)，唯一的方法是通過vTaskSuspend函數(shù)。函數(shù)原型如下：

void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );

參數(shù)xTaskToSuspend表示要暫停的任務，如果為NULL，表示暫停自己。

要退出暫停狀態(tài)，只能由別人來操作：

• 別的任務調(diào)用：vTaskResume
• 中斷程序調(diào)用：xTaskResumeFromISR

實際開發(fā)中，暫停狀態(tài)用得不多。

3.4.3 就緒狀態(tài)(Ready)

這個任務完全準備好了，隨時可以運行：只是還輪不到它。這時，它就處于就緒態(tài)(Ready)。

3.4.4 完整的狀態(tài)轉換圖

3.5 Delay函數(shù)

3.5.1 兩個Delay函數(shù)

有兩個Delay函數(shù)：

• vTaskDelay：至少等待指定個數(shù)的Tick Interrupt才能變?yōu)榫途w狀態(tài)
• vTaskDelayUntil：等待到指定的絕對時刻，才能變?yōu)榫途w態(tài)。

這2個函數(shù)原型如下：

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay ); /* xTicksToDelay: 等待多少給Tick */

/* pxPreviousWakeTime: 上一次被喚醒的時間
 * xTimeIncrement: 要阻塞到(pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement)
 * 單位都是Tick Count
 */
BaseType_t xTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,
                            const TickType_t xTimeIncrement );

下面畫圖說明：

• 使用vTaskDelay(n)時，進入、退出vTaskDelay的時間間隔至少是n個Tick中斷
• 使用xTaskDelayUntil(&Pre, n)時，前后兩次退出xTaskDelayUntil的時間至少是n個Tick中斷
  • 退出xTaskDelayUntil時任務就進入的就緒狀態(tài)，一般都能得到執(zhí)行機會
  • 所以可以使用xTaskDelayUntil來讓任務周期性地運行

3.5.2 示例6: Delay

本節(jié)代碼為：FreeRTOS_06_taskdelay。

本程序會創(chuàng)建2個任務：

• Task1：
  • 高優(yōu)先級
  • 設置變量flag為1，然后調(diào)用vTaskDelay(xDelay50ms);或vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xDelay50ms);
• Task2：
  • 低優(yōu)先級
  • 設置變量flag為0

main函數(shù)代碼如下：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	/* Task1的優(yōu)先級更高, Task1先執(zhí)行 */
	xTaskCreate( vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 2, NULL );
	xTaskCreate( vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, NULL );

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

Task1的代碼中使用條件開關來選擇Delay函數(shù)，把#if 1改為#if 0就可以使用vTaskDelayUntil，代碼如下：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xDelay50ms = pdMS_TO_TICKS( 50UL );
	TickType_t xLastWakeTime;
	int i;
	
	/* 獲得當前的Tick Count */
	xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
			
	for( ;; )
	{
		flag = 1;
		
		/* 故意加入多個循環(huán)，讓程序運行時間長一點 */
		for (i = 0; i <5; i++)
			printf( "Task 1 is running\r\n" );

#if 1		
		vTaskDelay(xDelay50ms);
#else		
		vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xDelay50ms);
#endif		
	}
}

Task2的代碼如下：

void vTask2( void *pvParameters )
{
	for( ;; )
	{
		flag = 0;
		printf( "Task 2 is running\r\n" );
	}
}

使用Keil的邏輯分析觀察flag變量的bit波形，如下：

• flag為1時表示Task1在運行，flag為0時表示Task2在運行，也就是Task1處于阻塞狀態(tài)
• vTaskDelay：指定的是阻塞的時間
• vTaskDelayUntil：指定的是任務執(zhí)行的間隔、周期

3.6 空閑任務及其鉤子函數(shù)

3.6.1 介紹

在FreeRTOS_03_delete_task的實驗里，我們體驗過空閑任務(Idle任務)的作用：釋放被刪除的任務的內(nèi)存。

除了上述目的之外，為什么必須要有空閑任務？一個良好的程序，它的任務都是事件驅動的：平時大部分時間處于阻塞狀態(tài)。有可能我們自己創(chuàng)建的所有任務都無法執(zhí)行，但是調(diào)度器必須能找到一個可以運行的任務：所以，我們要提供空閑任務。在使用vTaskStartScheduler()函數(shù)來創(chuàng)建、啟動調(diào)度器時，這個函數(shù)內(nèi)部會創(chuàng)建空閑任務：

• 空閑任務優(yōu)先級為0：它不能阻礙用戶任務運行
• 空閑任務要么處于就緒態(tài)，要么處于運行態(tài)，永遠不會阻塞

空閑任務的優(yōu)先級為0，這意味著一旦某個用戶的任務變?yōu)榫途w態(tài)，那么空閑任務馬上被切換出去，讓這個用戶任務運行。在這種情況下，我們說用戶任務"搶占"(pre-empt)了空閑任務，這是由調(diào)度器實現(xiàn)的。

要注意的是：如果使用vTaskDelete()來刪除任務，那么你就要確?？臻e任務有機會執(zhí)行，否則就無法釋放被刪除任務的內(nèi)存。

我們可以添加一個空閑任務的鉤子函數(shù)(Idle Task Hook Functions)，空閑任務的循環(huán)每執(zhí)行一次，就會調(diào)用一次鉤子函數(shù)。鉤子函數(shù)的作用有這些：

• 執(zhí)行一些低優(yōu)先級的、后臺的、需要連續(xù)執(zhí)行的函數(shù)
• 測量系統(tǒng)的空閑時間：空閑任務能被執(zhí)行就意味著所有的高優(yōu)先級任務都停止了，所以測量空閑任務占據(jù)的時間，就可以算出處理器占用率。
• 讓系統(tǒng)進入省電模式：空閑任務能被執(zhí)行就意味著沒有重要的事情要做，當然可以進入省電模式了。

空閑任務的鉤子函數(shù)的限制：

• 不能導致空閑任務進入阻塞狀態(tài)、暫停狀態(tài)
• 如果你會使用vTaskDelete()來刪除任務，那么鉤子函數(shù)要非常高效地執(zhí)行。如果空閑任務移植卡在鉤子函數(shù)里的話，它就無法釋放內(nèi)存。

3.6.2 使用鉤子函數(shù)的前提

在FreeRTOS\Source\tasks.c中，可以看到如下代碼，所以前提就是：

• 把這個宏定義為1：configUSE_IDLE_HOOK
• 實現(xiàn)vApplicationIdleHook函數(shù)

3.7 調(diào)度算法

3.7.1 重要概念

這些知識在前面都提到過了，這里總結一下。

正在運行的任務，被稱為"正在使用處理器"，它處于運行狀態(tài)。在單處理系統(tǒng)中，任何時間里只能有一個任務處于運行狀態(tài)。

非運行狀態(tài)的任務，它處于這3中狀態(tài)之一：阻塞(Blocked)、暫停(Suspended)、就緒(Ready)。就緒態(tài)的任務，可以被調(diào)度器挑選出來切換為運行狀態(tài)，調(diào)度器永遠都是挑選最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務并讓它進入運行狀態(tài)。

阻塞狀態(tài)的任務，它在等待"事件"，當事件發(fā)生時任務就會進入就緒狀態(tài)。事件分為兩類：時間相關的事件、同步事件。所謂時間相關的事件，就是設置超時時間：在指定時間內(nèi)阻塞，時間到了就進入就緒狀態(tài)。使用時間相關的事件，可以實現(xiàn)周期性的功能、可以實現(xiàn)超時功能。同步事件就是：某個任務在等待某些信息，別的任務或者中斷服務程序會給它發(fā)送信息。怎么"發(fā)送信息"？方法很多，有：任務通知(task notification)、隊列(queue)、事件組(event group)、信號量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。這些方法用來發(fā)送同步信息，比如表示某個外設得到了數(shù)據(jù)。

3.7.2 配置調(diào)度算法

所謂調(diào)度算法，就是怎么確定哪個就緒態(tài)的任務可以切換為運行狀態(tài)。

通過配置文件FreeRTOSConfig.h的兩個配置項來配置調(diào)度算法：configUSE_PREEMPTION、configUSE_TIME_SLICING。

還有第三個配置項：configUSE_TICKLESS_IDLE，它是一個高級選項，用于關閉Tick中斷來實現(xiàn)省電，后續(xù)單獨講解。現(xiàn)在我們假設configUSE_TICKLESS_IDLE被設為0，先不使用這個功能。

調(diào)度算法的行為主要體現(xiàn)在兩方面：高優(yōu)先級的任務先運行、同優(yōu)先級的就緒態(tài)任務如何被選中。調(diào)度算法要確保同優(yōu)先級的就緒態(tài)任務，能"輪流"運行，策略是"輪轉調(diào)度"(Round Robin Scheduling)。輪轉調(diào)度并不保證任務的運行時間是公平分配的，我們還可以細化時間的分配方法。

從3個角度統(tǒng)一理解多種調(diào)度算法：

可否搶占？高優(yōu)先級的任務能否優(yōu)先執(zhí)行(配置項: configUSE_PREEMPTION)

• 可以：被稱作"可搶占調(diào)度"(Pre-emptive)，高優(yōu)先級的就緒任務馬上執(zhí)行，下面再細化。
• 不可以：不能搶就只能協(xié)商了，被稱作"合作調(diào)度模式"(Co-operative Scheduling)
  • 當前任務執(zhí)行時，更高優(yōu)先級的任務就緒了也不能馬上運行，只能等待當前任務主動讓出CPU資源。
  • 其他同優(yōu)先級的任務也只能等待：更高優(yōu)先級的任務都不能搶占，平級的更應該老實點

可搶占的前提下，同優(yōu)先級的任務是否輪流執(zhí)行(配置項：configUSE_TIME_SLICING)

• 輪流執(zhí)行：被稱為"時間片輪轉"(Time Slicing)，同優(yōu)先級的任務輪流執(zhí)行，你執(zhí)行一個時間片、我再執(zhí)行一個時間片
• 不輪流執(zhí)行：英文為"without Time Slicing"，當前任務會一直執(zhí)行，直到主動放棄、或者被高優(yōu)先級任務搶占

在"可搶占"+"時間片輪轉"的前提下，進一步細化：空閑任務是否讓步于用戶任務(配置項：configIDLE_SHOULD_YIELD)

• 空閑任務低人一等，每執(zhí)行一次循環(huán)，就看看是否主動讓位給用戶任務
• 空閑任務跟用戶任務一樣，大家輪流執(zhí)行，沒有誰更特殊

列表如下：

注：

• A：可搶占+時間片輪轉+空閑任務讓步
• B：可搶占+時間片輪轉+空閑任務不讓步
• C：可搶占+非時間片輪轉+空閑任務讓步
• D：可搶占+非時間片輪轉+空閑任務不讓步
• E：合作調(diào)度

3.7.3 示例7: 調(diào)度

本節(jié)代碼為：FreeRTOS_07_scheduler。后續(xù)的實驗都是基于這個程序，通過修改配置項來觀察效果。

代碼里創(chuàng)建了3個任務：Task1、Task2的優(yōu)先級都是0，跟空閑任務一樣，Task3優(yōu)先級最高為2。程序里定義了4個全局變量，當某個的任務執(zhí)行時，對應的變量就被設為1，可以通過Keil的邏輯分析儀查看任務切換情況：

static volatile int flagIdleTaskrun = 0;  // 空閑任務運行時flagIdleTaskrun=1
static volatile int flagTask1run = 0;     // 任務1運行時flagTask1run=1
static volatile int flagTask2run = 0;     // 任務2運行時flagTask2run=1
static volatile int flagTask3run = 0;     // 任務3運行時flagTask3run=1

main函數(shù)代碼如下：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 0, NULL);
	xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 0, NULL);
	xTaskCreate(vTask3, "Task 3", 1000, NULL, 2, NULL);

	/* 啟動調(diào)度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內(nèi)存不足 */
	return 0;
}

任務1、任務2代碼如下，它們是"連續(xù)任務"(continuous task)：

void vTask1( void *pvParameters )
{
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		flagIdleTaskrun = 0;
		flagTask1run = 1;
		flagTask2run = 0;
		flagTask3run = 0;
		
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T1\r\n");				
	}
}

void vTask2( void *pvParameters )
{	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		flagIdleTaskrun = 0;
		flagTask1run = 0;
		flagTask2run = 1;
		flagTask3run = 0;
		
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T2\r\n");				
	}
}

任務3代碼如下，它會調(diào)用vTaskDelay，這樣別的任務才可以運行：

void vTask3( void *pvParameters )
{	
	const TickType_t xDelay5ms = pdMS_TO_TICKS( 5UL );		
	
	/* 任務函數(shù)的主體一般都是無限循環(huán) */
	for( ;; )
	{
		flagIdleTaskrun = 0;
		flagTask1run = 0;
		flagTask2run = 0;
		flagTask3run = 1;
		
		/* 打印任務的信息 */
		printf("T3\r\n");				

		// 如果不休眠的話, 其他任務無法得到執(zhí)行
		vTaskDelay( xDelay5ms );
	}
}

提供了一個空閑任務的鉤子函數(shù)：

void vApplicationIdleHook(void)
{
	flagIdleTaskrun = 1;
	flagTask1run = 0;
	flagTask2run = 0;
	flagTask3run = 0;	
	
	/* 故意加入打印讓flagIdleTaskrun變?yōu)?的時間維持長一點 */
	printf("Id\r\n");				
}

3.7.4 對比效果: 搶占與否

在FreeRTOSConfig.h中，定義這樣的宏，對比邏輯分析儀的效果：

// 實驗1：搶占
#define configUSE_PREEMPTION		1
#define configUSE_TIME_SLICING      1
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

// 實驗2：不搶占
#define configUSE_PREEMPTION		0
#define configUSE_TIME_SLICING      1
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

從下面的對比圖可以知道：

• 搶占時：高優(yōu)先級任務就緒時，就可以馬上執(zhí)行
• 不搶占時：優(yōu)先級失去意義了，既然不能搶占就只能協(xié)商了，圖中任務1一直在運行(一點都沒有協(xié)商精神)，其他任務都無法執(zhí)行。即使任務3的vTaskDelay已經(jīng)超時、即使它的優(yōu)先級更高，都沒辦法執(zhí)行。

3.7.5 對比效果: 時間片輪轉與否

在FreeRTOSConfig.h中，定義這樣的宏，對比邏輯分析儀的效果：

// 實驗1：時間片輪轉
#define configUSE_PREEMPTION		1
#define configUSE_TIME_SLICING      1
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

// 實驗2：時間片不輪轉
#define configUSE_PREEMPTION		1
#define configUSE_TIME_SLICING      0
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

從下面的對比圖可以知道：

• 時間片輪轉：在Tick中斷中會引起任務切換
• 時間片不輪轉：高優(yōu)先級任務就緒時會引起任務切換，高優(yōu)先級任務不再運行時也會引起任務切換?？梢钥吹饺蝿?就緒后可以馬上執(zhí)行，它運行完畢后導致任務切換。其他時間沒有任務切換，可以看到任務1、任務2都運行了很長時間。

3.7.6 對比效果: 空閑任務讓步

在FreeRTOSConfig.h中，定義這樣的宏，對比邏輯分析儀的效果：

// 實驗1：空閑任務讓步
#define configUSE_PREEMPTION		1
#define configUSE_TIME_SLICING      1
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

// 實驗2：空閑任務不讓步
#define configUSE_PREEMPTION		1
#define configUSE_TIME_SLICING      1
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		0

從下面的對比圖可以知道：

• 讓步時：在空閑任務的每個循環(huán)中，會主動讓出處理器，從圖中可以看到flagIdelTaskrun的波形很小
• 不讓步時：空閑任務跟任務1、任務2同等待遇，它們的波形寬度是差不多的