【FreeRTOS】详细讲解FreeRTOS中任务管理并通过示例讲述其用法

黑心萝卜三条杠2023-09-01 13:29

    任务状态

    在FreeRTOS中一个任务经创建后会有多个状态，通常可分为以下几种状态：

    • 就绪态：新创建的任务一般处于就绪态。处于就绪态的任务表明其已经存在于就绪列表中，其已经具备所有的任务执行需要条件 ，只等待调度器调度运行；
    • 运行态：运行态，表明该任务正在占用处理器执行任务 。调度器永远都只会从就绪列表中选取优先级最高任务运行；
    • 挂起态：处于挂起态的任务一般都是长时间不允许运行的任务，此时CUP不会处理该任务的任何信息；
    • 阻塞态：任务处于阻塞态，说明该任务不在就绪列表中 ，其正在等待某个时序或者是某个外部中断。通常任务挂起 、任务延时 、任务等待信号量都属于阻塞。

    既然如此，各个状态间转换关系又是怎么的呢？

    • 创建任务--->就绪态1：任务经过创建 函数(xTaskCreate/xTaskCreateStatic)后可以直接进入就绪态；
    • 就绪态--->运行态2：任务发生切换时，调度器总从就绪列表中选取优先级最高 的任务进入运行态开始运行；
    • 运行态--->就绪态3：当有更高优先级任务被创建或恢复 后，调度器就会将新任务变成运行态 ，而原来的任务就会变成阻塞状态 ，直到新任务执行完毕后原任务才会继续运行；看到这大家有没有觉得这玩意有点像中断呢？🤣🤣🤣
    • 运行态--->阻塞态4：当正在执行的任务发生阻塞 （挂起、延时、读取信号量等）时，该任务就会变成阻塞态 ，并且任务还会从就绪列表中删除 ，最后调度器会从就绪列表中执行当前优先级最高的任务；
    • 阻塞态--->就绪态5：当阻塞任务恢复 （任务恢复、延时超时、读取信号量超时等）后，该任务会变成就绪态 ，并且重新加入到就绪列表 ，此时调度器仍然执行就绪列表中优先级最高的任务；
    • 就绪态--->挂起态6：无论任务处于哪个状态一旦调用API（vTaskSuspend）任务都会切换到挂起状态 ，挂起任务不会获得CPU使用权，更不会参与调度器的调度 ，挂起后调度器仍然调度就绪列表中优先级最高的任务运行；
    • 阻塞态--->挂起态7：与6相同；
    • 运行态--->挂起态8：与6相同；
    • 挂起态--->就绪态9：处于挂起态的任务经任务恢复 （vTaskResume）后，任务会切换到就绪态 ，此时调度器仍然调度就序列表中优先级最高的任务运行；

    任务函数

    启动任务调度器 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskStartScheduler(void);

    函数参数

    无

    函数说明   函数vTaskStartScheduler是FreeRTOS中一个非常重要的函数，无论是什么样的FreeRTOS程序都需要使用vTaskStartScheduler函数启动调度器，该函数就像一个总开关，只有将其打开才能够使得FreeRTOS正常工作。

    静态任务创建 函数原型

    c 复制代码 
    TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode,
                                const char * const pcName, 
                                const uint32_t ulStackDepth,
                                void * const pvParameters,
                                UBaseType_t uxPriority,
                                StackType_t * const puxStackBuffer,
                                StaticTask_t * const pxTaskBuffer );

    参数解析

    • TaskFunction_t pxTaskCode：设置创建任务所需执行的任务函数；
    • const char * const pcName：设置任务名字；
    • const uint32_t ulStackDepth：设置任务栈长度；
    • void * const pvParameters：传递给任务的参数；
    • UBaseType_t uxPriority：设置任务优先级；
    • StackType_t * const puxStackBuffer：设置任务堆栈；
    • StaticTask_t * const pxTaskBuffer：任务控制块；

    函数说明   静态创建任务函数xTaskCreateStatic，含有七个参数、一个返回值（表示任务是否创建成功）。需要注意的是使用其创建任务时需要传入任务栈。

    动态任务创建 函数原型

    c 复制代码 
        BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
                            const char * const pcName,
                            const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
                            void * const pvParameters,
                            UBaseType_t uxPriority,
                            TaskHandle_t * const pxCreatedTask);

    参数解析

    • TaskFunction_t pxTaskCode：设置创建任务所需执行的任务函数；
    • const char * const pcName：设置任务名字；
    • const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth：设置任务栈大小；
    • void * const pvParameters：传递任务函数参数；
    • UBaseType_t uxPriority：设置任务优先级；
    • TaskHandle_t * const pxCreatedTask：保存任务控制块；

    函数说明   动态创建任务函数，共含有六个参数、一个返回值(返回值也表示任务是否创建成功),与静态创建任务不同之处是该函数不用传入任务栈，其任务栈使用动态方式创建。

    单任务挂起 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );

    参数解析

    • TaskHandle_t xTaskToSuspend：任务的控制权柄；

    函数说明   通过该函数可以使得某任务进入挂起状态，等待下次任务恢复才有可能继续运行。

    多任务挂起 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskSuspendAll( void );

    参数解析

    无

    函数说明   通过函数vTaskSuspendAll能够使得所有的任务都进入挂起状态 ，看起来将所有任务都挂起了，实际上仅仅锁住调度器 （也就是挂起任务调度器 ）。使用该函数虽然锁住了调度器，但系统中断依旧可以正常使用。

    单任务恢复 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToResume );

    参数解析

    • TaskHandle_t xTaskToSuspend：任务的控制权柄；

    函数说明   通过函数vTaskResume可以使由挂起函数vTaskSuspend挂起的任务重新恢复。   无论同一任务 在挂起时候调用过多少次vTaskSuspend()函数，也只需调用一次 vTaskResume()函数即可将任务恢复运行；当然，无论调用多少次vTaskResume()函数 ，也只有在任务是挂起态的时候才进行恢复。

    多任务恢复 函数原型

    c 复制代码 
    BaseType_t xTaskResumeAll( void );

    参数解析

    • 返回值：类型为BaseType_t，用于表示恢复任务是否成功；

    函数说明   通过函数xTaskResumeAll可以使得所有被挂起的任务都恢复。   调度器恢复可以调用xTaskResumeAll()函数，调用多少次的 vTaskSuspendAll()就要调用多少次xTaskResumeAll()进行恢复。

    在中断中恢复任务 函数原型

    c 复制代码 
    BaseType_t xTaskResumeFromISR( TaskHandle_t xTaskToResume );

    参数解析

    • TaskHandle_t xTaskToResume：任务控制权柄；
    • 返回值：类型为BaseType_t，用于表示任务恢复是否成功；

    函数说明   函数xTaskResumeFromISR是在中断中恢复被挂起任务。   使用该函数时必须将INCLUDE_vTaskSuspend 和INCLUDE_vTaskResumeFromISR 都定义为 1 才有效 。但任务还没有处于挂起态 的时候，调用xTaskResumeFromISR()函数是没有任何意义的。

    任务删除 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete );

    参数解析

    • TaskHandle_t xTaskToDelete：任务的控制句柄；

    函数说明   使用函数vTaskDelete()前需要将INCLUDE_vTaskDelete定义为 1；被删除任务可以从所有就绪、阻塞、挂起和事件列表中删除 。   通过函数vTaskDelete()可以删除某个任务；当删除自身时，传入参数NULL ，但自己的内存并没有得到释放。

    任务相对延时 函数原型

    c 复制代码 
    void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );

    参数解析

    • const TickType_t xTicksToDelay：延时时间，单位为系统节拍时间 (tick)；

    函数说明   使用vTaskDelay()函数前，必须把INCLUDE_vTaskDelay 定义为 1。   函数vTaskDelay()是相对地阻塞延时 ，调用该函数后，任务将进入阻塞状态 ，并且让出 CPU 资源。延时时长由形参 xTicksToDelay 决定，单位为系统节拍周期， 比如系统的时钟节拍周期为 1ms，那么调用vTaskDelay(10)的延时时间则为10ms，那么经过从调用vTaskDelay()相对的10ms后任务会解除阻塞，因此，函数vTaskDelay()不适用于周期性执行任务的场合，并且其他任务与中断也会影响该函数正常工作。

    任务绝对延时 函数原型

    c 复制代码 
    BaseType_t xTaskDelayUntil( TickType_t *pxPreviousWakeTime, 
							const TickType_t xTimeIncrement );

    参数解析

    • TickType_t *pxPreviousWakeTime：指针，指向一个变量，该变量保存任务最后一次解除阻塞的的时刻。第一次使用时，该变量必须初始化为当前时间，之后这个变量会在vTaskDelayUntil()函数内自动更新。
    • const TickType_t xTimeIncrement：周 期 循 环 时 间 。 当 时 间 等 于(*pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement)时，任务解除阻塞。如果不改变参数 xTimeIncrement 的值，调用该函数的任务会按照固定频率执行。
    • 返回值：数据类型为BaseType_t，用于检验任务是否实际延迟的值。

    函数说明   在实际使用过程中，一般使用vTaskDelayUntil函数，但是它的实现本质上还是依靠函数xTaskDelayUntil实现。函数重声明如下：

    c 复制代码 
    /*
 * vTaskDelayUntil() is the older version of xTaskDelayUntil() and does not
 * return a value.
 */
#define vTaskDelayUntil( pxPreviousWakeTime, xTimeIncrement )                   \
    do {                                                                        \
        ( void ) xTaskDelayUntil( ( pxPreviousWakeTime ), ( xTimeIncrement ) ); \
    } while( 0 )

    使用函数vTaskDelayUntil前，必须把INCLUDE_vTaskDelayUntil 定义为 1。   函数vTaskDelayUntil()延时是绝对性的。   功能上看，函数vTaskDelayUntil() 与函数vTaskDelay () 都是用来实现任务的周期性延时 。但vTaskDelay ()的延时是相对的，是不确定的，它的延时是 等 vTaskDelay ()调用完毕后开始计算**的。并且 vTaskDelay ()延时时间到了之后，如果有高优先级的任务或者中断正在执行，被延时阻塞的任务并不会马上解除阻塞，所有每次执行任务的周期并不完全确定。而vTaskDelayUntil()延时是绝对的，适用于周期性执行的任务 。当(*pxPreviousWakeTime +xTimeIncrement)时间到达后，vTaskDelayUntil()函数立刻返回，如果此任务是最高优先级的，则任务会立马解除阻塞。

    示例

    示例1   利用FreeRTOS的空闲任务计时实现LED1、LED2灯闪烁。

    • 步骤一：创建两个FreeRTOS的任务，其优先级都设置为1；
    • 步骤二：完成两个FreeRTOS任务的函数体，每次执行一次任务后就使用函数vTaskSuspend将任务挂起；
    • 步骤三：完成空闲任务函数函数体，每执行一个函数就将计数值加 1 。当空闲任务执行次数到达指定次数时，就使用函数vTaskResume恢复函数。
    c 复制代码 
    void task1(void);
void task2(void);

unsigned int count[2] = {0,0};

/*****************************************
* 函数功能：freertos工作函数
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void freertosWork(void)
{
	/*创建任务两个LED灯闪烁任务*/
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[2] ;
	
	//动态创建任务1
	xReturn[0] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task1,//任务入口函数
				(const char *)"task1",//任务名字
				(uint16_t)512,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[0]//任务控制块
				);
	
	//动态创建任务2
	xReturn[1] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task2,//任务入口函数
				(const char *)"task2",//任务名字
				(uint16_t)512,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[1]//任务控制块
				);					
		
	//创建成功 
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1])
		//启动任务，开启调度 
		vTaskStartScheduler(); 
	//创建失败
	else
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);
	return 0;
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的任务1
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void task1(void)
{
	while(1)
	{
		//LED1反转状态
		rollbackLedByLocation(LED1);
		//挂起任务
		vTaskSuspend(xHandleTsak[0]);
	}
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的任务2
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void task2(void)
{
	while(1)
	{
		//LED2状态反转
		rollbackLedByLocation(LED2);
		//挂起任务
		vTaskSuspend(xHandleTsak[1]);
	}
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的空闲任务
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void vApplicationIdleHook (void)
{
		++count[0];		
		if(count[0] % 900000 == 0)
			//恢复任务1
			vTaskResume(xHandleTsak[1]);
		if(count[0] % 1000000 == 0)
			//恢复任务0
			vTaskResume(xHandleTsak[0]);
		if(count[0] % 500000 == 0)
			rollbackLedByLocation(LED8);
}

    结果   其结果为LED1、LED2根据空闲任务执行次数来切换LED1与LED2的状态；

    示例2   利用FreeRTOS的空闲任务计时实现LED1、LED2、LED3轮换灯闪烁。

    • 步骤一：创建三个FreeRTOS的任务，其优先级都设置为1；
    • 完成三个FreeRTOS任务的函数体，每次执行一次任务后就使用函数vTaskDelayUntil将任务周期性阻塞，切换各个任务；
    c 复制代码 
    void task1(void);
void task2(void);
void task3(void);

unsigned int count[2] = {0,0};

/*****************************************
* 函数功能：freertos工作函数
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void freertosWork(void)
{
	/*创建任务两个LED灯闪烁任务*/
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[2] ;
	
	//动态创建任务1
	xReturn[0] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task1,//任务入口函数
				(const char *)"task1",//任务名字
				(uint16_t)512,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[0]//任务控制块
				);
	
	//动态创建任务2
	xReturn[1] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task2,//任务入口函数
				(const char *)"task2",//任务名字
				(uint16_t)512,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[1]//任务控制块
				);					
	
	//动态创建任务3
	xReturn[2] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task3,//任务入口函数
				(const char *)"task3",//任务名字
				(uint16_t)512,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[2]//任务控制块
				);		
	//创建成功 
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1] == xReturn[2])
		//启动任务，开启调度 
		vTaskStartScheduler(); 
	//创建失败
	else
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);
	return 0;
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的任务1
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void task1(void)
{
	//保存上次任务执行的时间，调用后会再次刷新时间
	static portTickType PreviousWakeTime;
	const volatile TickType_t xDelay900ms = pdMS_TO_TICKS( 900UL );
	//获取当前时间
	PreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	while(1)
	{
		//LED1反转状态
		rollbackLedByLocation(LED1);
		vTaskDelayUntil( &PreviousWakeTime,xDelay900ms );
	}
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的任务2
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void task2(void)
{

	//保存上次任务执行的时间，调用后会再次刷新时间
	static portTickType PreviousWakeTime;
	const volatile TickType_t xDelay1400ms = pdMS_TO_TICKS( 1400UL );
	//获取当前时间
	PreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	while(1)
	{
		//LED2状态反转
		rollbackLedByLocation(LED2);	
		vTaskDelayUntil( &PreviousWakeTime,xDelay1400ms );
	}
}

/*****************************************
* 函数功能：freertos的任务3
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void task3(void)
{
	
	//保存上次任务执行的时间，调用后会再次刷新时间
	static portTickType PreviousWakeTime;
	const volatile TickType_t xDelay2000ms = pdMS_TO_TICKS( 2000UL );
	//获取当前时间
	PreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	while(1)
	{
		//LED2状态反转
		rollbackLedByLocation(LED3);	
		vTaskDelayUntil( &PreviousWakeTime,xDelay2000ms );
	}
}

    结果   FreeRTOS创建的三个任务，分别以900ms、1400ms、2000ms的时间间隔轮流执行，视觉上就是LED1、LED2、LED3轮流闪烁。

    小编这里还有一篇关于定时器的文章，也欢迎各位点击观看😉😉😉【FreeRTOS】详细讲解FreeRTOS的软件定时器及通过示例讲述其用法

    最后 ，也欢迎大家留言或私信交流，大家共同进步！😁😁😁

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