FreeRTOS 学习复盘（四）：事件组、软件定时器与任务通知机制

一、FreeRTOS 任务调度的基本原则

FreeRTOS 的调度原则不是"高优先级任务永远运行"，而是：

在所有处于就绪态的任务中，选择优先级最高的任务运行。

任务可能处于以下几种状态：

运行态；
就绪态；
阻塞态；
挂起态。

高优先级任务一旦进入阻塞态，低优先级任务就可以运行。

例如：

复制代码

ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);

当任务没有收到通知时，该函数会让任务进入阻塞态。

又例如：

复制代码

vTaskDelay(20);

任务会延时 20 个 Tick，在这段时间内处于阻塞状态。

因此下面三个任务即使优先级不同，也都可能得到运行机会：

复制代码

Send_Task       优先级 4
Receive2_Task   优先级 3
Receive1_Task   优先级 2

运行过程大致为：

复制代码

Send_Task 扫描按键
        ↓
vTaskDelay(20)，进入阻塞
        ↓
Receive2_Task 运行并等待通知
        ↓
Receive2_Task 阻塞
        ↓
Receive1_Task 运行并等待通知
        ↓
Receive1_Task 阻塞
        ↓
空闲任务运行

所以，低优先级任务能够运行，是因为高优先级任务主动进入了阻塞态。

二、事件组的基本机制

事件组可以理解为一个整数，其中每一位代表一个事件是否发生。

例如：

复制代码

#define KEY1_EVENT (1UL << 0)
#define KEY2_EVENT (1UL << 1)

对应的二进制为：

复制代码

KEY1_EVENT = 0000 0001
KEY2_EVENT = 0000 0010

两个事件组合：

复制代码

KEY1_EVENT | KEY2_EVENT

结果为：

复制代码

0000 0001
0000 0010
---------
0000 0011

因此，事件组可以使用不同的位记录不同事件。

1. 设置事件位

复制代码

xEventGroupSetBits(Event_Handle, KEY1_EVENT);

表示将 KEY1 对应的事件位置 1。

连续执行：

复制代码

xEventGroupSetBits(Event_Handle, KEY1_EVENT);
xEventGroupSetBits(Event_Handle, KEY2_EVENT);

事件组最终为：

复制代码

0000 0011

这里的事件是可以累积的，并不要求两个物理按键严格同时按下。

更准确地说，它表示：

KEY1 事件和 KEY2 事件都已经发生过。

2. 等待事件位

典型写法：

复制代码

r_event = xEventGroupWaitBits(
    Event_Handle,
    KEY1_EVENT | KEY2_EVENT,
    pdTRUE,
    pdTRUE,
    portMAX_DELAY
);

各参数含义如下：

复制代码

xEventGroupWaitBits(
    事件组句柄,
    等待的事件位,
    条件满足后是否清除,
    是否等待全部事件位,
    最大等待时间
);

对应本例：

复制代码

等待 KEY1_EVENT 和 KEY2_EVENT
条件满足后自动清除这两个位
必须两个位全部置 1
无限等待

所以只有两个事件都发生后，函数才会返回。

如果只发生 KEY1：

复制代码

事件组 = 0000 0001

任务会继续阻塞，不会执行后面的 if。

只有事件组变成：

复制代码

0000 0011

函数才会返回。

3. 为什么不是事件不满足就进入 `else`

代码结构是：

复制代码

r_event = xEventGroupWaitBits(...);

if (...)
{
    printf("两个事件都发生");
}
else
{
    printf("事件错误");
}

关键在于，程序必须先从：

复制代码

xEventGroupWaitBits(...)

返回，才会执行下面的 if。

当条件不满足时，任务直接阻塞在函数内部，根本不会执行 else。

可以近似理解为：

复制代码

while (两个事件没有全部发生)
{
    当前任务阻塞;
}

if (...)
{
    处理事件;
}

4. 事件判断的正确写法

错误写法：

复制代码

if ((r_event & (KEY1_EVENT | KEY1_EVENT))
    == (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))

因为：

复制代码

KEY1_EVENT | KEY1_EVENT

仍然只是 KEY1_EVENT。

正确写法：

复制代码

if ((r_event & (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
    == (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
{
    printf("KEY1与KEY2事件都发生\n");
}

其中：

复制代码

r_event & (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT)

用于提取关心的两个事件位。

再判断结果是否等于：

复制代码

KEY1_EVENT | KEY2_EVENT

即可确定两个事件是否都存在。

5. `xClearOnExit` 为什么影响循环行为

如果：

复制代码

xClearOnExit = pdTRUE

函数返回时会清除等待的事件位。

例如：

复制代码

返回值 r_event：0000 0011
事件组清除后：0000 0000

下一次调用时，任务会重新阻塞等待。

如果：

复制代码

xClearOnExit = pdFALSE

事件位不会清除：

复制代码

返回值 r_event：0000 0011
事件组仍然是：0000 0011

下一次调用时，等待条件仍然满足，所以函数会立即返回。

如果后面的判断有错误，就会出现不断打印错误信息的情况。

其本质是：

事件位没有清除，等待条件一直保持成立。

6. `xEventGroupClearBits()` 返回什么

示例：

复制代码

EventBits_t old_bits;

old_bits = xEventGroupClearBits(
    Event_Handle,
    KEY1_EVENT
);

该函数会：

清除指定事件位；
返回清除之前的整个事件组值。

例如清除前：

复制代码

事件组 = 0000 0011

清除 KEY1 后：

复制代码

old_bits   = 0000 0011
当前事件组 = 0000 0010

判断清除前 KEY1 是否存在：

复制代码

if ((old_bits & KEY1_EVENT) != 0)
{
    printf("清除前 KEY1 已置位\n");
}

判断两个事件是否都存在：

复制代码

if ((old_bits & (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
    == (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
{
    printf("清除前两个事件都存在\n");
}

三、软件定时器

FreeRTOS 软件定时器不是 STM32 的硬件定时器，它由 FreeRTOS 内核中的定时器服务任务统一管理。

需要包含：

复制代码

#include "timers.h"

典型创建方式：

复制代码

Swtmr1_Handle = xTimerCreate(
    "AutoReloadTimer",
    pdMS_TO_TICKS(1000),
    pdTRUE,
    (void *)1,
    Swtmr1_Callback
);

函数原型可以理解为：

复制代码

TimerHandle_t xTimerCreate(
    const char *pcTimerName,
    TickType_t xTimerPeriod,
    BaseType_t xAutoReload,
    void *pvTimerID,
    TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction
);

1. 定时周期

复制代码

pdMS_TO_TICKS(1000)

表示将 1000 ms 转换为系统 Tick 数。

不建议直接写：

复制代码

因为 1000 的单位是 Tick，不一定是毫秒。

例如：

复制代码

configTICK_RATE_HZ = 1000
1 Tick = 1 ms

但如果：

复制代码

configTICK_RATE_HZ = 100
1 Tick = 10 ms

那么 1000 Tick 就等于 10 秒。

2. 自动重装与单次定时器

周期定时器：

复制代码

pdTRUE

运行过程：

复制代码

启动
→ 到期
→ 执行回调
→ 自动重新计时
→ 再次到期

单次定时器：

复制代码

pdFALSE

运行过程：

复制代码

启动
→ 到期
→ 执行一次回调
→ 停止

3. 定时器 ID 的作用

创建时的：

复制代码

(void *)1

是定时器 ID，可以理解为应用程序为定时器设置的标签。

例如两个定时器共用一个回调函数：

复制代码

static void Timer_Callback(TimerHandle_t xTimer)
{
    uintptr_t timer_id;

    timer_id = (uintptr_t)pvTimerGetTimerID(xTimer);

    if (timer_id == 1)
    {
        printf("定时器1到期\n");
    }
    else if (timer_id == 2)
    {
        printf("定时器2到期\n");
    }
}

如果每个定时器使用不同的回调函数，也可以将 ID 设置为：

复制代码

NULL

4. `xTimerStart()` 的第二个参数

复制代码

xTimerStart(Swtmr1_Handle, 0);

第二个参数不是定时周期，也不是启动延迟。

它表示：

如果软件定时器命令队列已满，调用任务最多等待多少个 Tick。

设置为 0 表示：

复制代码

队列有空间 → 立即发送启动命令
队列已满   → 立即返回失败

因此最好检查返回值：

复制代码

BaseType_t result;

result = xTimerStart(Swtmr1_Handle, 0);

if (result == pdPASS)
{
    printf("定时器启动命令发送成功\n");
}
else
{
    printf("定时器启动命令发送失败\n");
}

需要注意，返回 pdPASS 表示：

启动命令成功进入软件定时器命令队列。

不表示回调函数已经执行。

5. 启动定时器时的句柄错误

错误写法：

复制代码

if (Swtmr2_Handle != NULL)
{
    xTimerStart(Swtmr1_Handle, 0);
}

这里判断的是定时器 2 是否创建成功，却启动了定时器 1。

正确写法：

复制代码

if (Swtmr2_Handle != NULL)
{
    xTimerStart(Swtmr2_Handle, 0);
}

原代码的实际效果是：

复制代码

创建定时器1
启动定时器1

创建定时器2
再次启动定时器1

定时器 2 从未启动，所以它的回调函数不会执行。

需要注意，重复调用 xTimerStart() 启动同一个软件定时器，一般并不是绝对非法操作。问题主要在于程序启动错了句柄，与原设计不一致。

6. 软件定时器回调函数

规范写法：

复制代码

static void Swtmr1_Callback(TimerHandle_t xTimer)
{
    LED1_TOGGLE;
}

不建议写成：

复制代码

static void Swtmr1_Callback(void *parameter)

再通过强制类型转换：

复制代码

(TimerCallbackFunction_t)Swtmr1_Callback

正确的函数签名可以让编译器进行类型检查，避免强制转换掩盖错误。

软件定时器回调函数应当：

快进快出；
不执行死循环；
不调用长时间阻塞函数；
尽量避免复杂处理。

四、Keil 中 Include Path 的作用

Include Path 的作用是：

告诉编译器，遇到 #include "xxx.h" 时去哪些文件夹中寻找头文件。

例如代码中：

复制代码

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"

编译器只知道文件名，不知道它们在磁盘中的实际位置。

假设：

复制代码

bsp_key.h 位于 User\key

那么 Include Path 中需要加入：

复制代码

..\..\User\key

编译器才能找到：

复制代码

..\..\User\key\bsp_key.h

1. Include Path 添加的是目录

应该添加：

复制代码

..\..\User\key

而不是：

复制代码

..\..\User\key\bsp_key.h

因为 Include Path 是头文件搜索目录。

2. `.c` 文件和 `.h` 文件的区别

.c 文件需要添加到 Keil 工程中参与编译。

.h 文件所在目录需要加入 Include Path。

例如：

复制代码

bsp_key.c
bsp_key.h

如果头文件路径没配置，可能出现：

复制代码

cannot open source input file "bsp_key.h"

如果只包含头文件，却没有把对应 .c 文件加入工程，可能出现链接错误：

复制代码

Undefined symbol Key_Scan

所以：

复制代码

Include Path 解决"找不到头文件"
工程中的 .c 文件解决"没有函数实现"

3. 相对路径中的 `..`

复制代码

..

表示返回上一级目录。

复制代码

..\..\User\key

表示：

复制代码

返回上一级
→ 再返回上一级
→ 进入 User
→ 进入 key

相对路径比绝对路径更适合工程移植。

不建议使用：

复制代码

D:\Project\User\key

因为更换电脑或移动工程目录后路径容易失效。

五、任务通知代替二值信号量

任务通知是每个任务自带的一个 32 位通知值。

发送通知：

复制代码

xTaskNotifyGive(Receive1_Task_Handle);

接收通知：

复制代码

ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);

这里：

复制代码

pdTRUE

表示获取通知后将通知值清零。

复制代码

portMAX_DELAY

表示没有通知时一直阻塞。

因此它可以实现类似二值信号量的同步效果：

复制代码

接收任务等待通知
        ↓
没有通知，任务阻塞
        ↓
发送任务调用 xTaskNotifyGive
        ↓
接收任务被唤醒
        ↓
通知值清零
        ↓
处理一次事件

因为使用了无限等待，函数正常返回时一定已经接收到通知，所以通常不需要再检查返回值。

六、任务通知代替计数信号量

任务通知值也可以作为计数器使用。

释放一个资源：

复制代码

xTaskNotifyGive(Take_Task_Handle);

每调用一次，目标任务的通知值加 1：

复制代码

0 → 1
1 → 2
2 → 3

申请一个资源：

复制代码

take_num = ulTaskNotifyTake(pdFALSE, 0);

两个参数的作用分别是：

复制代码

pdFALSE：成功获取后，通知值减 1
0：没有通知时不等待，立即返回

一定要区分：

第一个参数决定成功后如何处理通知值。
第二个参数决定没有通知时等待多久。

1. `ulTaskNotifyTake()` 返回什么

ulTaskNotifyTake() 返回的是：

清零或减一之前的任务通知值。

使用：

复制代码

take_num = ulTaskNotifyTake(pdFALSE, 0);

结果如下：

调用前通知值	返回值	调用后通知值
0	0	0
1	1	0
2	2	1
3	3	2

例如当前通知值为 3：

复制代码

调用前：3
返回值：3
调用后：2

因此剩余停车位可以打印：

复制代码

take_num - 1

2. 为什么这里需要检查返回值

使用的是：

复制代码

ulTaskNotifyTake(pdFALSE, 0);

没有通知时会立即返回 0。

因此必须判断：

复制代码

if (take_num > 0)
{
    printf("成功申请停车位\n");
}
else
{
    printf("当前没有停车位\n");
}

而二值信号量实验使用：

复制代码

ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);

没有通知就一直阻塞，只有真正收到通知后才会返回，所以通常不必检查返回值。

3. 为什么还需要 `vTaskDelay(20)`

计数信号量实验中的接收任务还负责扫描 KEY1：

复制代码

if (Key_Scan(...) == KEY_ON)
{
    take_num = ulTaskNotifyTake(pdFALSE, 0);
}

这里 ulTaskNotifyTake() 不阻塞，因为第二个参数是 0。

如果不写：

复制代码

vTaskDelay(20);

任务就会一直高速扫描按键，占用 CPU。

因此 vTaskDelay(20) 的作用主要是：

控制按键扫描频率；
减少 CPU 空转；
辅助按键消抖；
给其他任务提供运行机会。

它不是因为"接收通知必须延时"。

七、任务通知代替事件组

任务通知可以通过：

复制代码

eSetBits

将通知值中的某些位置 1，从而模拟事件组。

定义事件位：

复制代码

#define KEY1_EVENT (1UL << 0)
#define KEY2_EVENT (1UL << 1)

发送事件：

复制代码

xTaskNotify(
    LED_Task_Handle,
    KEY1_EVENT,
    eSetBits
);

或者：

复制代码

xTaskNotify(
    LED_Task_Handle,
    KEY2_EVENT,
    eSetBits
);

eSetBits 的作用相当于：

复制代码

任务通知值 |= 本次发送值;

例如当前通知值为：

复制代码

0000 0001

再发送 KEY2：

复制代码

0000 0010

结果：

复制代码

0000 0011

1. `xTaskNotifyWait()` 参数

典型调用：

复制代码

xReturn = xTaskNotifyWait(
    0,
    ULONG_MAX,
    &r_event,
    portMAX_DELAY
);

函数原型：

复制代码

BaseType_t xTaskNotifyWait(
    uint32_t ulBitsToClearOnEntry,
    uint32_t ulBitsToClearOnExit,
    uint32_t *pulNotificationValue,
    TickType_t xTicksToWait
);

各参数含义：

复制代码

0：
进入函数时不清除任何位

ULONG_MAX：
成功退出时清除所有通知位

&r_event：
保存清除之前的通知值

portMAX_DELAY：
没有通知时无限等待

函数返回值：

复制代码

pdTRUE：等待期间收到了通知
pdFALSE：等待超时，没有收到通知

2. 为什么需要 `last_event`

由于：

复制代码

ULONG_MAX

会在每次成功返回时清除所有任务通知位，因此要使用一个普通变量保存历史事件：

复制代码

last_event |= r_event;

假设先按 KEY1：

复制代码

r_event    = 0001
last_event = 0000

执行后：

复制代码

last_event = 0001

之后按 KEY2：

复制代码

r_event    = 0010
last_event = 0001

执行：

复制代码

last_event |= r_event;

得到：

复制代码

last_event = 0011

说明两个事件都发生过。

3. 正确的事件判断

错误写法：

复制代码

if (last_event == (KEY1_EVENT | KEY1_EVENT))

正确写法：

复制代码

if ((last_event & (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
    == (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
{
    last_event = 0;
    printf("KEY1与KEY2都按下\n");
    LED1_TOGGLE;
}

4. 为什么 `else` 不需要重新赋值

原代码：

复制代码

last_event |= r_event;

if (...)
{
    last_event = 0;
}
else
{
    last_event = r_event;
}

这里的：

复制代码

last_event = r_event;

会覆盖历史事件。

正确做法是不写 else：

复制代码

last_event |= r_event;

if ((last_event & (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
    == (KEY1_EVENT | KEY2_EVENT))
{
    last_event = 0;
    LED1_TOGGLE;
}

因为不满足时，直接保留已经累计的 last_event 即可。

也没有必要再次写：

复制代码

last_event |= r_event;

和等待多个事件条件。

FreeRTOS 学习复盘（四）：事件组、软件定时器与任务通知机制

一、FreeRTOS 任务调度的基本原则

二、事件组的基本机制

1. 设置事件位

2. 等待事件位

3. 为什么不是事件不满足就进入 else

4. 事件判断的正确写法

5. xClearOnExit 为什么影响循环行为

6. xEventGroupClearBits() 返回什么

三、软件定时器

1. 定时周期

2. 自动重装与单次定时器

3. 定时器 ID 的作用

4. xTimerStart() 的第二个参数

5. 启动定时器时的句柄错误

6. 软件定时器回调函数

四、Keil 中 Include Path 的作用

1. Include Path 添加的是目录

2. .c 文件和 .h 文件的区别

3. 相对路径中的 ..

五、任务通知代替二值信号量

六、任务通知代替计数信号量

1. ulTaskNotifyTake() 返回什么

2. 为什么这里需要检查返回值

3. 为什么还需要 vTaskDelay(20)

七、任务通知代替事件组

1. xTaskNotifyWait() 参数

2. 为什么需要 last_event

3. 正确的事件判断

4. 为什么 else 不需要重新赋值

3. 为什么不是事件不满足就进入 `else`

5. `xClearOnExit` 为什么影响循环行为

6. `xEventGroupClearBits()` 返回什么

4. `xTimerStart()` 的第二个参数

2. `.c` 文件和 `.h` 文件的区别

3. 相对路径中的 `..`

1. `ulTaskNotifyTake()` 返回什么

3. 为什么还需要 `vTaskDelay(20)`

1. `xTaskNotifyWait()` 参数

2. 为什么需要 `last_event`

4. 为什么 `else` 不需要重新赋值