浅析Free RTOS任务

概述

1 FreeRTOS任务定义

2 任务函数实现

2.1 任务函数原型

2.2 顶层任务状态

2.3 任务优先级

3 任务状态的扩展

3.1 阻塞状态

3.2 挂起状态

3.3 就绪状态

4 空闲任务与空闲任务钩子函数

4.1 空闲任务

4.2 空闲任务钩子函数

4.2.1 钩子函数介绍

4.2.2 空闲任务钩子函数的实现限制

4.2.3 空闲任务钩子函数案例

5 改变任务优先级

5.1 vTaskPrioritySet() API 函数

5.2 uxTaskPriorityGet() API 函数

6 删除任务

7 任务调度算法

7.1 概念介绍

7.2 选择任务优先级

7.3 协作式调度

参考资料：

概述

本文主要介绍FRESSRTOS任务的相关概念和知识点，对整个任务的概念和使用方法做了详细的梳理，便于在工作中查阅和借鉴。

1 FreeRTOS任务定义

在FreeRTOS中，任务是一段独立执行的代码，可以独自运行并完成特定的功能。任务的定义包括任务的名称、优先级、堆栈大小和任务函数。

2 任务函数实现

2.1 任务函数原型

任务是由 C 语言函数实现的。唯一特别的只是任务的函数原型，其必须返回 void，而且带有一个 void 指针参数。

// 任务函数
void taskFunction(void* parameters)
{
       // 任务的功能代码
}

// 创建任务
xTaskCreate(taskFunction, "TaskName", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);

每个任务都是在自己权限范围内的一个小程序。其具有程序入口，通常会运行在一个死循环中，也不会退出。一个任务函数可以用来创建若干个任务——创建出的任务均是独立的执行实例，拥有属于自己的栈空间，以及属于自己的自动变量(栈变量)，即任务函数本身定义的变量。

2.2 顶层任务状态

应用程序可以包含多个任务。如果运行应用程序的微控制器只有一个核(core)，那么在任意给定时间，实际上只会有一个任务被执行。这就意味着一个任务可以有一个或两个状态，即运行状态和非运行状态。

任务处于运行态：处理器就正在执行它的代码。

非运行态： 该任务进行休眠，它的所有状态都被妥善保存，以便在下一次调试器决定让它进入运行态时可以恢复执行。当任务恢复执行时，其将精确地从离开运行态时正准备执行的那一条指令开始执行。

任务从非运行态转移到运行态：”切换入或切入(switched in)”或”交换入(swapped in)”。

任务从运行态转移到非运行态： ”切换出或切出(switchedout)”或”交换出(swapped out)”。 FreeRTOS 的调度器是能让任务切入切出的唯一实体。

2.3 任务优先级

xTaskCreate() API 函数的参数 uxPriority 为创建的任务赋予了一个初始优先级。这个侁先级可以在调度器启动后调用 vTaskPrioritySet() API 函数进行修改。应用程序在文件 FreeRTOSConfig.h 中设定的编译时配置常量configMAX_PRIORITIES 的值，即是最多可具有的优先级数目。 FreeRTOS 本身并没有限定这个常量的最大值，但这个值越大，则内核花销的内存空间就越多。所以总是建议将此常量设为能够用到的最小值。

对于如何为任务指定优先级， FreeRTOS 并没有强加任何限制。任意数量的任务可以共享同一个优先级——以保证最大设计弹性。当然，如果需要的话，你也可以为每个任务指定唯一的优先级(就如同某些调度算法的要求一样)，但这不是强制要求的。

低优先级号表示任务的优先级低，优先级号 0 表示最低优先级。有效的优先级号范围从 0 到(configMAX_PRIORITES – 1)

调度器保证总是在所有可运行的任务中选择具有最高优先级的任务，并使其进入运行态。如果被选中的优先级上具有不止一个任务，调度器会让这些任务轮流执行。这种行为方式在之前的例子中可以明显看出来。两个测试任务被创建在同一个优先级上，并且一直是可运行的。所以每个任务都执行一个”时间片”，任务在时间片起始时刻进入运行态，在时间片结束时刻又退出运行态。图 3 中 t1 与 t2 之间的时段就等于一个时间片。

3 任务状态的扩展

3.1 阻塞状态

如果一个任务正在等待某个事件，则称这个任务处于”阻塞态(blocked)”。阻塞态是非运行态的一个子状态。

任务可以进入阻塞态以等待以下两种不同类型的事件：

1）定时(时间相关)事件——这类事件可以是延迟到期或是绝对时间到点。比如
说某个任务可以进入阻塞态以延迟 10ms。

2）同步事件——源于其它任务或中断的事件。比如说，某个任务可以进入阻塞态以等待队列中有数据到来。同步事件囊括了所有板级范围内的事件类型。

FreeRTOS 的队列，二值信号量，计数信号量，互斥信号量(recursive semaphore,递归信号量，本文一律称为互斥信号量，因为其主要用于实现互斥访问)和互斥量都可以用来实现同步事件。
任务可以在进入阻塞态以等待同步事件时指定一个等待超时时间，这样可以有效地实现阻塞状态下同时等待两种类型的事件。比如说，某个任务可以等待队列中有数据到来，但最多只等 10ms。如果 10ms 内有数据到来，或是 10ms 过去了还没有数据到来，这两种情况下该任务都将退出阻塞态。

3.2 挂起状态

“挂起(suspended)”也是非运行状态的子状态。处于挂起状态的任务对调度器而言是不可见的。让一个任务进入挂起状态的唯一办法就是调用 vTaskSuspend() API 函数；而把一个挂起状态的任务唤醒的唯一途径就是调用 vTaskResume() 或vTaskResumeFromISR() API 函数。大多数应用程序中都不会用到挂起状态。

3.3 就绪状态

如果任务处于非运行状态，但既没有阻塞也没有挂起，则这个任务处于就绪(ready，准备或就绪)状态。处于就绪态的任务能够被运行，但只是”准备(ready)”运行，而当前尚未运行。

4 空闲任务与空闲任务钩子函数

4.1 空闲任务

一个例子：如果创建的任务大部份时间都处于阻塞态。这种状态下所有的任务都不可运行，
所以也不能被调度器选中。但处理器总是需要代码来执行，那怎么办呢？

解决方法：

为了保证这一点，当调用 vTaskStartScheduler()时，调度器会自动创建一个空闲任务。空闲任务是
一个非常短小的循环——和最早的示例任务十分相似，总是可以运行。

空闲任务拥有最低优先级(优先级 0)以保证其不会妨碍具有更高优先级的应用任务进入运行态——当然，没有任何限制说是不能把应用任务创建在与空闲任务相同的优先级上；如果需要的话，你一样可以和空闲任务一起共享优先级。

4.2 空闲任务钩子函数

4.2.1 钩子函数介绍

通过空闲任务钩子函数(或称回调， hook, or call-back)，可以直接在空闲任务中添加应用程序相关的功能。空闲任务钩子函数会被空闲任务每循环一次就自动调用一次。

通常空闲任务钩子函数被用于：
1）执行低优先级的代码，或者后台以及需要不停处理数据和逻辑运算的功能代码

2）测试处系统处理裕量(空闲任务只会在所有其它任务都不运行时才有机会执行，所以测量出空闲任务占用的处理时间就可以清楚的知道系统有多少富余的处理时间)。

3）将处理器配置到低功耗模式——提供一种自动省电方法，使得在没有任何应用功能需要处理的时候，系统自动进入省电模式。

4.2.2 空闲任务钩子函数的实现限制

空闲任务钩子函数必须遵从以下规则：
1）绝不能阻或挂起。空闲任务只会在其它任务都不运行时才会被执行(除非有应用任务共享空闲任务优先级)。以任何方式阻塞空闲任务都可能导致没有任务能够进入运行态！

2）如果应用程序用到了 vTaskDelete() AP 函数，则空闲钩子函数必须能够尽快返回。因为在任务被删除后，空闲任务负责回收内核资源。如果空闲任务一直运行在钩子函数中，则无法进行回收工作。

4.2.3 空闲任务钩子函数案例

FreeRTOSConfig.h 中的配置常量 configUSE_IDLE_HOOK 必须定义为 1，这样空闲任务钩子函数才会被调用。

/* Declare a variable that will be incremented by the hook function. */
unsigned long ulIdleCycleCount = 0UL;

/* 空闲钩子函数必须命名为vApplicationIdleHook(),无参数也无返回值。 */
void vApplicationIdleHook( void )
{
      /* This hook function does nothing but increment a counter. */
     ulIdleCycleCount++;
}

5 改变任务优先级

5.1 vTaskPrioritySet() API 函数

API 函数 vTaskPriofitySet()可以用于在调度器启动后改变任何任务的优先级。

void vTaskPrioritySet( xTaskHandle pxTask, unsigned portBASE_TYPE uxNewPriority );

参数介绍：

参数名称	描述
pxTask	被修改优先级的任务句柄(即目标任务)——参考 xTaskCreate() API 函数的参数 pxCreatedTask 以了解如何得到任务句柄方面的信息。任务可以通过传入 NULL 值来修改自己的优先级。
uxNewPriority	目标任务将被设置到哪个优先级上。如果设置的值超过了最大可用优先级(configMAX_PRIORITIES – 1)，则会被自动封顶为最大值。常量 configMAX_PRIORITIES 是在 FreeRTOSConfig.h 头文件中设置的一个编译时选项

5.2 uxTaskPriorityGet() API 函数

uxTaskPriorityGet() API 函数用于查询一个任务的优先级。

unsigned portBASE_TYPE uxTaskPriorityGet( xTaskHandle pxTask );

参数名称	描述
pxTask	被查询任务的句柄(目标任务) ——参考 xTaskCreate() API 函数的参数 pxCreatedTask 以了解如何得到任务句柄方面的信息。任务可以通过传入 NULL 值来查询自己的优先级。

6 删除任务

任务可以使用 API 函数 vTaskDelete()删除自己或其它任务。任务被删除后就不复存在，也不会再进入运行态。空闲任务的责任是要将分配给已删除任务的内存释放掉。因此有一点很重要，那就
是使用 vTaskDelete() API 函数的任务千万不能把空闲任务的执行时间饿死。需要说明一点，只有内核为任务分配的内存空间才会在任务被删除后自动回收。任务自己占用的内存或资源需要由应用程序自己显式地释放。

void vTaskDelete( xTaskHandle pxTaskToDelete );

7 任务调度算法

7.1 概念介绍

FreeRTOS采用固定优先级抢占式调度，其主要特点如下：

1）每个任务都赋予了一个优先级。

2）每个任务都可以存在于一个或多个状态。

3）在任何时候都只有一个任务可以处于运行状态

4）调度器总是在所有处于就绪态的任务中选择具有最高优先级的任务来执行。

任务可以在阻塞状态等待一个事件，当事件发生时其将自动回到就绪态。时间事件发生在某个特定的时刻，比如阻塞超时。时间事件通常用于周期性或超时行为。任务或中断服务例程往队列发送消息或发送任务一种信号量，都将触发同步事件。同步事件通常用于触发同步行为，比如某个外围的数据到达了。

7.2 选择任务优先级

作为一种通用规则，完成硬实时功能的任务优先级会高于完成软件时功能任务的优先级。但其它一些因素，比如执行时间和处理器利用率，都必须纳入考虑范围，以保证应用程序不会超过硬实时的需求限制。

单调速率调度(Rate Monotonic Scheduling, RMS)是一种常用的优先级分配技术。其根据任务周期性执行的速率来分配一个唯一的优先级。具有最高周期执行频率的任务赋予高最优先级；具有最低周期执行频率的任务赋予最低优先级。这种优先级分配方式被证明了可以最大化整个应用程序的可调度性(schedulability)，但是运行时间不定以及并非所有任务都具有周期性，会使得对这种方式的全面计算变得相当复杂。