freeRTOS任务通知（Task Notifications）

前言

一、任务通知概述

1.优势及限制

2.通知状态和通知值

二、任务通知的使用

两类函数

1.xTaskNotifyGive/ulTaskNotifyTake

2.xTaskNotify/xTaskNotifyWait

三、传输计数值代码示例

四、传输任意值代码示例

前言

所谓"任务通知"，你可以反过来读"通知任务"。

我们使用队列、信号量、事件组等等方法时，并不知道对方是谁。使用任务通知时，可以明确指定：通知哪个任务。

使用队列、信号量、事件组时，我们都要事先创建对应的结构体，双方通过中间的结构体通信：

使用任务通知时，任务结构体TCB中就包含了内部对象，可以直接接收别人发过来的"通知"：

一、任务通知概述

1.优势及限制

任务通知的优势：
$\bullet$ 效率更高：使用任务通知来发送事件、数据给某个任务时，效率更高。比队列、信号量、事件组都有大的优势。
$\bullet$ 更节省内存：使用其他方法时都要先创建对应的结构体，使用任务通知时无需额外创建结构体。

任务通知的限制：
$\bullet$ 不能发送数据给ISR：
ISR并没有任务结构体，所以无法使用任务通知的功能给ISR发送数据。但是ISR可以使用任务通知的功能，发数据给任务。
$\bullet$ 数据只能给该任务独享
使用队列、信号量、事件组时，数据保存在这些结构体中，其他任务、ISR都可以访问这些数据。使用任务通知时，数据存放入目标任务中，只有它可以访问这些数据。
在日常工作中，这个限制影响不大。因为很多场合是从多个数据源把数据发给某个任务，而不是把一个数据源的数据发给多个任务。
$\bullet$ 无法缓冲数据
使用队列时，假设队列深度为N，那么它可以保持N个数据。
使用任务通知时，任务结构体中只有一个任务通知值，只能保持一个数据。
$\bullet$ 无法广播给多个任务
使用事件组可以同时给多个任务发送事件。
使用任务通知，只能发个一个任务。
$\bullet$ 如果发送受阻，发送方无法进入阻塞状态等待
假设队列已经满了，使用 xQueueSendToBack() 给队列发送数据时，任务可以进入阻塞状态等待发送完成。
使用任务通知时，即使对方无法接收数据，发送方也无法阻塞等待，只能即刻返回错误。

2.通知状态和通知值

每个任务都有一个结构体：TCB(Task Control Block)，里面有2个成员：
$\bullet$ 一个是uint8_t类型，用来表示通知状态
$\bullet$ 一个是uint32_t类型，用来表示通知值

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    ......
    /* configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES = 1 */
    volatile uint32_t ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    volatile uint8_t ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    ......
} tskTCB;

通知状态有3种取值：
$\bullet$ taskNOT_WAITING_NOTIFICATION：任务没有在等待通知（默认）
$\bullet$ taskWAITING_NOTIFICATION：任务在等待通知
$\bullet$ taskNOTIFICATION_RECEIVED：任务接收到了通知，也被称为pending(有数据了，待处理)

通知值可以有很多种类型：
$\bullet$ 计数值
$\bullet$ 位(类似事件组)
$\bullet$ 任意数值

所以我们可以通过任务通知来实现轻量级的队列，信号量和事件组

二、任务通知的使用

使用任务通知，可以实现轻量级的队列(长度为1)、邮箱(覆盖的队列)、计数型信号量、二进制信号量、事件组。

两类函数

任务通知有2套函数，简化版、专业版，列表如下：
$\bullet$ 简化版函数的使用比较简单，它实际上也是使用专业版函数实现的
$\bullet$ 专业版函数支持很多参数，可以实现很多功能

1.xTaskNotifyGive/ulTaskNotifyTake

在任务中使用xTaskNotifyGive函数，在ISR中使用vTaskNotifyGiveFromISR函数，都是直接给其他任务发送通知：
$\bullet$ 使得通知值加一
$\bullet$ 并使得通知状态变为"pending"，也就是 taskNOTIFICATION_RECEIVED ，表示有数据了、待处理

可以使用ulTaskNotifyTake函数来取出通知值：
$\bullet$ 如果通知值等于0，则阻塞(可以指定超时时间)
$\bullet$ 当通知值大于0时，任务从阻塞态进入就绪态
$\bullet$ 在ulTaskNotifyTake返回之前，还可以做些清理工作：把通知值减一，或者把通知值清零
使用ulTaskNotifyTake函数可以实现轻量级的、高效的二进制信号量、计数型信号量。

这几个函数的原型如下：

BaseType_t xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify );

void vTaskNotifyGiveFromISR( TaskHandle_t xTaskHandle, BaseType_t
*pxHigherPriorityTaskWoken );

uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait
);

xTaskNotifyGive函数的参数说明如下：

ulTaskNotifyTake函数的参数说明如下：

2.xTaskNotify/xTaskNotifyWait

xTaskNotify 函数功能更强大，可以使用不同参数实现各类功能，比如：
$\bullet$ 让接收任务的通知值加一：这时 xTaskNotify() 等同于 xTaskNotifyGive()
$\bullet$ 设置接收任务的通知值的某一位、某些位，这就是一个轻量级的、更高效的事件组
$\bullet$ 把一个新值写入接收任务的通知值：上一次的通知值被读走后，写入才成功。这就是轻量级的、长度为1的队列
$\bullet$ 用一个新值覆盖接收任务的通知值：无论上一次的通知值是否被读走，覆盖都成功。
类似xQueueOverwrite()函数，这就是轻量级的邮箱。

xTaskNotifyFromISR() 是它对应的ISR版本，这两个函数用来发出任务通知，使用哪个函数来取出任务通知呢？

使用 xTaskNotifyWait() 函数！它比 ulTaskNotifyTake() 更复杂：
$\bullet$ 可以让任务等待(可以加上超时时间)，等到任务状态为"pending"(也就是有数据)
$\bullet$ 还可以在函数进入、退出时，清除通知值的指定位

这几个函数的原型如下：

BaseType_t xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue,
eNotifyAction eAction );

BaseType_t xTaskNotifyFromISR( TaskHandle_t xTaskToNotify,
                               uint32_t ulValue,
                               eNotifyAction eAction,
                               BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

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

重点：
xTaskNotify函数的参数说明如下：

eNotifyAction参数说明：

eNotifyAction取值	说明
eNoAction	仅仅是更新通知状态为"pending"，未使用ulValue。这个选项相当于轻量级的、更高效的二进制信号量。
eSetBits	通知值 = 原来的通知值 \| ulValue，按位或。相当于轻量级的、更高效的事件组。
eIncrement	通知值 = 原来的通知值 + 1，未使用ulValue。相当于轻量级的、更高效的二进制信号量、计数型信号量。相当于 xTaskNotifyGive() 函数。
eSetValueWithoutOverwrite	不覆盖。如果通知状态为"pending"(表示有数据未读)，则此次调用xTaskNotify不做任何事，返回pdFAIL。如果通知状态不是"pending"(表示没有新数据)，则：通知值 = ulValue。
eSetValueWithOverwrite	覆盖。无论如何，不管通知状态是否为"pendng"，通知值 = ulValue。

xTaskNotifyFromISR函数跟xTaskNotify很类似，就多了最后一个参数
pxHigherPriorityTaskWoken 。在很多ISR函数中，这个参数的作用都是类似的，使用场景如下：
$\bullet$ 被通知的任务，可能正处于阻塞状态
$\bullet$ xTaskNotifyFromISR 函数发出通知后，会把接收任务从阻塞状态切换为就绪态
$\bullet$ 如果被唤醒的任务的优先级，高于当前任务的优先级，则"*pxHigherPriorityTaskWoken"被设置为pdTRUE，这表示在中断返回之前要进行任务切换。

xTaskNotifyWait函数列表如下：

三、传输计数值代码示例

本程序创建2个任务：
$\bullet$ 发送任务：把数据写入环形缓冲区，使用 xTaskNotifyGive() 让通知值加一
$\bullet$ 接收任务：使用 ulTaskNotifyTake() 取出通知值，这表示字符数，打印字符
main函数代码如下：

int main( void )
{
    prvSetupHardware();
    /* 创建1个任务用于发送任务通知
    * 优先级为2
    */
    xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );
   
    /* 创建1个任务用于接收任务通知
    * 优先级为1
    */
    xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, &xRecvTask );
    
    /* 启动调度器 */
    vTaskStartScheduler();
    /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
    return 0;
}

发送任务代码：

接收任务代码：

发送任务、接收任务的执行流程如下：
$\bullet$ A：发送任务优先级最高，先执行。连续存入3个字符、发出3次任务通知：通知值累加为3
$\bullet$ B：发送任务阻塞，让接收任务能执行
$\bullet$ C：接收任务读到通知值为3，并把通知值清零
$\bullet$ D：把3个字符依次读出、打印
$\bullet$ E：再次读取任务通知，阻塞

本程序使用 xTaskNotifyGive/ulTaskNotifyTake 实现了轻量级的计数型信号量，代码更简单：
$\bullet$ 无需创建信号量
$\bullet$ 消耗内存更少
$\bullet$ 效率更高

信号量是个公开的资源，任何任务、ISR都可以使用它：可以释放、获取信号量。

而本节程序中，发送任务只能给指定的任务发送通知，目标明确；接收任务只能从自己的通知值中得到数据，来源明确。

四、传输任意值代码示例

上述例子中使用任务通知来传输计数值、传输通知。
本节程序使用任务通知来传输任意数据，它创建2个任务：
$\bullet$ 发送任务：把数据通过 xTaskNotify() 发送给其他任务
$\bullet$ 接收任务：使用 xTaskNotifyWait 取出通知值，这表示字符，并打印出来

main函数和上个例子一样。

发送任务代码：

接受任务代码：

发送任务、接收任务的执行流程如下：
$\bullet$ A：发送任务优先级最高，先执行。连续给对方任务发送3个字符，只成功了1次
$\bullet$ B：发送任务阻塞，让接收任务能执行
$\bullet$ C：接收任务读取通知值
$\bullet$ D：把读到的通知值作为字符打印出来
$\bullet$ E：再次读取任务通知，阻塞