FreeRTOS --（7）任务管理之入门篇

转载自 https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/107019521

任务管理是操作系统中重中之重，不管什么 OS ，任务的调度管理都是核心，FreeRTOS 也是一样；在深入到 FreeRTOS 任务管理的源码之前，鄙人觉得有必要先去从全局的角度进行把握，从全局到局部，从粗线条，到细节，鄙人觉得这样方可更快的熟悉相关的内部原理；

从全局来看的话，可以先梳理 FreeRTOS 关于任务相关的 APIs，支持的 Feature，以及相关的特性，这样一来，在深入到源码级分析的话，知道使用场景，便知道为何这样设计；

分析基于 FreeRTOS V 10.3.1

首先，FreeRTOS 任务支持如下特性：

1、多任务执行；

2、支持配置任务优先级；

3、支持任务的阻塞，挂起；

4、任务都是自己的栈空间；

5、支持周期性任务；

6、任务抢占；

7、协作式调度；

1、任务状态

在单核处理器上，多任务是宏观并行，微观串行的；每个任务可以处于不同的状态：

几乎所有的 OS 下，任务都分为了 Ready、Blocked、Running、Suspend 等状态；这样划分是根据具体的使用场景进行的；

Running：指的是正在运行的任务，在单核系统中，同一时刻只有一个任务处于 Running；

Ready：指的是可以被调度运行的任务，也就是处于就绪的任务；

Blocked：指的是因为某种原因（等待资源，等待时间）暂时不满足执行条件的任务的状态；

Suspend：指的是被挂起的任务，暂时不参与调度的状态；

2、任务创建

FreeRTOS 中，创建一个任务使用 xTaskCreate 接口：

BaseType_t xTaskCreate(  TaskFunction_t pvTaskCode,
                         const char * const pcName,
                         unsigned short usStackDepth,
                         void *pvParameters,
                         UBaseType_t uxPriority,
                         TaskHandle_t * pvCreatedTask);

参数的含义如下：

pvTaskCode：任务执行的函数，此函数必须是一个死循环，不会返回。

pcName：任务的名字，是一个字符串；最大长度由宏 configMAX_TASK_NAME_LEN 指定，该宏位于 FreeRTOSConfig.h 文件中。

usStackDepth：任务堆栈的大小，它的单位不是字节，比如在 32-bits 位宽的情况下，这个值设置为 100，那么就是分配了 400 字节大小的堆栈。

pvParameters：传递给任务执行函数的参数。

uxPriority：任务的优先级。

pvCreatedTask：创建任务成功后的任务句柄，后期可以使用这个句柄来调用任务相关的 API。

返回值的含义如下：

Return：如果创建任务成功，返回 pdPASS 否则返回 pdFAIL

比如：

创建了两个任务 vTask1 和 vTask2，堆栈深度为 1000，优先级都为 1，没有入参；

创建完后，两个任务都默认被添加进入了 Ready 状态，调用 vTaskStartScheduler() 开启调度器；

它们的实现都是无限循环，执行的时候，进行打印；

它们在时间线上的执行如图所示：

3、任务优先级

在任务初始化的时候，可以指定任务的优先级，同样在任务运行过程中，也可以通过 API 来改变任务的优先级；

FreeRTOS 支持的最大优先级由 configMAX_PRIORITIES 确定，优先级的值越低，代表优先级越低；0 是最低优先级，所有在 FreeRTOS 中，优先级的范围处于 0 ~ configMAX_PRIORITIES 之间；

因为任务存在优先级不一样，调度器总是选择处于 Ready 状态的优先级最高的任务；

比如：

Task 1 优先级是 1，Task 2 优先级是 2；两个 Task 都是之前的实现的情况下，每次调度器选择任务的时候，因为 Task 2 优先级高，每次都会选择 Task 2，那么 Task 1 就会被饿死：

4、任务阻塞

类似上面的情况，Task 1 被饿死，得不到执行，显然不是我们想要的，归根结底，是因为 Task 2 一直满足执行条件！按照设计来说，Task 2 优先级高，它应该是去做一些急需快速完成的任务，其他任何事情不准阻拦他，但是哪有任务一直都急需被完成呢？所以，正常情况下，Task 2 可能是在等待某个事件（比如，某个中断后）或者某个时间点来完成急需完成的任务，其他时间应该处于一种等待的状态，我们称之为阻塞，也就是 Blocked；

在 FreeRTOS 中，有两种方式可以让任务进入阻塞状态：

1、阻塞在时间上：也就是执行任务的时间未到；

2、等待事件：也就是对应的事件还没有发生；

如果类似上面的代码，在死循环里面调用了 vTaskDelay 函数，这就是会导致任务处于阻塞状态，等时间到了指定的延时后，才再次进入 Ready 状态，被调度器调度；

在这种设计下，不同优先级的任务同时运行的时候，就不会有被饿死的情况，同时当两个任务都没有执行的时候，时间让给 IDLE 线程：

5、任务挂起

被挂起的任务，进入 Suspend 状态，调度器在任务选择的时候，不再调度进入 Suspend 状态的任务，除非再次对此任务调用 Resume，重新进入 Ready 队列，接受调度器的调度；

6、空闲任务

在调度器初始化的时候，会创建一个 Idle 任务，这样可以确保至少有一个任务在运行；此任务优先级最低，为 0；

空闲任务用来在处理被删除的任务的内存，所有删除任务后，一定要确保空闲任务被运行，这样才能够内存回收；

FreeRTOS 支持空闲任务的钩子函数，当开启 configUSE_IDLE_HOOK 宏是 1 的时候，在空闲任务的时候，函数：

void vApplicationIdleHook( void );

被调用，常用的方式是在此实现低功耗相关的处理逻辑；

5、任务调度

5.1、抢占式调度

FreeRTOS 的任务调度基于周期性的 Tick 心跳，调度器从 Ready 状态列表中选择下一个优先级最高的任务投入运行；被阻塞的任务可以通过 event 来临或者阻塞时间到，重新进入 Ready 状态；

软件上，可以通过配置宏，来改变调度算法的行为，这些宏位于 FreeRTOSConfig.h

configUSE_PREEMPTION：配置为 1 则说明支持抢占式调度，否则称之为协作式调度；

注：协作式调度需要任务主动放弃 CPU，下一个才能够被调度；抢占式调度由系统决定调度；

configUSE_TIME_SLICING ：配置为 1 的时候，同样优先级的任务会被轮转调度执行；否则优先级相同的任务，不会被轮转执行，只会执行其中一个；

最常用的配置是，上述两个都配置为 1；

configUSE_PREEMPTION = 1

configUSE_TIME_SLICING = 1

比如有 3 个任务：Task 1、Task 2、Task 3 如下所示，他们的优先级也标记出来；

Task 1 处于 blocked 状态，等待 event 满足条件；

Task 2 是周期性任务；

Task 3 是低优先级任务，也处于 blocked 状态，等待它的 event；

t1 时刻，Task 2 执行，Task 1 和 Task 3 的 event 都没满足；

t2 时刻，没有任务执行，Idle 线程执行；

t3 时刻，Task 3 的 event 满足了，被调度执行；

t4 时刻，执行 Idle；

t5 时刻，Task 3 的 event 满足了，被调度执行；

t6 时刻，Task 2 周期性任务来了，优先级高于 Task 3，即便是 Task 3 未执行完，OS 依然调度 Task 2 先执行；

t7 时刻，Task 2 执行完毕，OS 调度 Task 3；

t8 时刻，没有需要调度的任务，进入 Idle；

t9 时刻，Task 2 周期性任务来了，被调度；

t10时刻，最高优先级的 Task 1 的 event 满足，即便是 Task 2 未执行完，OS 依然调度 Task 1 执行；

t11 时刻，Task 1 执行完毕，继续调度尚未执行完毕的 Task 2；此刻低优先级的 Task 3 的 event 虽然也满足，但是优先级低，执行被推后；

t12 时刻，Task 2 执行完毕，Task 3 得以被调度；

t13 时刻，没有任务活动，调度 Idle 线程；

在 configUSE_PREEMPTION 和 configUSE_TIME_SLICING 都配置为 1 的时候，如果线程和 Idle 线程一样优先级，那么他们会被轮转调度：

上面的调度过程不在多说，Task 1 优先级最高，当满足他的 event 的时候，抢占其他任务执行，随后进入 blocked 状态；

在上面的例子中（有任务和 Idle 线程一样连续执行并且优先级一样），还有一个宏 configIDLE_SHOULD_YIELD，可能会导致调度器行为变化：

configIDLE_SHOULD_YIELD = 0，那么行为和上面的一样，也是默认情况；

configIDLE_SHOULD_YIELD = 1，那么 Idle 线程会 loop 一次然后主动让出 CPU，如下所示：

如果 ：

configUSE_PREEMPTION = 1

configUSE_TIME_SLICING = 0

这表示调度器支持抢占，但是对于同样优先级的任务，不会去轮转，比如：

可以看到 Task 1 优先级高，可以抢占低优先级；

但是 Task 2 和 Idle 优先级一样，但是得不到轮转的调度；

5.2、协作式调度

当配置如下：

configUSE_PREEMPTION = 0

configUSE_TIME_SLICING = any value

代表调度器会进行协作式调度，什么意思呢？如下所示：

Task 1 优先级最高，Task 2 其次，Task 3 优先级最低；

t1 时刻，Task 3 处于运行，Task 1 和 Task 2 处于阻塞；

t2 时刻，Task 2 满足运行条件进入 Ready 状态，但是由于不支持抢占调度，所以无法执行，Task 3 继续执行；

t3 时刻，Task 1 满足运行条件进入 Ready 状态，但是由于不支持抢占调度，所以无法执行，Task 3 继续执行；

t4 时刻，Task 3 主动调用 taskYIELD() 函数，主动放弃 CPU，此刻调度器选择优先级最高的 Task 1 进行运行；

t5 时刻，Task 1 执行完毕，进入 blocked，调度器调度 Task 2 运行；

t6 时刻，Task 2执行完毕，进入 blocked，调度器调度 Task 3运行；