FreeRTOS笔记（四）初识任务

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上一文链接：FreeRTOS笔记（三）配置文件FreeRTOSConfig.h

01 - 单任务与多任务

1.1 - 单任务系统

  单片机裸机编程的时候，都会用一个while(1)去包裹所有应用程序，换言之，裸机编程中的应用程序就运行在一个死循环while(1)中，而且各个应用程序比如串口、LED、显示屏等都是排队轮流执行的（中断除外），只要前面的程序没有完成，后面的程序就必须等待。

  这种裸机编程非常容易实现，对于顺序执行的逻辑可以控制得很好，但是当外部资源庞大，某些应用程序会在某个不可预测的时间上需要实时性执行，此时裸机编程就无能为力了，裸机编程的系统一般称为单任务系统，显然现在需要多任务系统，任务的概念就更加清晰了。

1.2 - 多任务系统

  多任务系统假若在单核版上运行（嵌入式中往往是单核），那么意味着每个时刻只有一个任务在进行，下一个时刻到底选择哪个任务去执行？需要一个掌控全局任务执行时间安排的角色：调度器。调度器的基本功能是使得任务可以切出和切入，在某个任务需要马上执行的时候立刻打断当前正在执行的任务，这样就使得系统具有实时性。调度器的存在也使得任务具有多种特性，比如优先级、堆栈空间等等。

02 - 创建和删除任务

2.1 - FreeRTOS_API

函数	描述
xTaskCreate()	堆栈由FreeRTOS动态分配
xTaskCreateStatic()	堆栈由用户指定分配
xTaskCreateRestricted()	堆栈由FreeRTOS动态分配，使用MPU(内存保护单元)进行限制
xTaskDelete()	删除任务

  根据FreeRTOS提供的API，能够知道任务具有的基本特性，这些特性需要在创建的时候确定。

2.2 - 任务函数

  首先了解怎样创建和删除一个任务，上述提到，任务应该具有一个死循环函数，除了函数，任务还有优先级、堆栈空间等特性，而这个函数称为任务函数，它告诉任务需要执行的内容，任务函数既然是死循环，就不需要返回值，于是返回值就是void，那么参数呢？FreeRTOS规定任务函数的参数是一个指针，基类型是void（void*指针可以指向任一个类型的指针，理解为包罗万象的盒子，任何东西都能放进去），任务函数的原型如下：

void ATaskFunction( void *pvParameters );

2.3 - 创建任务

  这个任务函数需要绑定在任务中才能被执行，而任务需要创建，FreeRTOS提供任务相关的API，创建任务的API有3种，常用的是xTaskCreate()，不同的API用途在上表查看，xTaskCreate()的原型及需要的头文件如下：

#include “FreeRTOS.h”
#include “task.h”

aseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode,			//任务函数
                        const char * const pcName,		//任务名称
                        unsigned short usStackDepth,		//堆栈大小
                        void *pvParameters,				//任务函数的参数
                        UBaseType_t uxPriority,			//任务优先级
                        TaskHandle_t *pxCreatedTask );	//任务句柄

  参数和返回值可以在官方手册中查看，目前暂时理解部分。值得注意的是，任务的创建可以在调度器启动前，也可以是调度器启动后。

2.4 - 删除任务

  任务函数运行在死循环之内，不能以任何方式返回，如果任务函数实在不需要继续执行，那么可以使用vTaskDelete()API函数主动或者被动删除任务。任务删除后就不再运行，变成了“僵尸”，等待着内核收尸。vTaskDelete()的原型及需要的头文件如下：

#include “FreeRTOS.h”
#include “task.h”

void vTaskDelete( TaskHandle_t pxTask );	//任务句柄

03 - 堆栈空间

  FreeRTOS多任务系统需要调度器进行任务的切换，而被切出的任务下一次可以被完整地继续运行的原因在于，每个任务都有自己的堆栈，调度器进行任务切换的时候保护切出任务当前的堆栈现场，当下一次切入的时候再恢复现场，这样任务中的数据就不会被破坏。

  在创建任务的时候需要指出堆栈的大小，这对于一般的开发者而言很难估计，目前只需要写入一个中等大的值即可，如果嵌入式单板的RAM资源短缺，就需要非常仔细地计算每个任务的堆栈大小。任务堆栈的大小由参赛 unsigned short usStackDepth指定，单位是字，不是字节。

04 - 任务优先级

  调度器选择任务执行的依据是任务的优先级，FreeRTOS的任务优先级是0~(configMAX_PRIORITIES-1)，configMAX_PRIORITIES在FreeRTOSConfig.h（可以看上一文）中定义，0是最低优先级，数值越大优先级越高。
  调度器选择任务需要有一个调度算法，调度器总是选择优先级最高的任务去执行，如果任务队伍中的优先级一样，就采用时间片的方法法轮流执行，每个任务执行一段时间，随后切换同级的其它任务。

05 - 任务的基础测试

  接下来进行任务的一些基础测试，先测试一些任务的基础特性，真实感受FreeRTOS的任务执行，比如创建删除、堆栈大小和优先级，配合官方的一些API进行使用，任务的创建仅仅测试xTaskCreate()函数。

5.1 - 创建和删除测试

• 1、创建1个任务，串口间隔输出running，同时输出当前的任务数

#define START_TASK_PRIO                 1       //优先级
#define STATR_STACK_SIZE                128     //堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler;                 //任务句柄

//任务函数
void start_task(void *pParam)
{
    for(;;)
    {
        printf("task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
        vTaskDelay(1000);
    }
}

void main(void)
{
	printf("before create task : %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
	//创建任务
	xTaskCreate( (TaskFunction_t)start_task,
	             (const char*)"start_task",
	             (uint16_t)STATR_STACK_SIZE,
	             (void*)NULL,
	             (UBaseType_t)START_TASK_PRIO,
	             (TaskHandle_t*)&StartTask_Handler
	);          
	printf("after create task : %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
	//开启调度器
	vTaskStartScheduler();
}

代码

运行结果

  这里产生疑问，为什么有3个任务？从输出可知，调度器启动前只有1个任务，启动后有3个，意味着调度器创建了2个任务，这2个是什么任务？打开启动调度器函数vTaskStartScheduler()查看源码：

void vTaskStartScheduler( void )
{
    #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
    {
        ……
        xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic(); 
        ……
    }
    #else
    {
        ……
        xReturn = xTaskCreate(); 
        ……
    }
    #endif 
    ……
    #if ( configUSE_TIMERS == 1 )
    {
        if( xReturn == pdPASS )
        {
            xReturn = xTimerCreateTimerTask();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }
    #endif 
    ……
}

  问题解决了，这2个任务，一个是IDLE空闲任务，一个是定时器任务，空闲任务是一定会创建的，因为if…else…都有创建任务的函数，而定时器任务是根据宏configUSE_TIMERS来创建的，这个宏在FreeRTOSConfig.h中配置，上一篇文章中配置了这个宏，所以就会有3个任务。

• 2、创建2个任务A和B，A任务串口输出running和当前的任务数，然后删除自己，B任务间隔输出running，同时输出当前的任务数，并检查任务A的状态

void A_task(void *pParam)
{
    printf("A task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
    
    vTaskDelete(NULL);
}   

void B_task(void *pParam)
{
    eTaskState state;
    for(;;)
    {
        printf("B task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
        state = eTaskGetState(ATask_Handler);
        if(state == eDeleted)
        {
            printf("B task running, A is delete\r\n");
        }
        else
        {
            printf("B task running, A is other\r\n");   
        }
        vTaskDelay(1000);
    }
}   

代码

运行结果

  能够看到，调度器开启后串口输出混乱，这是资源访问的问题，暂时不理会。还是能够观测到，任务A输出了信息，此时还有4个任务（A、B、空闲任务和定时器任务），当A删除后，只有B在运行，并显示A任务已经删除，目前只有3个任务。

5.2 - 堆栈大小测试

• 创建1个任务，堆栈大小从1往上设置，串口间隔输出running和变量值

#define START_TASK_PRIO					1		//优先级
#define STATR_STACK_SIZE				16			//堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler;					//任务句柄
void start_task(void *pParam)
{
	for(;;)
	{
		printf("task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
		vTaskDelay(1000);
	}
}

代码

运行结果

  当任务堆栈不足够的时候，任务是无法运行的。而且整个系统都会停止，具体原因后续了解。

5.3 - 任务的优先级测试

• 创建2个任务A和B，A优先级比B高，都在串口间隔输出running

/* A 任务 */
#define A_TASK_PRIO					2		//优先级
#define A_STACK_SIZE				128			//堆栈大小
TaskHandle_t ATask_Handler;					//任务句柄


/* B 任务 */
#define B_TASK_PRIO					1		//优先级
#define B_STACK_SIZE				128			//堆栈大小
TaskHandle_t BTask_Handler;					//任务句柄

void A_task(void *pParam)
{
	for(;;)
	{
		printf("A task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
	}
}	

void B_task(void *pParam)
{
	for(;;)
	{
		printf("B task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
	}
}	

代码

注意，这里不能使用vTaskDelay()延迟函数，因为vTaskDelay()会使得任务阻塞，那么其它任务就可以执行

运行结果

  在前面任务创建与删除的测试中，A、B两个任务的优先级是相同的，于是调度器采用时间片调度法，任务轮流执行，时间片是多少？可以通过FreeRTOSConfig.h文件去配置，默认情况下我们可知，A、B任务还没有完整输出串口的时候就被切换了，所以出现了乱码。但是现在任务A永远是可以执行的最高优先级任务，任务B则永远得不到执行。

06 - 总结

• 单任务系统不能处理实时性的任务需要
• 多任务系统中任务的切换需要调度器的存在
• 调度器的基本功能是任务的切出和切入
• 任务是FreeRTOS的基本执行单位
• 任务具有任务函数、优先级、堆栈空间等特性