文章目錄

• 01 - 單任務與多工
• 1.1 - 單任務系統
• 1.2 - 多工系統
• 02 - 建立和刪除任務
• 2.1 - FreeRTOS_API
• 2.2 - 任務函式
• 2.3 - 建立任務
• 2.4 - 刪除任務
• 03 - 堆疊空間
• 04 - 任務優先順序
• 05 - 任務的基礎測試
• 5.1 - 建立和刪除測試
• 5.2 - 堆疊大小測試
• 5.3 - 任務的優先順序測試
• 06 - 總結

---

上一文連結：FreeRTOS筆記（三）配置檔案FreeRTOSConfig.h

01 - 單任務與多工

1.1 - 單任務系統

  微控制器裸機程式設計的時候，都會用一個while(1)去包裹所有應用程式，換言之，裸機程式設計中的應用程式就執行在一個死迴圈while(1)中，而且各個應用程式比如串列埠、LED、顯示屏等都是排隊輪流執行的（中斷除外），只要前面的程式沒有完成，後面的程式就必須等待。

  這種裸機程式設計非常容易實現，對於順序執行的邏輯可以控制得很好，但是當外部資源龐大，某些應用程式會在某個不可預測的時間上需要實時性執行

，此時裸機程式設計就無能為力了，裸機程式設計的系統一般稱為單任務系統，顯然現在需要多工系統，任務的概念就更加清晰了。

1.2 - 多工系統

  多工系統假若在單核版上執行（嵌入式中往往是單核），那麼意味著每個時刻只有一個任務在進行，下一個時刻到底選擇哪個任務去執行？需要一個掌控全域性任務執行時間安排的角色：排程器。排程器的基本功能是使得任務可以切出和切入，在某個任務需要馬上執行的時候立刻打斷當前正在執行的任務，這樣就使得系統具有實時性。排程器的存在也使得任務具有多種特性，比如優先順序、堆疊空間等等。

02 - 建立和刪除任務

2.1 - FreeRTOS_API

函式	描述
xTaskCreate()	堆疊由FreeRTOS動態分配
xTaskCreateStatic()	堆疊由使用者指定分配
xTaskCreateRestricted()	堆疊由FreeRTOS動態分配，使用MPU(記憶體保護單元)進行限制
xTaskDelete()	刪除任務

  根據FreeRTOS提供的API，能夠知道任務具有的基本特性，這些特性需要在建立的時候確定。

2.2 - 任務函式

  首先了解怎樣建立和刪除一個任務，上述提到，任務應該具有一個死迴圈函式，除了函式，任務還有優先順序、堆疊空間等特性，而這個函式稱為任務函式，它告訴任務需要執行的內容，任務函式既然是死迴圈，就不需要返回值，於是返回值就是void，那麼引數呢？FreeRTOS規定任務函式的引數是一個指標，基型別是void（void*指標可以指向任一個型別的指標，理解為包羅永珍的盒子，任何東西都能放進去），任務函式的原型如下：

void ATaskFunction( void *pvParameters );

2.3 - 建立任務

  這個任務函式需要繫結在任務中才能被執行，而任務需要建立，FreeRTOS提供任務相關的API，建立任務的API有3種，常用的是xTaskCreate()，不同的API用途在上表檢視，xTaskCreate()的原型及需要的標頭檔案如下：

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

aseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode,			//任務函式
                        const char * const pcName,		//任務名稱
                        unsigned short usStackDepth,		//堆疊大小
                        void *pvParameters,				//任務函式的引數
                        UBaseType_t uxPriority,			//任務優先順序
                        TaskHandle_t *pxCreatedTask );	//任務控制代碼

  引數和返回值可以在官方手冊中檢視，目前暫時理解部分。值得注意的是，任務的建立可以在排程器啟動前，也可以是排程器啟動後。

2.4 - 刪除任務

  任務函式執行在死迴圈之內，不能以任何方式返回，如果任務函式實在不需要繼續執行，那麼可以使用vTaskDelete()API函式主動或者被動刪除任務。任務刪除後就不再執行，變成了“殭屍”，等待著核心收屍。vTaskDelete()的原型及需要的標頭檔案如下：

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

void vTaskDelete( TaskHandle_t pxTask );	//任務控制代碼

03 - 堆疊空間

  FreeRTOS多工系統需要排程器進行任務的切換，而被切出的任務下一次可以被完整地繼續執行的原因在於，每個任務都有自己的堆疊，排程器進行任務切換的時候保護切出任務當前的堆疊現場，當下一次切入的時候再恢復現場，這樣任務中的資料就不會被破壞。

  在建立任務的時候需要指出堆疊的大小，這對於一般的開發者而言很難估計，目前只需要寫入一箇中等大的值即可，如果嵌入式單板的RAM資源短缺，就需要非常仔細地計算每個任務的堆疊大小。任務堆疊的大小由參賽 unsigned short usStackDepth指定，單位是字，不是位元組。

04 - 任務優先順序

  排程器選擇任務執行的依據是任務的優先順序，FreeRTOS的任務優先順序是0~(configMAX_PRIORITIES-1)，configMAX_PRIORITIES在FreeRTOSConfig.h（可以看上一文）中定義，0是最低優先順序，數值越大優先順序越高。
  排程器選擇任務需要有一個排程演算法，排程器總是選擇優先順序最高的任務去執行，如果任務隊伍中的優先順序一樣，就採用時間片的方法法輪流執行，每個任務執行一段時間，隨後切換同級的其它任務。

05 - 任務的基礎測試

  接下來進行任務的一些基礎測試，先測試一些任務的基礎特性，真實感受FreeRTOS的任務執行，比如建立刪除、堆疊大小和優先順序，配合官方的一些API進行使用，任務的建立僅僅測試xTaskCreate()函式。

5.1 - 建立和刪除測試

• 1、建立1個任務，串列埠間隔輸出running，同時輸出當前的任務數

#define START_TASK_PRIO                 1       //優先順序
#define STATR_STACK_SIZE                128     //堆疊大小
TaskHandle_t StartTask_Handler;                 //任務控制代碼

//任務函式
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());
	//建立任務
	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());
	//開啟排程器
	vTaskStartScheduler();
}

程式碼 執行結果

  這裡產生疑問，為什麼有3個任務？從輸出可知，排程器啟動前只有1個任務，啟動後有3個，意味著排程器建立了2個任務，這2個是什麼任務？開啟啟動排程器函式vTaskStartScheduler()檢視原始碼：

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 
    ……
}

  問題解決了，這2個任務，一個是IDLE空閒任務，一個是定時器任務，空閒任務是一定會建立的，因為if…else…都有建立任務的函式，而定時器任務是根據巨集configUSE_TIMERS來建立的，這個巨集在FreeRTOSConfig.h中配置，上一篇文章中配置了這個巨集，所以就會有3個任務。

• 2、建立2個任務A和B，A任務串列埠輸出running和當前的任務數，然後刪除自己，B任務間隔輸出running，同時輸出當前的任務數，並檢查任務A的狀態

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);
    }
}   

程式碼 執行結果

  能夠看到，排程器開啟後串列埠輸出混亂，這是資源訪問的問題，暫時不理會。還是能夠觀測到，任務A輸出了資訊，此時還有4個任務（A、B、空閒任務和定時器任務），當A刪除後，只有B在執行，並顯示A任務已經刪除，目前只有3個任務。

5.2 - 堆疊大小測試

• 建立1個任務，堆疊大小從1往上設定，串列埠間隔輸出running和變數值

#define START_TASK_PRIO					1		//優先順序
#define STATR_STACK_SIZE				16			//堆疊大小
TaskHandle_t StartTask_Handler;					//任務控制代碼
void start_task(void *pParam)
{
	for(;;)
	{
		printf("task running, task number: %ld\r\n",uxTaskGetNumberOfTasks());
		vTaskDelay(1000);
	}
}

程式碼 執行結果

  當任務堆疊不足夠的時候，任務是無法執行的。而且整個系統都會停止，具體原因後續瞭解。

5.3 - 任務的優先順序測試

• 建立2個任務A和B，A優先順序比B高，都在串列埠間隔輸出running

/* A 任務 */
#define A_TASK_PRIO					2		//優先順序
#define A_STACK_SIZE				128			//堆疊大小
TaskHandle_t ATask_Handler;					//任務控制代碼


/* B 任務 */
#define B_TASK_PRIO					1		//優先順序
#define B_STACK_SIZE				128			//堆疊大小
TaskHandle_t BTask_Handler;					//任務控制代碼

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());
	}
}	

程式碼 注意，這裡不能使用vTaskDelay()延遲函式，因為vTaskDelay()會使得任務阻塞，那麼其它任務就可以執行 執行結果

  在前面任務建立與刪除的測試中，A、B兩個任務的優先順序是相同的，於是排程器採用時間片排程法，任務輪流執行，時間片是多少？可以通過FreeRTOSConfig.h檔案去配置，預設情況下我們可知，A、B任務還沒有完整輸出串列埠的時候就被切換了，所以出現了亂碼。但是現在任務A永遠是可以執行的最高優先順序任務，任務B則永遠得不到執行。

06 - 總結

• 單任務系統不能處理實時性的任務需要
• 多工系統中任務的切換需要排程器的存在
• 排程器的基本功能是任務的切出和切入
• 任務是FreeRTOS的基本執行單位
• 任務具有任務函式、優先順序、堆疊空間等特性