FreeRTOS系列第20篇---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建分析

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ID：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大

整理：李肖遙

回顧任務(wù)的創(chuàng)建刪除

在FreeRTOS基礎(chǔ)系列《FreeRTOS系列第10篇---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建和刪除》中介紹了任務(wù)創(chuàng)建API函數(shù)xTaskCreate()，我們這里先回顧一下這個(gè)函數(shù)的聲明：

BaseType_t?xTaskCreate(
????TaskFunction_tp?vTaskCode,
????const?char?*?constpcName,
????unsigned?short?usStackDepth,
????void?*pvParameters,
????UBaseType_t?uxPriority,
????TaskHandle_t?*pvCreatedTask
);
這個(gè)API函數(shù)的作用是創(chuàng)建新的任務(wù)并將它加入到任務(wù)就緒列表，函數(shù)參數(shù)含義為：

• 「pvTaskCode」：函數(shù)指針，指向任務(wù)函數(shù)的入口。任務(wù)永遠(yuǎn)不會(huì)返回（位于死循環(huán)內(nèi)）。該參數(shù)類(lèi)型TaskFunction_t定義在文件projdefs.h中，定義為：typedef void(*TaskFunction_t)( void * )，即參數(shù)為空指針類(lèi)型并返回空類(lèi)型。

• 「pcName」：任務(wù)描述。主要用于調(diào)試。字符串的最大長(zhǎng)度（包括字符串結(jié)束字符）由宏configMAX_TASK_NAME_LEN指定，該宏位于FreeRTOSConfig.h文件中。

• 「usStackDepth」：指定任務(wù)堆棧大小，能夠支持的堆棧變量數(shù)量（堆棧深度），而不是字節(jié)數(shù)。比如，在16位寬度的堆棧下，usStackDepth定義為100，則實(shí)際使用200字節(jié)堆棧存儲(chǔ)空間。堆棧的寬度乘以深度必須不超過(guò)size_t類(lèi)型所能表示的最大值。比如，size_t為16位，則可以表示堆棧的最大值是65535字節(jié)。這是因?yàn)槎褩Ｔ谏暾?qǐng)時(shí)是以字節(jié)為單位的，申請(qǐng)的字節(jié)數(shù)就是堆棧寬度乘以深度，如果這個(gè)乘積超出size_t所表示的范圍，就會(huì)溢出，分配的堆?？臻g也不是我們想要的。

• 「pvParameters」：指針，當(dāng)任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，作為一個(gè)參數(shù)傳遞給任務(wù)。

• 「uxPriority」：任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。具有MPU支持的系統(tǒng)，可以通過(guò)置位優(yōu)先級(jí)參數(shù)的portPRIVILEGE_BIT位，隨意的在特權(quán)（系統(tǒng)）模式下創(chuàng)建任務(wù)。比如，創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)為2的特權(quán)任務(wù)，參數(shù)uxPriority可以設(shè)置為 ( 2 | portPRIVILEGE_BIT )。

• 「pvCreatedTask」：用于回傳一個(gè)句柄（ID），創(chuàng)建任務(wù)后可以使用這個(gè)句柄引用任務(wù)。

雖然xTaskCreate()看上去很像函數(shù)，但其實(shí)是一個(gè)宏，真正被調(diào)用的函數(shù)是xTaskGenericCreate()，xTaskCreate()宏定義如下所示：

#define?xTaskCreate(?pvTaskCode,?pcName,?usStackDepth,pvParameters,?uxPriority,?pxCreatedTask?)????\
??????xTaskGenericCreate(?(?pvTaskCode?),(?pcName?),?(?usStackDepth?),?(?pvParameters?),?(?uxPriority?),?(?pxCreatedTask),?(?NULL?),?(?NULL?),?(?NULL?)?)
可以看到,xTaskCreate比xTaskGenericCreate少了三個(gè)參數(shù)，在宏定義中，這三個(gè)參數(shù)被設(shè)置為NULL。

這三個(gè)參數(shù)用于使用靜態(tài)變量的方法分配堆棧、任務(wù)TCB空間以及設(shè)置MPU相關(guān)的參數(shù)。

一般情況下，這三個(gè)參數(shù)是不使用的，所以任務(wù)創(chuàng)建宏xTaskCreate定義的時(shí)候，將這三個(gè)參數(shù)對(duì)用戶隱藏了。

接下來(lái)的章節(jié)中，為了方便，我們還是稱xTaskCreate()為函數(shù)，雖然它是一個(gè)宏定義。

上面我們提到了任務(wù)TCB（任務(wù)控制塊），這是一個(gè)需要重點(diǎn)介紹的關(guān)鍵點(diǎn)。

它用于存儲(chǔ)任務(wù)的狀態(tài)信息，包括任務(wù)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境。每個(gè)任務(wù)都有自己的任務(wù)TCB。

任務(wù)TCB是一個(gè)相對(duì)比較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這也是情理之中的，因?yàn)榕c任務(wù)相關(guān)的代碼占到整個(gè)FreeRTOS代碼量的一半左右，這些代碼大都與任務(wù)TCB相關(guān)。

「我們先來(lái)介紹一下任務(wù)TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義」：

typedef?struct?tskTaskControlBlock
{
????volatile?StackType_t????*pxTopOfStack;?/*當(dāng)前堆棧的棧頂,必須位于結(jié)構(gòu)體的第一項(xiàng)*/
?
????#if?(?portUSING_MPU_WRAPPERS?==?1?)
????????xMPU_SETTINGS???xMPUSettings;??????/*MPU設(shè)置,必須位于結(jié)構(gòu)體的第二項(xiàng)*/
????#endif
?
????ListItem_t??????????xStateListItem;?/*任務(wù)的狀態(tài)列表項(xiàng)，以引用的方式表示任務(wù)的狀態(tài)*/
????ListItem_t??????????xEventListItem;????/*事件列表項(xiàng)，用于將任務(wù)以引用的方式掛接到事件列表*/
????UBaseType_t?????????uxPriority;????????/*保存任務(wù)優(yōu)先級(jí)，0表示最低優(yōu)先級(jí)*/
????StackType_t?????????*pxStack;???????????/*指向堆棧的起始位置*/
????char???????????????pcTaskName[?configMAX_TASK_NAME_LEN?];/*任務(wù)名字*/
?
????#if?(?portSTACK_GROWTH?>?0?)
????????StackType_t?????*pxEndOfStack;?????/*指向堆棧的尾部*/
????#endif
?
????#if?(?portCRITICAL_NESTING_IN_TCB?==?1?)
????????UBaseType_t?????uxCriticalNesting;?/*保存臨界區(qū)嵌套深度*/
????#endif
?
????#if?(?configUSE_TRACE_FACILITY?==?1?)
????????UBaseType_t?????uxTCBNumber;???????/*保存一個(gè)數(shù)值，每個(gè)任務(wù)都有唯一的值*/
????????UBaseType_t?????uxTaskNumber;??????/*存儲(chǔ)一個(gè)特定數(shù)值*/
????#endif
?
????#if?(?configUSE_MUTEXES?==?1?)
????????UBaseType_t?????uxBasePriority;????/*保存任務(wù)的基礎(chǔ)優(yōu)先級(jí)*/
????????UBaseType_t?????uxMutexesHeld;
????#endif
?
????#if?(?configUSE_APPLICATION_TASK_TAG?==?1?)
????????TaskHookFunction_t?pxTaskTag;
????#endif
?
????#if(?configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS?>?0?)
????????void?*pvThreadLocalStoragePointers[configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS?];
????#endif
?
????#if(?configGENERATE_RUN_TIME_STATS?==?1?)
????????uint32_t????????ulRunTimeCounter;??/*記錄任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)下執(zhí)行的總時(shí)間*/
????#endif
?
????#if?(?configUSE_NEWLIB_REENTRANT?==?1?)
????????/*?為任務(wù)分配一個(gè)Newlibreent結(jié)構(gòu)體變量。Newlib是一個(gè)C庫(kù)函數(shù)，并非FreeRTOS維護(hù)，F(xiàn)reeRTOS也不對(duì)使用結(jié)果負(fù)責(zé)。如果用戶使用Newlib，必須熟知Newlib的細(xì)節(jié)*/
????????struct?_reent?xNewLib_reent;
????#endif
?
????#if(?configUSE_TASK_NOTIFICATIONS?==?1?)
????????volatile?uint32_t?ulNotifiedValue;?/*與任務(wù)通知相關(guān)*/
????????volatile?uint8_t?ucNotifyState;
????#endif
?
????#if(?configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION?==?1?)
????????uint8_t?ucStaticAllocationFlags;?/*?如果堆棧由靜態(tài)數(shù)組分配，則設(shè)置為pdTRUE，如果堆棧是動(dòng)態(tài)分配的，則設(shè)置為pdFALSE*/
????#endif
?
????#if(?INCLUDE_xTaskAbortDelay?==?1?)
????????uint8_t?ucDelayAborted;
????#endif
?
}?tskTCB;
?
typedef?tskTCB?TCB_t;
「下面我們?cè)敿?xì)的介紹這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要成員：」

指針pxTopOfStack必須位于結(jié)構(gòu)體的第一項(xiàng)，指向當(dāng)前堆棧的棧頂，對(duì)于向下增長(zhǎng)的堆棧，pxTopOfStack總是指向最后一個(gè)入棧的項(xiàng)目。

如果使用MPU，xMPUSettings必須位于結(jié)構(gòu)體的第二項(xiàng)，用于MPU設(shè)置。

接下來(lái)是狀態(tài)列表項(xiàng)xStateListItem和事件列表項(xiàng)xEventListItem，我們?cè)谏弦徽陆榻B列表和列表項(xiàng)的文章中提到過(guò)：列表被FreeRTOS調(diào)度器使用，用于跟蹤任務(wù)，處于就緒、掛起、延時(shí)的任務(wù)，都會(huì)被掛接到各自的列表中。

調(diào)度器就是通過(guò)把任務(wù)TCB中的狀態(tài)列表項(xiàng)xStateListItem和事件列表項(xiàng)xEventListItem掛接到不同的列表中來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的。

在task.c中，定義了一些靜態(tài)列表變量，其中有就緒、阻塞、掛起列表，例如當(dāng)某個(gè)任務(wù)處于就緒態(tài)時(shí)，調(diào)度器就將這個(gè)任務(wù)TCB的xStateListItem列表項(xiàng)掛接到就緒列表。

事件列表項(xiàng)也與之類(lèi)似，當(dāng)隊(duì)列滿的情況下，任務(wù)因入隊(duì)操作而阻塞時(shí)，就會(huì)將事件列表項(xiàng)掛接到隊(duì)列的等待入隊(duì)列表上。

uxPriority用于保存任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，0為最低優(yōu)先級(jí)。任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，指定的任務(wù)優(yōu)先級(jí)就被保存到該變量中。

指針pxStack指向堆棧的起始位置，任務(wù)創(chuàng)建時(shí)會(huì)分配指定數(shù)目的任務(wù)堆棧，申請(qǐng)堆棧內(nèi)存函數(shù)返回的指針就被賦給該變量。

很多剛接觸FreeRTOS的人會(huì)分不清指針pxTopOfStack和pxStack的區(qū)別，「這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下：」

pxTopOfStack指向當(dāng)前堆棧棧頂，隨著進(jìn)棧出棧，pxTopOfStack指向的位置是會(huì)變化的；

pxStack指向當(dāng)前堆棧的起始位置，一經(jīng)分配后，堆棧起始位置就固定了，不會(huì)被改變了。

「那么為什么需要pxStack變量呢?」

這是因?yàn)殡S著任務(wù)的運(yùn)行，堆?？赡軙?huì)溢出，在堆棧向下增長(zhǎng)的系統(tǒng)中，這個(gè)變量可用于檢查堆棧是否溢出；

如果在堆棧向上增長(zhǎng)的系統(tǒng)中，要想確定堆棧是否溢出，還需要另外一個(gè)變量pxEndOfStack來(lái)輔助診斷是否堆棧溢出，后面會(huì)講到這個(gè)變量。

字符數(shù)組pcTaskName用于保存任務(wù)的描述或名字，在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，由參數(shù)指定。

名字的長(zhǎng)度由宏configMAX_TASK_NAME_LEN（位于FreeRTOSConfig.h中）指定，包含字符串結(jié)束標(biāo)志。

如果堆棧向上生長(zhǎng)（portSTACK_GROWTH > 0），指針pxEndOfStack指向堆棧尾部，用于檢驗(yàn)堆棧是否溢出。

變量uxCriticalNesting用于保存臨界區(qū)嵌套深度，初始值為0。

接下來(lái)兩個(gè)變量用于可視化追蹤，僅當(dāng)宏configUSE_TRACE_FACILITY（位于FreeRTOSConfig.h中）為1時(shí)有效。

變量uxTCBNumber存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)值，在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)由內(nèi)核自動(dòng)分配數(shù)值（通常每創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，值增加1），每個(gè)任務(wù)的uxTCBNumber值都不同，主要用于調(diào)試。

變量uxTaskNumber用于存儲(chǔ)一個(gè)特定值，與變量uxTCBNumber不同，uxTaskNumber的數(shù)值不是由內(nèi)核分配的，而是通過(guò)API函數(shù)vTaskSetTaskNumber()來(lái)設(shè)置的，數(shù)值由函數(shù)參數(shù)指定。

如果使用互斥量（configUSE_MUTEXES == 1），任務(wù)優(yōu)先級(jí)被臨時(shí)提高時(shí)，變量uxBasePriority用來(lái)保存任務(wù)原來(lái)的優(yōu)先級(jí)。

變量ucStaticAllocationFlags也需要說(shuō)明一下，我們前面說(shuō)過(guò)任務(wù)創(chuàng)建API函數(shù)xTaskCreate()只能使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的方式創(chuàng)建任務(wù)堆棧和任務(wù)TCB，如果要使用靜態(tài)變量實(shí)現(xiàn)任務(wù)堆棧和任務(wù)TCB就需要使用函數(shù)xTaskGenericCreate()來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果任務(wù)堆?；蛉蝿?wù)TCB由靜態(tài)數(shù)組和靜態(tài)變量實(shí)現(xiàn)，則將該變量設(shè)置為pdTRUE（任務(wù)堆?？臻g由靜態(tài)數(shù)組變量實(shí)現(xiàn)時(shí)為0x01，任務(wù)TCB由靜態(tài)變量實(shí)現(xiàn)時(shí)為0x02，任務(wù)堆棧和任務(wù)TCB都由靜態(tài)變量實(shí)現(xiàn)時(shí)為0x03），如果堆棧是動(dòng)態(tài)分配的，則將該變量設(shè)置為pdFALSE。

到這里任務(wù)TCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就講完了，下面我們用一個(gè)例子「來(lái)講述任務(wù)創(chuàng)建的過(guò)程」，為方便起見(jiàn)，假設(shè)被創(chuàng)建的任務(wù)叫“任務(wù)A”，任務(wù)函數(shù)為vTask_A()：

TaskHandle_t xHandle；
xTaskCreate(vTask_A,”Task?A”,120,NULL,1,