????FreeRTOS 的任務(wù)管理非常重要，了解任務(wù)管理的目的就是讓初學(xué)者從裸機(jī)的，單任務(wù)編程過渡到帶 OS 的，多任務(wù)編程上來。搞清楚了這一點(diǎn)， 那么 FreeRTOS 學(xué)習(xí)就算入門了。

? ?

單任務(wù)系統(tǒng)?

????學(xué)習(xí)多任務(wù)系統(tǒng)之前，我們先來回顧下單任務(wù)系統(tǒng)的編程框架，即裸機(jī)時(shí)的編程框架。

????裸機(jī)編程主要是采用超級循環(huán)（super-loops）系統(tǒng)，又稱前后臺系統(tǒng)。應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，循環(huán)這部分可以看做后臺行為；

????中斷服務(wù)程序處理異步事件，中斷服務(wù)這部分可以看做是前臺行為。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫作中斷級

對于前后臺系統(tǒng)的編程思路主要有以下兩種方式：

1????查詢方式?

????對于一些簡單的應(yīng)用，處理器可以查詢數(shù)據(jù)或者消息是否就緒，就緒后進(jìn)行處理，然后再等待，如此循環(huán)下去。對于簡單的任務(wù)，這種方式簡單易處理。但大多數(shù)情況下，需要處理多個(gè)接口數(shù)據(jù)或者消息，那就需要多次處理，如下面的流程圖所示：

????用查詢方式處理簡單的應(yīng)用，效果比較好，但是隨著工程的復(fù)雜，采用查詢方式實(shí)現(xiàn)的工程就變得很難維護(hù)，同時(shí)，由于無法定義查詢?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，這種查詢方式會(huì)使得重要的接口消息得不到及時(shí)響應(yīng)。?

????比如程序一直在等待一個(gè)非緊急消息就緒，如果這個(gè)消息后面還有一個(gè)緊急的消息需要處理，那么就會(huì)使得緊急消息長時(shí)間得不到執(zhí)行。?

2 中斷方式?

對于查詢方式無法有效執(zhí)行緊急任務(wù)的情況，采用中斷方式就有效地解決了這個(gè)問題，下面是中斷方式簡單的流程圖：

采用中斷和查詢結(jié)合的方式可以解決大部分裸機(jī)應(yīng)用，但隨著工程的復(fù)雜，裸機(jī)方式的缺點(diǎn)就暴露出來了：

◆ 必須在中斷(ISR)內(nèi)處理時(shí)間關(guān)鍵運(yùn)算：?

????ISR 函數(shù)變得非常復(fù)雜，并且需要很長執(zhí)行時(shí)間。?

????ISR 嵌套可能產(chǎn)生不可預(yù)測的執(zhí)行時(shí)間和堆棧需求。

◆ 超級循環(huán)和 ISR 之間的數(shù)據(jù)交換是通過全局共享變量進(jìn)行的：

?????應(yīng)用程序的程序員必須確保數(shù)據(jù)一致性。

◆ 超級循環(huán)可以與系統(tǒng)計(jì)時(shí)器輕松同步，但：

?????如果系統(tǒng)需要多種不同的周期時(shí)間，則會(huì)很難實(shí)現(xiàn)。

????超過超級循環(huán)周期的耗時(shí)函數(shù)需要做拆分。?

?????增加軟件開銷，應(yīng)用程序難以理解。?

◆ 超級循環(huán)使得應(yīng)用程序變得非常復(fù)雜，因此難以擴(kuò)展：

????一個(gè)簡單的更改就可能產(chǎn)生不可預(yù)測的副作用，對這種副作用進(jìn)行分析非常耗時(shí)。?

????超級循環(huán)概念的這些缺點(diǎn)可以通過使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 來解決。

多任務(wù)系統(tǒng)?

針對這些情況，使用多任務(wù)系統(tǒng)就可以解決這些問題了。下面是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)的流程圖：

????多任務(wù)系統(tǒng)或者說 RTOS 的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)就在這個(gè)調(diào)度器上，而調(diào)度器的作用就是使用相關(guān)的調(diào)度算法來決定當(dāng)前需要執(zhí)行的任務(wù)。

????如上圖所示的那樣，創(chuàng)建了任務(wù)并完成 OS 初始化后，就可以通過調(diào)度器來決定任務(wù) A，任務(wù) B 和任務(wù) C 的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)。另外需要初學(xué)者注意的是，這里所說的多任務(wù)系統(tǒng)同一時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)可以運(yùn)行，只是通過調(diào)度器的決策，看起來像所有任務(wù)同時(shí)運(yùn)行一樣。為 了更好的說明這個(gè)問題，再舉一個(gè)詳細(xì)的運(yùn)行例子，運(yùn)行條件如下：

◆ 使用搶占式調(diào)度器。

◆ 1 個(gè)空閑任務(wù)，優(yōu)先級最低。?

◆ 2 個(gè)應(yīng)用任務(wù)，一個(gè)高優(yōu)先級和一個(gè)低優(yōu)先級，優(yōu)先級都比空閑任務(wù)優(yōu)先級高。

◆ 中斷服務(wù)程序，含 USB 中斷，串口中斷和系統(tǒng)滴答定時(shí)器中斷。?

????下圖所示是任務(wù)的運(yùn)行過程，其中橫坐標(biāo)是任務(wù)優(yōu)先級由低到高排列，縱坐標(biāo)是運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間刻度有小到大。

（1） 啟動(dòng) RTOS，首先執(zhí)行高優(yōu)先級任務(wù)(vTaskStartScheduler)。?

（2） 高優(yōu)先級任務(wù)等待事件標(biāo)志（xEventGroupWaitBits）被阻塞，低優(yōu)先級任務(wù)得到執(zhí)行。?

（3） 低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行的過程中產(chǎn)生 USB 中斷，進(jìn)入 USB 中斷服務(wù)程序。?

（4） 退出 USB 中斷復(fù)位程序，回到低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。?

（5） 低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行過程中產(chǎn)生串口接收中斷，進(jìn)入串口接收中斷服務(wù)程序。?

（6） 退出串口接收中斷復(fù)位程序，并發(fā)送事件標(biāo)志設(shè)置消息（xEventGroupSetBitsFromISR）， 被阻塞的高優(yōu)先級任務(wù)就會(huì)重新進(jìn)入就緒狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候高優(yōu)先級任務(wù)和低優(yōu)先級任務(wù)都在就緒態(tài)，搶占式調(diào)度器就會(huì)讓高優(yōu)先級的任務(wù)先執(zhí)行，所以此時(shí)就會(huì)進(jìn)入高優(yōu)先級任務(wù)。?

（7） 高優(yōu)先級任務(wù)由于等待事件標(biāo)志（xEventGroupWaitBits）會(huì)再次被阻塞，低優(yōu)先級任務(wù)開始繼續(xù)執(zhí)行。?

（8） 低優(yōu)先級任務(wù)調(diào)用函數(shù) vTaskDelay，低優(yōu)先級任務(wù)被掛起，從而空閑任務(wù)得到執(zhí)行。 （9） 空閑任務(wù)執(zhí)行期間發(fā)生滴答定時(shí)器中斷，進(jìn)入滴答定時(shí)器中斷服務(wù)程序。?

（10） 退出滴答定時(shí)器中斷，由于低優(yōu)先級任務(wù)延時(shí)時(shí)間到，低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。

（11） 低優(yōu)先級任務(wù)再次調(diào)用延遲函數(shù)vTaskDelay，低優(yōu)先級任務(wù)被掛起，從而切換到空閑任務(wù)。 空閑任務(wù)得到執(zhí)行。?

????FreeRTOS 就是一款支持多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有時(shí)間片，搶占式和合作式三種調(diào)度方法。 通過 FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以將程序函數(shù)分成獨(dú)立的任務(wù)，并為其提供合理的調(diào)度方式。

FreeRTOS 的任務(wù)棧設(shè)置

????不管是裸機(jī)編程還是 RTOS 編程，棧的分配大小都非常重要。

????局部變量，函數(shù)調(diào)用時(shí)的現(xiàn)場保護(hù)和返回地址，函數(shù)的形參，進(jìn)入中斷函數(shù)前和中斷嵌套等都需要棧空間，棧空間定義小了會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。

????裸機(jī)的情況下，用戶可以在這里配置棧大?。?/p>

????不同于裸機(jī)編程，在 RTOS 下，每個(gè)任務(wù)都有自己的棧空間。

????對于 FreeRTOS 來說，任務(wù)?？臻g是在任務(wù)創(chuàng)建的時(shí)候從 FreeRTOSConfig.h 文件中定義的 heap 空間中申請的?

????#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

????具體每個(gè)任務(wù)的棧大小是在創(chuàng)建 FreeRTOS 的任務(wù)時(shí)進(jìn)行設(shè)置的：

FreeRTOS 的系統(tǒng)棧設(shè)置

裸機(jī)的情況下，凡是用到?？臻g的地方 都是在這里配置的?？臻g：

????在 RTOS 下，上圖中設(shè)置的棧大小有了一個(gè)新的名字叫系統(tǒng)?？臻g，而任務(wù)棧是不使用這里的空間的。任務(wù)棧不使用這里的棧空間，哪里使用這里的?？臻g呢？

????答案就在中斷函數(shù)和中斷嵌套。

????◆ 由于 Cortex-M3 和 M4 內(nèi)核具有雙堆棧指針，MSP 主堆棧指針和 PSP 進(jìn)程堆棧指針，或者叫 PSP 任務(wù)堆棧指針也是可以的。在 FreeRTOS 操作系統(tǒng)中，主堆棧指針 MSP 是給系統(tǒng)?？臻g使用的，進(jìn)程堆棧指針 PSP 是給任務(wù)棧使用的。

????也就是說，在FreeRTOS 任務(wù)中，所有?？臻g的使用都是通過 PSP 指針進(jìn)行指向的。一旦進(jìn)入了中斷函數(shù)以及可能發(fā)生的中斷嵌套都是用的 MSP 指針。這個(gè)知識點(diǎn)要記住它，當(dāng)前可以不知道這是為什么，但是一定要記住。

◆ 實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)?？臻g分配多大，主要是看可能發(fā)生的中斷嵌套層數(shù)，下面我們就按照最壞執(zhí)行情況 進(jìn)行考慮，所有的寄存器都需要入棧，此時(shí)分為兩種情況

?????情況1：?64 字節(jié)?

?????對于 Cortex-M3 內(nèi)核和未使用 FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核在發(fā)生中斷時(shí)需要將 16 個(gè)通用寄存器全部入棧，每個(gè)寄存器占用 4 個(gè)字節(jié)，也就是 16*4 = 64 字節(jié)的空間。 可能發(fā)生幾次中斷嵌套就是要 64 乘以幾即可。當(dāng)然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。

????（注：任務(wù)執(zhí)行的過程中發(fā)生中斷的話，有 8 個(gè)寄存器是自動(dòng)入棧的，這個(gè)棧是任務(wù)棧，進(jìn)入中斷以后其余寄存器入棧以及發(fā)生中斷嵌套都是用的系統(tǒng)棧）

????情況2： 200 字節(jié)

????對于具有 FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核，如果在任務(wù)中進(jìn)行了浮點(diǎn)運(yùn)算，那么在發(fā)生中斷的時(shí)候除了 16 個(gè)通用寄存器需要入棧，還有 34 個(gè)浮點(diǎn)寄存器也是要入棧的，也就是 (16+34)*4 = 200 字節(jié)的空間。當(dāng)然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。?

（注：任務(wù)執(zhí)行的過程中發(fā)送中斷的話，有 8 個(gè)通用寄存器和 18 個(gè)浮點(diǎn)寄存器是自動(dòng)入棧的， 這個(gè)棧是任務(wù)棧，進(jìn)入中斷以后其余通用寄存器和浮點(diǎn)寄存器入棧以及發(fā)生中斷嵌套都是用的系 統(tǒng)棧）

FreeRTOS 的任務(wù)狀態(tài)

? ?FreeRTOS 的運(yùn)行支持以下四種狀態(tài)：

◆ Running—運(yùn)行態(tài)

當(dāng)任務(wù)處于實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)被稱之為運(yùn)行態(tài)，即 CPU 的使用權(quán)被這個(gè)任務(wù)占用。?

◆ Ready—就緒態(tài)?

處于就緒態(tài)的任務(wù)是指那些能夠運(yùn)行（沒有被阻塞和掛起），但是當(dāng)前沒有運(yùn)行的任務(wù)，因?yàn)橥瑑?yōu)先級或更高優(yōu)先級的任務(wù)正在運(yùn)行。

◆ Blocked—阻塞態(tài)?

由于等待信號量，消息隊(duì)列，事件標(biāo)志組等而處于的狀態(tài)被稱之為阻塞態(tài)，另外任務(wù)調(diào)用延遲函數(shù)也會(huì)處于阻塞態(tài)。

◆ Suspended—掛起態(tài)?

類似阻塞態(tài)，通過調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend()對指定任務(wù)進(jìn)行掛起，掛起后這個(gè)任務(wù)將不被執(zhí)行，只有調(diào)用函數(shù) xTaskResume()才可以將這個(gè)任務(wù)從掛起態(tài)恢復(fù)。

FreeRTOS 啟動(dòng)

使用如下函數(shù)即可啟動(dòng) FreeRTOS：?

◆ vTaskStartScheduler(); 關(guān)于這個(gè)函數(shù)的講解及其使用方法可以看 FreeRTOS 在線版手冊

????函數(shù) vTaskStartScheduler 用于啟動(dòng) FreeRTOS 調(diào)度器，即啟動(dòng) FreeRTOS 的多任務(wù)執(zhí)行。 使用這個(gè)函數(shù)要注意以下幾個(gè)問題：?

1. 空閑任務(wù)和可選的定時(shí)器任務(wù)是在調(diào)用這個(gè)函數(shù)后自動(dòng)創(chuàng)建的。?

2. 正常情況下這個(gè)函數(shù)是不會(huì)返回的，運(yùn)行到這里極有可能是用于定時(shí)器任務(wù)或者空閑任務(wù)的 heap 空間不足造成創(chuàng)建失敗，此時(shí)需要加大 FreeRTOSConfig.h 文件中定義的 heap 大?。?????#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )

FreeRTOS 的任務(wù)創(chuàng)建

使用如下函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 的任務(wù)創(chuàng)建：?

◆ xTaskCreate() 關(guān)于這個(gè)函數(shù)的講解及其使用方法可以看 FreeRTOS 在線版手冊：

函數(shù) xTaskCreate 用于實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 操作系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建，并且還可以自定義任務(wù)棧的大小。

◆ 第 1 個(gè)參數(shù)填創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)名。?

◆ 第 2 個(gè)參數(shù)是任務(wù)名，這個(gè)參數(shù)主要是用于調(diào)試目的，調(diào)試的時(shí)候方便看是哪個(gè)任務(wù)。?

◆ 第 3 個(gè)參數(shù)是任務(wù)棧大小，單位 word，也就是 4 字節(jié)。?

◆ 第 4 個(gè)參數(shù)是創(chuàng)建的任務(wù)函數(shù)的形參。?

◆ 第 5 個(gè)參數(shù)是任務(wù)句柄，用于區(qū)分不同的任務(wù)。

FreeRTOS 的任務(wù)刪除

使用如下函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 的任務(wù)刪除：

◆ vTaskDelete() 關(guān)于這個(gè)函數(shù)的講解及其使用方法可以看 FreeRTOS 在線版手冊：

◆ 第 1 個(gè)參數(shù)填要?jiǎng)h除任務(wù)的句柄 使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問題：

????1 使用此函數(shù)需要在 FreeRTOSConfig.h 配置文件中配置如下宏定義為?

????#define INCLUDE_vTaskDelete ????1

????2 如果用往此函數(shù)里面填的任務(wù) ID 是 NULL，即數(shù)值 0 的話，那么刪除的就是當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，此任務(wù)被刪除后，F(xiàn)reeRTOS 會(huì)切換到任務(wù)就緒列表里面下一個(gè)要執(zhí)行的最高優(yōu)先級任務(wù)。

? ? 3 在 FreeRTOS 中，創(chuàng)建任務(wù)所需的內(nèi)存需要在空閑任務(wù)中釋放，如果用戶在 FreeRTOS 中調(diào)用了這個(gè)函數(shù)的話，一定要讓空閑任務(wù)有執(zhí)行的機(jī)會(huì)，否則這塊內(nèi)存是無法釋放的。

????另外，創(chuàng)建的這個(gè)任務(wù)在使用中申請了動(dòng)態(tài)內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存不會(huì)因?yàn)榇巳蝿?wù)被刪除而刪除，這一點(diǎn)要注意，一定要在刪除前將此內(nèi)存釋放。

FreeRTOS 的任務(wù)掛起

使用如下函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 的任務(wù)掛起：

◆ xTaskSuspend()

函數(shù) vTaskSuspend 用于實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 操作系統(tǒng)的任務(wù)掛起。

◆ 第 1 個(gè)參數(shù)填要掛起任務(wù)的句柄 使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問題：

????1. 使用此函數(shù)需要在 FreeRTOSConfig.h 配置文件中配置如下宏定義為 1

????#define INCLUDE_vTaskSuspend ????1?

????2. 如果用往此函數(shù)里面填的任務(wù) ID 是 NULL，即數(shù)值 0 的話，那么掛起的就是當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)， 此任務(wù)被掛起后，F(xiàn)reeRTOS 會(huì)切換到任務(wù)就緒列表里面下一個(gè)要執(zhí)行的高優(yōu)先級任務(wù)。

????3. 多次調(diào)用此函數(shù)的話，只需調(diào)用一次 vTaskResume 即可將任務(wù)從掛起態(tài)恢復(fù)。

FreeRTOS?的任務(wù)恢復(fù)

使用如下函數(shù)可以實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 的任務(wù)恢復(fù)：

◆ xTaskResume()

◆ 第 1 個(gè)參數(shù)填要恢復(fù)任務(wù)的句柄 使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問題：?

????1. 使用此函數(shù)需要在 FreeRTOSConfig.h 配置文件中配置如下宏定義為 1?

????#define INCLUDE_vTaskSuspend 1?

????2. 多次調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend 的話，只需調(diào)用一次 vTaskResume 即可將任務(wù)從掛起態(tài)恢復(fù)。?

????3. 此函數(shù)是用于任務(wù)代碼中調(diào)用的，故不可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用此函數(shù)，中斷服務(wù)程序中使用的 xTaskResumeFromISR()，以后綴 FromISR 結(jié)尾。

FreeRTOS 的任務(wù)恢復(fù)(中斷方式)

◆ xTaskResumeFromISR()

函數(shù) vTaskResumeFromISR 用于實(shí)現(xiàn) FreeRTOS 操作系統(tǒng)的任務(wù)恢復(fù)。?

◆ 第 1 個(gè)參數(shù)填要恢復(fù)任務(wù)的句柄 使用這個(gè)函數(shù)要注意以下問題：

????1.使用此函數(shù)需要在 FreeRTOSConfig.h 配置文件中配置如下宏定義為 1?

????#define INCLUDE_xResumeFromISR ????1?

????2. 多次調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend 的話，只需調(diào)用一次 vTaskResumeFromISR 即可將任務(wù)從掛起態(tài)恢復(fù)。?

????3. 如果用戶打算采用這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)中斷與任務(wù)的同步，要注意一種情況，如果此函數(shù)的調(diào)用優(yōu)先于函數(shù) vTaskSuspend 被調(diào)用，那么此次同步會(huì)丟失，這種情況下建議使用信號量來實(shí)現(xiàn)同步。?

????4. 此函數(shù)是用于中斷服務(wù)程序中調(diào)用的，故不可以在任務(wù)中使用此函數(shù)，任務(wù)中使用的是 vTaskResume。

FreeRTOS 的空閑任務(wù)

幾乎所有的小型 RTOS 中都會(huì)有一個(gè)空閑任務(wù)，空閑任務(wù)屬于系統(tǒng)任務(wù)，是必須要執(zhí)行的，用戶程 序不能將其關(guān)閉。不光小型系統(tǒng)中有空閑任務(wù)，大型的系統(tǒng)里面也有的，比如 WIN7。

空閑任務(wù)主要有以下幾個(gè)作用：?

????◆ 用戶不能讓系統(tǒng)一直在執(zhí)行各個(gè)應(yīng)用任務(wù)，這樣的話系統(tǒng)利用率就是 100%，系統(tǒng)就會(huì)一直超負(fù)荷運(yùn)行，所以空閑任務(wù)很有必要。

????◆ 為了更好的實(shí)現(xiàn)低功耗，空閑任務(wù)也很有必要，用戶可以在空閑任務(wù)中實(shí)現(xiàn)睡眠，停機(jī)等低功耗措施。

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