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FreeRTOS学习笔记之任务调度

news 2025/7/17 7:12:10

一、简介

FreeRTOS 的任务（Task）是其核心概念之一，本质上是一个独立的线程或执行单元。每个任务都有自己的执行上下文（堆栈、寄存器值等），并能在 FreeRTOS 内核的调度下，以协作式或抢占式方式运行

对于单核的 CPU 而言，CPU 在同一时刻只能够处理一个任务，但是多任务系统的任务调度器会根据相关的任务调度算法，将 CPU 的使用权分配给任务，在任务获取 CPU 使用权之后的极短时间（宏观角度）后，任务调度器又会将 CPU 的使用权分配给其他任务，如此往复，在宏观的角度看来，就像是多个任务同时运行了一样
也就是说同一时间仅一个任务在运行

1.1 调度 

目前，做常用的调度算法为优先级抢占调度与时间片轮转调度这两种，遇到阻塞时均会切换任务；
任务优先级数值越大，优先级越高；这与中断优先级刚好相反

对于优先级抢占调度：主要针对优先级不同的任务
例如：目前有三个处于就绪态的任务Task1,Task2,Task3,这三个任务的优先级分别为1，2，3，task3在运行2ms时有个延迟函数延迟5ms；Task2在执行1ms时有个延迟函数延迟10ms;Task1运行1ms时有个延迟函数延迟5ms 
注：三个中的延迟只执行一次

  1. 0ms - 2ms: Task3运行
    初始就绪任务：Task3(优先级3) > Task2(2) > Task1(1)
    CPU执行最高优先级任务 Task3（运行2ms）

  2. 2ms: Task3阻塞
    Task3调用vTaskDelay(5)进入阻塞态（解除阻塞时间=2ms+5ms=7ms）
    就绪任务更新：Task2(2), Task1(1)
    调度器选择最高优先级就绪任务 Task2

  3. 2ms - 3ms: Task2运行
    Task2执行1ms后调用vTaskDelay(10)（解除阻塞时间=3ms+10ms=13ms）
    Task2进入阻塞态
    就绪任务仅剩 Task1

  4. 3ms - 4ms: Task1运行
    Task1执行1ms后调用vTaskDelay(5)（解除阻塞时间=4ms+5ms=9ms）
    Task1进入阻塞态
    所有用户任务均阻塞

  5. 4ms - 7ms: 空闲任务运行
    无用户任务就绪，CPU执行优先级0的空闲任务（Idle Task）

  6. 7ms: Task3解除阻塞
    Task3延迟结束（7ms时刻），重新进入就绪态
    因Task3优先级最高，立即抢占CPU
    执行 Task3（从上次阻塞点继续运行）

  7. 7ms以后: Task3独占CPU
    9ms: Task1延迟结束进入就绪态，但优先级(1) < Task3(3)，不抢占
    13ms: Task2延迟结束进入就绪态，优先级(2) < Task3(3)，不抢占
    只要Task3不主动阻塞，将一直占用CPU（即使Task1/Task2已就绪）

对于时间片轮转调度：主要针对优先级相同的任务，任务调度器会在每个时间片结束时切换任务；

常用1ms进行一次中断,中断时进行任务调度，任务调度时用到PendSV中断进行任务切换
注意：若任务途中被打断或阻塞，没有用完的时间片不会再使用，下次该任务得到执行还是按照一个时间片的时钟节拍运行


举例1：Task1 在 1 ms 时调用 delay(3 ms) 阻塞，此时它的时间片只用了 1 ms，剩余 4 ms 作废。4 ms 时 Task1 就绪，再次得到调度，这时它拿到新的 5 ms 时间片，并从 delay 返回后的那一条指令继续执行，而不是重新从 Task1 的第一条语句开始。

举例2：目前有三个处于就绪态的任务Task1,Task2,Task3,设定时间片为1ms，这三个任务的优先级相同，task3在运行3ms处有个延迟函数延迟1ms；Task2在执行2ms时有个延迟函数延迟1ms;Task1运行3ms时有个延迟函数延迟1ms，请问CPU如何执行这三个任务？（注：三个任务都是循环的，所有延迟函数均循环执行）

时间运行任务事件与状态变化
0Task1Task1运行1ms（累计1/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task2 → Task3 → Task1
1Task2Task2运行1ms（累计1/2）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task3 → Task1 → Task2
2Task3Task3运行1ms（累计1/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task1 → Task2 → Task3
3Task1Task1运行1ms（累计2/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task2 → Task3 → Task1
4Task2Task2运行1ms（累计2/2）→ 阻塞1ms（至t=5）
就绪队列：Task3 → Task1
5Task3Task2唤醒（t=5开始）→ 加入队列末尾
Task3运行1ms（累计2/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task1 → Task2 → Task3
6Task1Task1运行1ms（累计3/3）→ 阻塞1ms（至t=7）
就绪队列：Task2 → Task3
7Task2Task1唤醒（t=7开始）→ 加入队列末尾
Task2运行1ms（重置后累计1/2）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task3 → Task1 → Task2
8Task3Task3运行1ms（累计3/3）→ 阻塞1ms（至t=9）
就绪队列：Task1 → Task2
9Task1Task3唤醒（t=9开始）→ 加入队列末尾
Task1运行1ms（重置后累计1/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task2 → Task3 → Task1
10Task2Task2运行1ms（累计2/2）→ 阻塞1ms（至t=11）
就绪队列：Task3 → Task1
11Task3Task2唤醒（t=11开始）→ 加入队列末尾
Task3运行1ms（重置后累计1/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task1 → Task2 → Task3
12Task1Task1运行1ms（累计2/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task2 → Task3 → Task1
13Task2Task2运行1ms（重置后累计1/2）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task3 → Task1 → Task2
14Task3Task3运行1ms（累计2/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task1 → Task2 → Task3
15Task1Task1运行1ms（累计3/3）→ 阻塞1ms（至t=16）
就绪队列：Task2 → Task3
16Task2Task1唤醒（t=16开始）→ 加入队列末尾
Task2运行1ms（累计2/2）→ 阻塞1ms（至t=17）
就绪队列：Task3 → Task1
17Task3Task2唤醒（t=17开始）→ 加入队列末尾
Task3运行1ms（累计3/3）→ 阻塞1ms（至t=18）
就绪队列：Task1 → Task2
18Task1Task3唤醒（t=18开始）→ 加入队列末尾
Task1运行1ms（重置后累计1/3）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task2 → Task3 → Task1
19Task2Task2运行1ms（重置后累计1/2）→ 加入队列末尾
就绪队列：Task3 → Task1 → Task2

任务的优先级作用于调度器调度顺序
中断优先级高于所有任务
FreeRTOS推荐将中断优先级的4bit全部配置为抢占优先级 

2.1 任务状态 

FreeRTOS 中任务存在四种任务状态，分别为运行态、就绪态、阻塞态和挂起态。FreeRTOS运行时，任务的状态一定是这四种状态中的一种。

仅就绪态可以转变为运行态
其他状态任务的任务想运行，必须先转变为就绪态 

1.3 任务优先级 

任务优先级是决定任务调度器如何分配 CPU 使用权的因素之一。每一个任务都被分配一个0~ (configMAX_PRIORITIES-1)的任务优先级，宏 configMAX_PRIORITIES 在 FreeRTOSConfig.h文件中定义

对于STM32来说，由于硬件平台的限制，任务优先级最大支持32个优先级；如果不考虑硬件限制，软件优可支持无数个优先级

二、任务API

2.1 任务创建

@函数原型：

 BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode,
const char * const pcName,
const configSTACK_DEPTH_TYPE uxStackDepth,
void *pvParameters,
UBaseType_t uxPriority,
TaskHandle_t *pxCreatedTask//将任务当前相关信息保存在此句柄中传出
);
@函数功能：动态任务创建，在创建该任务时需要为其分配空间
@函数参数：
【1】pvTaskCode，指向任务入口函数的指针（只是实现任务的函数的名称),任务通常实现为无限循环;实现任务绝不能尝试返回或退出。函数返回值必须为void,函数参数必须为void*

typedef void (* TaskFunction_t)( void * ); -> TaskFunction_t==void (*)(void *)
【2】pcName，字符串，任务的描述性名称。这主要是为了方便调试，也可以用以获取任务句柄
【3】uxStackDepth，以分配用作任务的堆栈(以字为单位)。当任务切换时，将任务当前的状态保存到自己的栈空间
【4】pvParameters，传递给任务函数的参数
【5】uxPriority，任务优先级
【6】pxCreatedTask，pxCreatedTask 用于传出任务的句柄。这个句柄将在 API 调用中对该创建出来的任务进行引用，比如改变任务优先级，或者删除任务。如果应用程序中不会用到这个任务的句柄，则pxCreatedTask 可以被设为 NULL
@函数返回：

如果任务创建成功，则返回 pdPASS。

否则返回 errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY，没有足够空间为任务栈分配。

@任务函数
void xxx_Task(void*pvParameters)

{

    while(1)

   {

     ……//任务

     }

}


就序列表中的任务优先级相等时，最后一个被创建的任务先执行，其他任务按照创建顺序执行

2.2 任务删除

@函数原型：void vTaskDelete( TaskHandle_t xTask );

@函数功能：从 RTOS 内核管理中删除任务。删除的任务将从就绪、阻塞、挂起列表移除。

@函数参数：【1】xTask，待删除任务的句柄
要注意的是，空闲任务会负责释放被删除任务中由系统分配的内存，但是由用户在任务删除前申请的内存，则需要由用户在任务被删除前提前释放，否则将导致内存泄露。

任务句柄：

typedef struct tskTaskControlBlock * TaskHandle_t;

在使用xTaskCreate创建一个任务时，会创建一个结构体struct tskTaskControlBlock，该结构体叫做任务控制块等价于Linux中的线程控制块(TCB)，保存当前创建的任务信息的。

任务句柄就是任务TCB的地址

2.3 任务阻塞 

@函数原型：void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );

@函数功能：将任务延迟给定数量的时钟周期

@函数参数：【1】xTicksToDelay，任务阻塞的节拍数

2.4 任务挂起 

@函数原型：void vTaskSuspend(TaskHandle_t xTaskToSuspend);

@函数功能：将xTaskToSuspend指定任务进行挂起函数参数：

【1】xTaskToSuspend，待挂起的任务句柄

2.5 解除挂起 

@函数原型：void vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToResume);

@函数功能：解除任务挂起函数参数：

【1】xTaskToResume，待解除挂起的任务句柄；函数返回：void

2.6 启动调度 

@函数原型：void vTaskStartScheduler(void);

@函数功能：启动 RTOS 调度器。调用后，RTOS 内核可以控制执行哪些任务以及何时执行。空闲任务和计时器守护程序任务（可选）是在 RTOS 调度器启动时自动创建的。

三、应用

 //创建LED3   任务，50ms翻转//创建LED4   任务，150ms翻转//创建LED5   任务，500ms翻转//创建KEY_UP 任务，LED4点亮
void LED3_Task(void*p1) ;
void LED4_Task(void*p1) ;
void LED5_Task(void*p1) ;
void KEY_UPTask(void*p1);TaskHandle_t LED3_Handler   ;         //创建任务句柄TaskHandle_t LED4_Handler   ;         //创建任务句柄TaskHandle_t LED5_Handler   ;         //创建任务句柄TaskHandle_t KEY_UP_Handler ;         //创建任务句柄
void Start_Task(void)
{xTaskCreate( LED3_Task,"LED3_Task",200,NULL,1, &LED3_Handler  ); //创建任务xTaskCreate( LED4_Task,"LED3_Task",200,NULL,1, &LED4_Handler  ); //创建任务xTaskCreate( LED5_Task,"LED3_Task",200,NULL,1, &LED5_Handler  ); //创建任务xTaskCreate( KEY_UPTask,"LED3_Task",200,NULL,1,&KEY_UP_Handler); //创建任务
}void LED3_Task(void*p1)
{while(1){LED3_Tog;vTaskDelay(50);} 
}
void LED4_Task(void*p1)
{while(1){LED4_Tog;vTaskDelay(150);} 
}
void LED5_Task(void*p1)
{while(1){LED5_Tog;vTaskDelay(500);} 
}
void KEY_UPTask(void*p1)
{while(1){if(KEY_UP){vTaskDelay(30);while(KEY_UP){LED6_Tog;}}} 
}int main(void)
{//1.优先级分组设置为4，全部为抢占【0~15】NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//2.系统节拍定时器配置SysTick_Config(configCPU_CLOCK_HZ/configTICK_RATE_HZ);LED_Init();Key_Init();Start_Task();vTaskStartScheduler();//开启调度
}

3.1 裁剪

对于裁剪，有两种方式，一种是有关组件的源文件，不需要的可以直接丢弃，另一种是对于功能组件，有些宏或者函数用不到

3.2 堆空间

在FreeRTOSConfig.h文件中，有关当前FreeRTOS使用的堆空间，为17*1024=0x4400,这个空间在哪里分配呢？看一下map文件

RTOS的堆空间是属于bss区(属于全局区)；相当于RTOS定义了一个大小为0x4400字节的全的数组，RTOS后期的所有开销全在这个数组里；heap_4.o是该堆区空间的内存分配方案
若在STM32中使用堆区，尽量不要使用malloc/free这类函数，因为这类函数本身占用的代码量比较大，多次使用malloc/free这类函数会造成STM32堆区内存碎片化且无法得知内存是否溢出；推荐用户自己编写内存分配方案

任务被创建：
<1>在FreeRTOS管理的heap[0x4400]开启任务栈空间[栈深度*4]
<2>在FreeRTOS管理的heap中开启TCB_T大小的空间，保存创建任务的信息
<3>将任务栈空间地址赋值给pxNewTCB->pxStack=pxStack;

<4>初始化任务pxNewTCB:任务优先级、任务名、任务状态列表、任务事件列表……
<5>将新任务添加到就绪列表中

3.3（TCB）结构体

TCB是FreeRTOS中用于管理任务的核心数据结构，每个任务都有一个独立的TCB，用于保存任务的状态、堆栈指针、优先级等信息

typedef struct tskTaskControlBlock
{volatile StackType_t *pxTopOfStack;    /* 指向任务堆栈的栈顶 */ListItem_t xStateListItem;             /* 用于将任务链接到状态列表（就绪、阻塞、挂起等） */ListItem_t xEventListItem;             /* 用于将任务链接到事件列表（如事件组、队列等） */UBaseType_t uxPriority;                /* 任务优先级 */StackType_t *pxStack;                  /* 指向任务堆栈的起始位置 */char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; /* 任务名称，以字符串形式保存 */#if ( portSTACK_GROWTH > 0 )StackType_t *pxEndOfStack;             /* 堆栈结束位置，用于堆栈溢出检测 */#endif#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )UBaseType_t uxCriticalNesting;         /* 临界区嵌套深度 */#endif#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t uxTCBNumber;               /* 任务唯一标识，用于调试跟踪 */UBaseType_t uxTaskNumber;              /* 任务编号，可以由用户设置 */#endif#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )UBaseType_t uxBasePriority;            /* 任务的基础优先级（用于优先级继承） */UBaseType_t uxMutexesHeld;             /* 任务持有的互斥量数量 */#endif#if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )TaskHookFunction_t pxTaskTag;          /* 任务标签，用于调试或用户自定义 */#endif#if ( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )void *pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ]; /* 线程本地存储指针 */#endif#if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )uint32_t ulRunTimeCounter;             /* 任务的运行时间统计 */#endif#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )struct _reent xNewLib_reent;           /* 为每个任务分配一个newlib的reent结构体 */#endif#if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )volatile uint32_t ulNotifiedValue;     /* 任务通知值 */volatile uint8_t ucNotifyState;        /* 任务通知状态 */#endif#if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 )int iTaskErrno;                        /* 任务特定的errno */#endif/* 其他与移植相关的成员 */#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )xMPU_SETTINGS xMPUSettings;            /* MPU设置 */#endif
} tskTCB;

1.pxTopOfStack：指向任务当前堆栈的栈顶。在任务切换时，硬件上下文（寄存器）被保存到这个位置以下（堆栈向下增长）或以上（堆栈向上增长）。这是任务切换的关键字段。
2.xStateListItem： 一个链表项，用于将任务链接到某个状态列表中（如就绪列表、阻塞列表、挂起列表等）。通过这个链表项，调度器可以快速找到所有处于某个状态的任务。
3. xEventListItem： 另一个链表项，用于将任务链接到事件相关的链表（如事件组、队列等）。例如，当任务等待一个信号量时，它会被挂接到信号量的等待列表上，使用的就是这个链表项。
4. uxPriority： 任务的优先级。数值越大优先级越高（默认情况下，但可以通过配置改变）。
5. pxStack：  指向任务堆栈的起始位置（堆栈分配的内存起始地址）。用于堆栈溢出检测和删除任务时释放堆栈内存。
6. pcTaskName： 任务的可读名称，便于调试。
7. uxBasePriority（当使用互斥量时）： 任务的基础优先级。当任务持有互斥量时，可能会临时提升优先级（优先级继承），当释放互斥量后，优先级会恢复到基础优先级。
8. ulNotifiedValue 和 ucNotifyState（当使用任务通知时）： 任务通知功能相关字段。任务通知是轻量级的信号量、事件标志等替代机制。
9. pvThreadLocalStoragePointers： 线程本地存储指针数组，用于为任务提供私有数据存储。
10. 与移植相关的成员： 如`xMPUSettings`用于支持MPU（内存保护单元）的处理器，为任务配置内存保护区域。

FreeRTOS 中堆、栈和 TCB 的关系：
堆是资源池：提供 TCB 和栈所需的内存
TCB 是管理者：记录栈位置和任务状态
栈是运行空间：保存任务上下文和局部变量

3.4 临界段

被保护的代码段，不希望在执行这个代码段时被其他任务/中断干扰

vPortEnterCritical()进入临界区1. 关闭可屏蔽中断
2. 增加嵌套计数		必须与vPortExitCritical()配对使用
vPortExitCritical()退出临界区1. 减少嵌套计数
2. 当计数为0时恢复中断		调用次数必须与Enter匹配

在FreeRTOSConfig.h 配置中可以配置：

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

该宏决定了FreeRTOS可管理的最高中断优先级为5(可由用户自己配置），也就是说vPortEnterCritical()可以屏蔽中断优先级比≥5的优先级
注意：PendSV/SVCSysTick中断优先级为15(最低)，在进入临界区后PendSV/SVCSysTick中断将会被屏蔽，任务将无法执行

http://www.lryc.cn/news/589995.html

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