FreeRTOS任务创建的方法

本篇内容介绍了“FreeRTOS任务创建的方法”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！ 这个API函数的作用是创建新的任务并将它加入到任务就绪列表，函数参数含义为：pvTaskCode：函数指针，指向任务函数的入口。任务永远不会返回（位于死循环内）。该参数类型TaskFunction_t定义在文件projdefs.h中，定义为：typedef void(*TaskFunction_t)( void * )，即参数为空指针类型并返回空类型。pcName：任务描述。主要用于调试。字符串的最大长度（包括字符串结束字符）由宏configMAX_TASK_NAME_LEN指定，该宏位于FreeRTOSConfig.h文件中。usStackDepth：指定任务堆栈大小，能够支持的堆栈变量数量（堆栈深度），而不是字节数。比如，在16位宽度的堆栈下，usStackDepth定义为100，则实际使用200字节堆栈存储空间。堆栈的宽度乘以深度必须不超过size_t类型所能表示的最大值。比如，size_t为16位，则可以表示堆栈的最大值是65535字节。这是因为堆栈在申请时是以字节为单位的，申请的字节数就是堆栈宽度乘以深度，如果这个乘积超出size_t所表示的范围，就会溢出，分配的堆栈空间也不是我们想要的。pvParameters：指针，当任务创建时，作为一个参数传递给任务。uxPriority：任务的优先级。具有MPU支持的系统，可以通过置位优先级参数的portPRIVILEGE_BIT位，随意的在特权（系统）模式下创建任务。比如，创建一个优先级为2的特权任务，参数uxPriority可以设置为 ( 2 | portPRIVILEGE_BIT )。pvCreatedTask：用于回传一个句柄（ID），创建任务后可以使用这个句柄引用任务。 虽然xTaskCreate()看上去很像函数，但其实是一个宏，真正被调用的函数是xTaskGenericCreate()，xTaskCreate()宏定义如下所示： 可以看到,xTaskCreate比xTaskGenericCreate少了三个参数，在宏定义中，这三个参数被设置为NULL。这三个参数用于使用静态变量的方法分配堆栈、任务TCB空间以及设置MPU相关的参数。一般情况下，这三个参数是不使用的，所以任务创建宏xTaskCreate定义的时候，将这三个参数对用户隐藏了。接下来的章节中，为了方便，我们还是称xTaskCreate()为函数，虽然它是一个宏定义。 上面我们提到了任务TCB（任务控制块），这是一个需要重点介绍的关键点。它用于存储任务的状态信息，包括任务运行时的环境。每个任务都有自己的任务TCB。任务TCB是一个相对比较大的数据结构，这也是情理之中的，因为与任务相关的代码占到整个FreeRTOS代码量的一半左右，这些代码大都与任务TCB相关，我们先来介绍一下任务TCB数据结构的定义： 下面我们详细的介绍这个数据结构的主要成员： 指针pxTopOfStack必须位于结构体的第一项，指向当前堆栈的栈顶，对于向下增长的堆栈，pxTopOfStack总是指向最后一个入栈的项目。 如果使用MPU，xMPUSettings必须位于结构体的第二项，用于MPU设置。 接下来是状态列表项xStateListItem和事件列表项xEventListItem，我们在上一章介绍列表和列表项的文章中提到过：列表被FreeRTOS调度器使用，用于跟踪任务，处于就绪、挂起、延时的任务，都会被挂接到各自的列表中。调度器就是通过把任务TCB中的状态列表项xStateListItem和事件列表项xEventListItem挂接到不同的列表中来实现上述过程的。在task.c中，定义了一些静态列表变量，其中有就绪、阻塞、挂起列表，例如当某个任务处于就绪态时，调度器就将这个任务TCB的xStateListItem列表项挂接到就绪列表。事件列表项也与之类似，当队列满的情况下，任务因入队操作而阻塞时，就会将事件列表项挂接到队列的等待入队列表上。 uxPriority用于保存任务的优先级，0为最低优先级。任务创建时，指定的任务优先级就被保存到该变量中。 指针pxStack指向堆栈的起始位置，任务创建时会分配指定数目的任务堆栈，申请堆栈内存函数返回的指针就被赋给该变量。很多刚接触FreeRTOS的人会分不清指针pxTopOfStack和pxStack的区别，这里简单说一下：pxTopOfStack指向当前堆栈栈顶，随着进栈出栈，pxTopOfStack指向的位置是会变化的；pxStack指向当前堆栈的起始位置，一经分配后，堆栈起始位置就固定了，不会被改变了。那么为什么需要pxStack变量呢，这是因为随着任务的运行，堆栈可能会溢出，在堆栈向下增长的系统中，这个变量可用于检查堆栈是否溢出；如果在堆栈向上增长的系统中，要想确定堆栈是否溢出，还需要另外一个变量pxEndOfStack来辅助诊断是否堆栈溢出，后面会讲到这个变量。 字符数组pcTaskName用于保存任务的描述或名字，在任务创建时，由参数指定。名字的长度由宏configMAX_TASK_NAME_LEN（位于FreeRTOSConfig.h中）指定，包含字符串结束标志。 如果堆栈向上生长（portSTACK_GROWTH > 0），指针pxEndOfStack指向堆栈尾部，用于检验堆栈是否溢出。 变量uxCriticalNesting用于保存临界区嵌套深度，初始值为0。 接下来两个变量用于可视化追踪，仅当宏configUSE_TRACE_FACILITY（位于FreeRTOSConfig.h中）为1时有效。变量uxTCBNumber存储一个数值，在创建任务时由内核自动分配数值（通常每创建一个任务，值增加1），每个任务的uxTCBNumber值都不同，主要用于调试。变量uxTaskNumber用于存储一个特定值，与变量uxTCBNumber不同，uxTaskNumber的数值不是由内核分配的，而是通过API函数vTaskSetTaskNumber()来设置的，数值由函数参数指定。 如果使用互斥量（configUSE_MUTEXES == 1），任务优先级被临时提高时，变量uxBasePriority用来保存任务原来的优先级。 变量ucStaticAllocationFlags也需要说明一下，我们前面说过任务创建API函数xTaskCreate()只能使用动态内存分配的方式创建任务堆栈和任务TCB，如果要使用静态变量实现任务堆栈和任务TCB就需要使用函数xTaskGenericCreate()来实现。如果任务堆栈或任务TCB由静态数组和静态变量实现，则将该变量设置为pdTRUE（任务堆栈空间由静态数组变量实现时为0x01，任务TCB由静态变量实现时为0x02，任务堆栈和任务TCB都由静态变量实现时为0x03），如果堆栈是动态分配的，则将该变量设置为pdFALSE。 到这里任务TCB的数据结构就讲完了，下面我们用一个例子来讲述任务创建的过程，为方便起见，假设被创建的任务叫“任务A”，任务函数为vTask_A()： 这里创建了一个任务，任务优先级为1，由于硬件平台是32为架构，所以指定了120*4=480字节的任务堆栈，向任务函数vTask_A()传递的参数为空（NULL），任务句柄由变量xHandle保存。当这个语句执行后，任务A被创建并加入就绪任务列表，我们这章的主要目的，就是看看这个语句在执行过程中，发生了什么事情。1.创建任务堆栈和任务TCB 调用函数prvAllocateTCBAndStack()创建任务堆栈和任务TCB。有两种方式创建任务堆栈和任务TCB，一种是使用动态内存分配方法，这样当任务删除时，任务堆栈和任务控制块空间会被释放，可用于其它任务；另一种是使用静态变量来实现，在创建任务前定义好全局或者静态堆栈数组和任务控制块变量，在调用创建任务API函数时，将这两个变量以参数的形式传递给任务创建函数xTaskGenericCreate()。如果使用默认的xTaskCreate()创建任务函数，则使用动态内存分配，因为与静态内存分配有关的参数不可见（在本文一开始我们说过xTaskCreate()其实是一个带参数的宏定义，真正被执行的函数是xTaskGenericCreate()，参考宏xTaskCreate()的定义可以知道，xTaskCreate()对外隐藏了使用静态内存分配的参数，在调用xTaskGenericCreate()时，这些参数被设置为NULL）。 任务堆栈成功分配后，经过对齐的堆栈起始地址被保存到任务TCB的pxStack字段。如果使能堆栈溢出检查或者使用可视化追踪功能，则使用固定值tskSTACK_FILL_BYTE（0xa5）填充堆栈。 函数prvAllocateTCBAndStack()的源码去除断言和不常用的条件编译后如下所示：2.初始化任务TCB必要的字段 调用函数prvInitialiseTCBVariables()初始化任务TCB必要的字段。在调用创建任务API函数xTaskCreate()时，参数pcName（任务描述）、uxPriority（任务优先级）都会被写入任务TCB相应的字段，TCB字段中的xStateListItem和xEventListItem列表项也会被初始化，初始化后的列表项如图2-1所示。在图2-1中，列表项xEventListItem的成员列表项值xItemValue被初始为4，这是因为我在应用中设置的最大优先级数目（configMAX_PRIORITIES）为5，而xEventListItem. xItemValue等于configMAX_PRIORITIES减去任务A的优先级（为1），即5-1=4。这一点很重要，在这里xItemValue不是直接保存任务优先级，而是保存优先级的补数，这意味着xItemValue的值越大，对应的任务优先级越小。FreeRTOS内核使用vListInsert函数（详细见高级篇第一章）将事件列表项插入到一个列表，这个函数根据xItemValue的值的大小顺序来进行插入操作。使用宏listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY获得列表中的第一个列表项的xItemValue值总是最小，也就是优先级最高的任务！图2-1：初始化状态和事件列表项 此外，TCB其它的一些字段也被初始化，比如临界区嵌套次数、运行时间计数器、任务通知值、任务通知状态等，函数prvInitialiseTCBVariables()的源码如下所示：3.初始化任务堆栈 调用函数pxPortInitialiseStack()初始化任务堆栈，并将最新的栈顶指针赋值给任务TCB的pxTopOfStack字段。 调用函数pxPortInitialiseStack()后，相当于执行了一次系统节拍时钟中断:将一些重要寄存器入栈。虽然任务还没开始执行,也并没有中断发生,但看上去就像寄存器已经被入栈了，并且部分堆栈值被修改成了我们需要的已知值。对于不同的硬件架构，入栈的寄存器也不相同，所以我们看到这个函数是由移植层提供的。对于Cortex-M3架构，需要依次入栈xPSR、PC、LR、R12、R3~R0、R11~R4，假设堆栈是向下生长的，初始化后的堆栈如图3-1所示。 在图3-1中我们看到寄存器xPSR被初始为0x01000000，其中bit24被置1，表示使用Thumb指令；寄存器PC被初始化为任务函数指针vTask_A，这样当某次任务切换后，任务A获得CPU控制权，任务函数vTask_A被出栈到PC寄存器，之后会执行任务A的代码；LR寄存器初始化为函数指针prvTaskExitError,这是由移植层提供的一个出错处理函数。当中断发生时，LR被设置成中断要返回的地址，但是每个任务都是一个死循环，正常情况下不应该退出任务函数，所以一旦从任务函数退出，说明那里出错了，这个时候会调用寄存器LR指向的函数来处理这个错误，即prvTaskExitError；根据ATPCS（ARM-Thumb过程调用标准），我们知道子函数调用通过寄存器R0~R3传递参数，在文章的最开始讲xTaskCreate()函数时，提到这个函数有一个空指针类型的参数pvParameters，当任务创建时，它作为一个参数传递给任务免费云主机域名，所以这个参数被保存到R0中，用来向任务传递参数。 任务TCB结构体成员pxTopOfStack表示当前堆栈的栈顶，它指向最后一个入栈的项目，所以在图中它指向R4，TCB结构体另外一个成员pxStack表示堆栈的起始位置，所以在图中它指向堆栈的最开始处。图3-1：初始化任务堆栈4.进入临界区 调用taskENTER_CRITICAL()进入临界区，这是一个宏定义，最终进入临界区的代码由移植层提供。5.当前任务数量增加1 在tasks.c中 ，定义了一些静态私有变量，用来跟踪任务的数量或者状态等等，其中变量uxCurrentNumberOfTasks表示当前任务的总数量，每创建一个任务，这个变量都会增加1。6.为第一次运行做必要的初始化 如果这是第一个任务（uxCurrentNumberOfTasks等于1），则调用函数prvInitialiseTaskLists()初始化任务列表。FreeRTOS使用列表来跟踪任务，在tasks.c中，定义了静态类型的列表变量： 现在这些列表都要进行初始化，会调用API函数vListInitialise()初始化列表，这个函数在《FreeRTOS高级篇1—FreeRTOS列表和列表项》中讲过，每个列表的初始化方式都是相同的，以就绪态列表pxReadyTasksLists[0]为例，初始化后如图6-1所示：图6-1：初始化后的列表 函数prvInitialiseTaskLists()的源代码如下所示：7.更新当前正在运行的任务TCB指针 tasks.c中定义了一个任务TCB指针型变量： PRIVILEGED_DATA TCB_t * volatile pxCurrentTCB= NULL; 这是一个全局变量，在tasks.c中只定义了这一个全局变量。这个变量用来指向当前正在运行的任务TCB，我们需要多了解一下这个变量。FreeRTOS的核心是确保处于优先级最高的就绪任务获得CPU运行权。在下一章讲述任务切换时会知道，任务切换就是找到优先级最高的就绪任务，而找出的这个最高优先级任务的TCB，就被赋给变量pxCurrentTCB。 如果调度器还没有准备好（程序刚开始运行时，可能会先创建几个任务，之后才会启动调度器），并且新创建的任务优先级大于变量pxCurrentTCB指向的任务优先级，则设置pxCurrentTCB指向当前新创建的任务TCB（确保pxCurrentTCB指向优先级最高的就绪任务）。8.将新创建的任务加入就绪列表数组 调用prvAddTaskToReadyList(pxNewTCB)将创建的任务TCB加入到就绪列表数组中，任务的优先级确定了加入到就绪列表数组的哪个下标。比如我们新创建的任务优先级为1，则这个任务被加入到列表pxReadyTasksLists[1]中。 prvAddTaskToReadyList()其实是一个宏，由一系列语句组成，去除其中的跟踪宏外，这个宏定义如下所示： 宏taskRECORD_READY_PRIORITY()用来更新变量uxTopReadyPriority，这个变量在tasks.c中定义为静态变量，记录处于就绪态的最高任务优先级。这个变量参与了FreeRTOS的最核心代码：确保处于优先级最高的就绪任务获得CPU运行权。它在这里参与如何最快的找到优先级最高的就绪任务。为了最快，不同的架构会各显神通，一些架构还有特殊指令可用，所以这个宏由移植层提供。我们会在下一章介绍任务切换时，以Cortex-M3架构为例，详细介绍如何最快的找到优先级最高的就绪任务。 函数vListInsertEnd()将列表项插入到列表末端，在《FreeRTOS高级篇1—FreeRTOS列表和列表项》中已经提到过，这里会结合着例子再看一下这个函数。从前面我们直到，在调用函数vListInsertEnd()之前，就绪列表pxReadyTasksLists[1]和任务TCB的状态列表项xStateListItem都已经初始化好了，见图6-1和图2-1，为了方便查看，我们将这两幅图合成一副，见图8-1。图8-1：初始化后的列表和列表项 调用vListInsertEnd(a，b)会将列表项b，插入到列表a的后面，函数执行完毕后，列表和列表项的关系如图8-2所示。图8-2：插入一个列表项后的列表 在此基础上，假设又创建了任务B，任务A和任务B优先级相同，都为1。和任务A一样，任务B也有它自己的任务TCB，其中的状态列表项字段xStateListItem也要插入到列表pxReadyTasksLists[1]中，新的列表和列表项如图8-3所示。图8-3：相同优先级就绪列表挂接两个列表项9.退出临界区 调用taskEXIT_CRITICAL()退出临界区，这是一个宏定义，最终退出临界区的代码由移植层提供。10.执行上下文切换 如果上面的步骤都正确执行，并且调度器也开始工作，则判断当前任务的优先级是否大于新创建的任务优先级。如果新创建的任务优先级更高，则调用taskYIELD_IF_USING_PREEMPTION()强制进行一次上下文切换，切换后，新创建的任务将获得CPU控制权，精简后的代码如下所示。“FreeRTOS任务创建的方法”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注百云主机网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！

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