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RTOS下的任务管理

article 2025/3/1 9:41:37

2.3 RTOS下的任务管理(***)

RTOS的任务管理主要是进行哪些功能？

RTOS的任务管理的多任务管理是怎样进行与实现的？

任务管理中FreeRTOS如何给每个任务分配CPU时间？

文章目录

      • 2.3 RTOS下的任务管理(***)
        • 2.3.0 任务概述
        • 2.3.1任务的创建与删除
        • 2.3.2 任务的优先级和Tick
        • 2.3.4 任务状态
        • 2.3.5 任务相关的Delay函数
        • 2.3.6 调度算法(**)

2.3.0 任务概述

​ 任务管理算是FreeRTOS中核心以及重点内容。简而言之，后续代码移植嫁接便是在任务管理的基础上进行的。对于任务管理的重中之重则是在于多任务管理。任务具有一系列状态以及优先级(Priority)等相关属性。任务的一系列相关数据是在栈中保存的，多个任务之间的协作处理[^231]称之为任务调度(即CPU按照某种算法策略进行不同任务间的切换)。

​ 任务即需要完成的一件件功能，也称之为“线程(thread)”，需要注意的RTOS中一个完整的任务由任务栈(Stack)+任务控制块(TCB)组成。

​ 任务的几大相关状态:

  • 运行态
  • 非运行态:
    • 就绪态(ready)
    • 阻塞(blocked)
    • 挂起(suspended)
2.3.1任务的创建与删除

RTOS任务相关的函数有哪些？怎样创建任务

​ 在RTOS中任务的本质即一个函数，其这个函数不能有返回，一个任务式的函数通常如下:

  • 其传递的形参通常为指针类型
  • 各自任务存在各自栈的备份(副本)
void ATaskFunction( void *pvParameters )
{
    /* 对于不同的任务，局部变量放在任务的栈里，有各自的副本 */
    int32_t lVariableExample = 0;
    /* 任务函数通常实现为一个无限循环 */
    for( ;; )
    {
    /* 任务的代码 */
    }
    /* 如果程序从循环中退出，一定要使用vTaskDelete删除自己
    * NULL表示删除的是自己
    */
    vTaskDelete( NULL );
    /* 程序不会执行到这里, 如果执行到这里就出错了 */
}

​ RTOS进行任务创建时主要有两种函数：

  • 动态分配内存创建相关结构体

    /**
*@return:成功则返回相关pass
*/
BaseType_t xTaskCreate(	
    	/*函数指针，也就是任务体*/
    						TaskFunction_t pxTaskCode,
    /*任务名*/
							const char * const pcName,
    /*设置任务栈大小，单位为word（字）,一个字占4个字节，大多时候估计方法，精确值的话看反汇编*/
							const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
    /*调用pvTaskCode(任务函数)是用到的参数 ，并将相关参数传送到对应的任务函数指针中*/
							void * const pvParameters,
	/*任务优先级，越小优先级越高*/
    						UBaseType_t uxPriority,
    /*用于保存任务创建后的返回结构体 task handle（句柄）,可用于后续的任务属性相关修改，或是进行任务删除相关*/
							TaskHandle_t * const pxCreatedTask )

  • 静态分配(手动分配)内存创建

    /**
* @return: 创建成功则返回任务句柄
*/
TaskHandle_t xTaskCreateStatic (   
	TaskFunction_t pxTaskCode, // 函数指针, 任务函数
    const char * const pcName, // 任务的名字
    const uint32_t ulStackDepth, // 栈大小,单位为word,10表示40字节
    void * const pvParameters, // 调用任务函数时传入的参数
    UBaseType_t uxPriority, // 优先级,数值越大优先级越高
    StackType_t * const puxStackBuffer, // 静态分配的栈内存大小，就是一个buffer
    StaticTask_t * const pxTaskBuffer // 静态分配的任务结构体的指针，用它来操作这个任务，
);

创建时相关代码（freertos.c）：

/*LED的任务创建的句柄*/
static  TaskHandle_t  xLightTaskHandle;
static  StackType_t   g_pucStackOfLightTask[128];
static  StaticTask_t  g_TCBofLightTask;

void MX_FREERTOS_Init(void) {
  /* USER CODE BEGIN Init */
  TaskHandle_t xTaskHandle;
  BaseType_t  ret;
  /* USER CODE END Init */

  
  defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);

  
  //动态内存创建任务
  ret = xTaskCreate(Led_Test, "LEDTask", 128, NULL, osPriorityNormal, &xLightTaskHandle);
  //静态内存创建任务
  xLightTaskHandle = xTaskCreateStatic(Led_Test, "LEDTask2", 128, NULL, osPriorityNormal, g_pucStackOfLightTask, &g_TCBofLightTask);
  

  /* USER CODE BEGIN RTOS_EVENTS */
  /* add events, ... */
  /* USER CODE END RTOS_EVENTS */

}

LED相关代码

#include "driver_led.h"
#include "gpio.h"

/**
 * @brief: LED引脚初始化
 * @param: NULL
 * @date: 2024年12月10日14:58:42
*/
int Led_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    /*Configure GPIO pin : PC13 */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    return 0;
}

/**
 * @brief:控制LED的亮灭
 * @param:on-状态  1亮 0灭
 * @return: 0-成功  其他值-失败
*/
int Led_Control(int on)
{
    if(on)
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, RESET);
    else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, SET);
    return 0;
}


/**
 * @brief:LED1的亮灭相关测试
 * @return:NULL
*/
void Led_Test(void)
{
    Led_init();
    while (1)
    {
        /* code */
        Led_Control(1);
        HAL_Delay(300);

        Led_Control(0);
        HAL_Delay(300);
    }
    
}

使用任务参数创建多任务

这里可能出现明明创建了多个任务，但最终却只执行一个任务的情况是怎么回事？

​ 这里使用的是动态分配内存方式创建相同任务体的多任务，其中各自任务的相关参数g_Task1Info会被传入到任务体中，这里的if (g_OLEDCanUse) 及其函数体内部g_OLEDCanUse变量改变主要是用于防范多任务时，出现的当前显示任务未完成就去下个显示任务，最终造成的逻辑混乱，这里也可以将OLED显示资源视作公共资源，而该操作就是简单的一种同步机制(但效果有限)。

void OledPrintTask(void *params)
{
  struct TaskPrintInfo *pInfo = params;
  uint32_t count = 0;
  //uint8_t len;

  while (1)
  {
    /* code */
    if (g_OLEDCanUse)
    {
      /* code */
      g_OLEDCanUse = 0;
      OLED_ShowString(pInfo->x, pInfo->y, pInfo->name);
      //OLED_ShowString(1, 1, "Task1:");
      OLED_ShowNum(pInfo->x, pInfo->y+6, count++, 4);
      g_OLEDCanUse = 1;
    }
    HAL_Delay(300);
  }
  
}
/******************/
//最后一个参数则是用于设置句柄
xTaskCreate(OledPrintTask, "task1", 128,&g_Task1Info, osPriorityNormal, NULL);
xTaskCreate(OledPrintTask, "task2", 128,&g_Task2Info, osPriorityNormal, NULL);
xTaskCreate(OledPrintTask, "task3", 128,&g_Task3Info, osPriorityNormal, NULL);

​ 需要说明的是若不加HAL_Delay(300);,则显示器上只会出现Task3相关信息，原因在于CPU多任务时间调度太短，也就是说Task3第一次执行完后第二次还在OLED_ShowString时发送调度去执行Task1或2直接便导致if判断失败进而回到Task3然后继续执行并再次发生调度而CPU下次发生调度时也是循环执行到task3中红线框选区域，进而导致task1和2永远无法显示，简单解决办法是加入的延时超过整体的调度时间。

2.3.2 任务的优先级和Tick

Tick是什么？有什么用？

与优先级相关的函数有哪些，分别有些什么作用？

​ 任务优先级的数值越高，优先级越高。FreeRTOS确保高优先级的先运行，对于同优先级则轮流执行。需要注意的是同级的轮流执行就运用到了Tick（时钟节拍）。Tick之与单片机，就犹如人心脏一般，且与中断息息相关，而两次中断之间的间隔时间称之为时间片。FreeRTOS中的Tick由configTICK_RATE_HZ设置。

​ 关于同级的任务切换过程：1.触发中断后切换到别的同级任务 2.别的任务时间片用完触发中断切换下一同级运行。

相关函数

​ 除创建任务时的优先级属性设置，还有

获取任务优先级

UBaseType_t uxTaskPriorityGet( const TaskHandle_t xTask );

设置任务优先级

void vTaskPrioritySet( TaskHandle_t xTask, UBaseType_t uxNewPriority );
2.3.4 任务状态

FreeRTOS中任务状态有哪几种？

阻塞态与挂起等待态的区别是什么？

怎样才能让阻塞态变为就绪态？

​ 简而言之，常见任务状态有以下几种,:

  • 运行态
  • 非运行态:
    • 就绪态(Ready) : 随时可以运行，只是当前时间片还未到该任务
    • 阻塞态(Blocked) ：因某种资源未能满足需求而导致一直不能运行的状态，主要由于被动原因造成等待，这里的等待可以是资源的等待，也可以是同步事件的来源等待 。
    • 等待态(Suspended)：主动去暂停某项任务,只能通过唯一函数void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );进行,退出的话也只能主动去退出（vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToSuspend )）。实际开发中暂停等待态用得并不多。

​ 需要说明的是，阻塞态的本质对事情的“等待”，只有当等待的事情满足后才能转为就绪态，而这里等待的事情主要有两大种类：

  • 基于时间的等待事件：就像设置了超时时间一般，达到某个时间点后即转换后就绪态，属于一种低级的阻塞。
  • 基于同步的等待事件：这里是指某个阻塞的任务需要等待其他任务或是中断程序给它”发送消息“，发送消息的方法包括但不限于

​ 任务通知(task notification)、队列(queue)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)。

2.3.5 任务相关的Delay函数

任务相关的两大Delay函数是什么，各自使用方法是怎样的？

  • void vTaskDelay( const TickType_t n ) : 等待n个时间片(这里的时间片时间与设置频率有关)中断（需要注意的是这里只是等待中断，而不能达到精确的等待时间）。

  • BaseType_t vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,const TickType_t xTimeIncrement );

2.3.6 调度算法(**)

调度算法的定义是什么？

FreeRTOS调度算法是怎么进行设置的？

​ 调度算法是指存在多个任务的系统中，某一时刻指定给某一任务获得处理器资源的算法。调度器用于都是挑选最高优先级的就绪态任务并让其进入运行状态。

​ 需要注意的是，目前多任务执行时的CPU均是在内核态上进行执行的，而只有当CPU空闲时(无事可做)，才会执行用户态相关程序任务。RTOS中的调度思想满足：高优先级的抢占，同优先级的时间片轮转(具体的时间片又和频率相关)。其设置在FreeRTOS.h和FreeRTOSConfig.h两个头文件中。

#define configUSE_PREEMPTION                     1 //可抢占式运行
//同级轮流调度
#define configUSE_TIME_SLICING  1
//CPU空闲时允许用户态介入
#define configIDLE_SHOULD_YIELD		1

http://www.kler.cn/a/450684.html

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