FreeRTOS 任务基础

任务状态

• 运行态(Running)
  • 任务当前正在 CPU 上执行
  • 在单核系统中，同时只有一个任务处于运行态
  • 任务只有在调度器（Scheduler）选择它执行时，才会进入运行态
• 就绪态（Ready）
  • 任务已经具备执行条件，但由于 CPU 资源被其他更高优先级任务占用，它暂时无法运行
  • 任务处于就绪列表（Ready List），等待 FreeRTOS 调度它运行
  • 当更高优先级任务阻塞或时间片结束，调度器可能会让它进入运行态
• 阻塞态（Blocked）
  • 任务正在等待某个事件（如 vTaskDelay、信号量、消息队列、事件组等），暂时无法运行
  • 任务在等待事件时会从就绪态转换到 阻塞态，避免占用 CPU 资源
  • 当等待的事件发生后（如 信号量释放、消息到达、延时时间结束），任务会转换回 就绪态
• 挂起态（Suspended）
  • 任务被显式挂起（使用 vTaskSuspend()），不会被调度执行
  • 任务不会自动恢复，必须调用 vTaskResume() 或 vTaskResumeFromISR() 才能恢复运行
  • 与阻塞态不同，挂起任务不会因为外部事件自动恢复

任务优先级

FreeRTOS 任务的优先级用一个整数表示，数值越大，优先级越高。默认情况下，FreeRTOS 的最低优先级是 0，最大优先级由 configMAX_PRIORITIES 定义（通常在 FreeRTOSConfig.h 中配置）。

任务调度方式

• 抢占式调度
• 时间片调度
• 协程式调度（已基本弃用）

抢占式调度

即高优先级任务抢占低优先级任务。当高优先级任务进入就绪态，调度器会立刻抢占低优先级任务，并切换到高优先级任务执行。只有当优先级高的任务发生阻塞或者被挂起，低优先级的任务才可以运行。

时间片调度

相同优先级的任务采用时间片轮转。若多个任务拥有相同优先级，FreeRTOS 默认使用时间片轮转调度，每个任务轮流执行一个时间片（依赖于 configUSE_TIME_SLICING），即调度器会在每一次时间片之后切换任务，CPU轮流运行优先级相同的任务。

任务控制块（TCB，Task Control Block）

TCB为一结构体：

typedef struct tskTaskControlBlock {
    volatile StackType_t *pxTopOfStack;  // 任务栈指针
    ListItem_t xStateListItem;          // 任务在就绪、阻塞等列表中的位置
    StackType_t *pxStack;               // 任务栈的起始地址
    char pcTaskName[configMAX_TASK_NAME_LEN]; // 任务名称
    UBaseType_t uxPriority;             // 任务优先级
    ...
} tskTCB;

任务栈

动态方式创建任务时，系统会自动从系统heap中分配一块内存作为任务的栈空间：

BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
                        const char * const pcName,
                        const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
                        void * const pvParameters,
                        UBaseType_t uxPriority,
                        TaskHandle_t * const pxCreatedTask)

usStackDepth即为栈大小，以字(32位)为单位（非字节）。

API函数

• xTaskCreate()：动态创建任务
• xTaskCreateStatic()： 静态创建任务
• xTaskCreateRestricted()： 动态创建使用 MPU 限制的任务
• xTaskCreateRestrictedStatic()： 静态创建使用 MPU 限制的任务
• vTaskDelete()： 删除任务

xTaskCreate()

FreeRTOSConfig.h中需要将configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION配置为1

BaseType_t xTaskCreate(
            TaskFunction_t pxTaskCode,
            const char * const pcName,
            const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
            void * const pvParameters,
            UBaseType_t uxPriority,
            TaskHandle_t * const pxCreatedTask);

• pxTaskCode 指向任务函数的指针
• pcName 任务名，最大长度为 configMAX_TASK_NAME_LEN
• usStackDepth 任务堆栈大小，单位：字（注意，单位不是字节）
• pvParameters 传递给任务函数的参数
• uxPriority 任务优先级，最大值为(configMAX_PRIORITIES-1)
• pxCreatedTask 任务句柄，任务成功创建后，会返回任务句柄。任务句柄就
  是任务的任务控制块

返回值：

• pdPASS 任务创建成功
• errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY 内存不足，任务创建失败

xTaskCreateStatic()

FreeRTOSConfig.h中需要将configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION配置为1

TaskHandle_t xTaskCreateStatic(
           TaskFunction_t pxTaskCode,
           const char * const pcName,
           const uint32_t ulStackDepth,
           void * const pvParameters,
           UBaseType_t uxPriority,
           StackType_t * const puxStackBuffer,
           StaticTask_t * const pxTaskBuffer);

和动态分配基本一致，不同在于：

• puxStackBuffer 任务栈指针，内存由用户分配提供
• pxTaskBuffer 任务控制块指针，内存由用户分配提供

返回值：

• NULL 用户没有提供相应的内存，任务创建失败
• 其他值 任务句柄，任务创建成功

xTaskCreateRestricted()

用于使用动态的方式创建受 MPU 保护的任务，任务的任务控制块以及任务的栈空
间所需的内存，均由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中分配，若使用此函数，需要将宏configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION``和宏portUSING_MPU_WRAPPERS 同时配置为 1。此函数创建的任务会立刻进入就绪态，由任务调度器调度运行。

BaseType_t xTaskCreateRestricted(
            const TaskParameters_t * const pxTaskDefinition,
            TaskHandle_t * pxCreatedTask);

• pxTaskDefinition 指向任务参数结构体的指针，建结构体中包含任务函数、任
  务名、任务优先级等任务参数
• pxCreadedTask 任务句柄，任务成功创建后，会返回任务句柄。任务句柄就
  是任务的任务控制块

vTaskDelete()

数用于删除已被创建的任务，被删除的任务将被从就绪态任务列表、阻塞态任务列表、挂起态任务列表和事件列表中移除.

注意：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。

若使用此函数，需要在FreeRTOSConfig.h文件中将宏INCLUDE_vTaskDelete配置为 1。

void vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

• xTaskToDelete 待删除任务的任务句柄

注意事项

1. FreeRTOS 任务函数不允许返回，因此void task1(void *pvParameters)中task的具体实现必须包含在while(1)中，否则会触发异常（HardFault 或任务栈溢出）
2. 任务中的延时不能用裸机时的delay_ms或delay_us，要用vTaskDelay()。该函数按照给定的滴答数延迟任务。任务保持阻塞的实际时间取决于滴答频率 。常量portTICK_PERIOD_MS可用于根据滴答频率计算实际时间：

void vTaskFunction( void * pvParameters )
{
    /* Block for 500ms. */
    const TickType_t xDelay = 500 / portTICK_PERIOD_MS;

    for( ;; )
    {
        /* Simply toggle the LED every 500ms, blocking between each toggle. */
        vToggleLED();
        vTaskDelay( xDelay );
    }
}

该函数通过阻塞的方式来进行延时，因此vTaskDelay()不能很好的控制周期性任务的频率，因为途径代码的路径和其他任务/中断会影响vTaskDelay()被调用的频率，久而久之会影响周期性任务的触发。请参阅 vTaskDelayUntil()，了解设计用于方便 固定频率执行的替代 API 函数。此函数指定调用任务应取消阻塞的绝对时间（而非相对时间）来实现这一点 。