【学习日记】【FreeRTOS】任务句柄、任务控制块TCB、任务栈、任务、就绪表详解

写在前面

本文是对FreeRTOS中任务句柄、任务控制块TCB、任务栈、任务、就绪表详解。

一、裸机和RTOS中函数存储位置详解

  • 左图为裸机开发时 RAM 的使用情况，右图是使用了 FreeRTOS 后 RAM 的使用情况（图片来自野火）。
    在这里插入图片描述
  • 无论是裸机开发还是FreeRTOS，程序都需要存放在RAM中以便执行。不过，在裸机开发环境下，程序员需要手动管理和分配内存，而在FreeRTOS中，操作系统会自动管理内存。

二、什么是任务句柄

任务句柄（Task Handle）是在 FreeRTOS 中用于标识和引用任务的数据类型。每个创建的任务都会分配一个唯一的任务句柄，通过该句柄可以对任务进行操作和管理。

任务句柄是一个指向任务控制块（Task Control Block，TCB）的指针。任务控制块是 FreeRTOS 中用于描述和管理任务的数据结构，包含了任务的状态、优先级、堆栈等信息。

使用任务句柄，可以通过 FreeRTOS 提供的 API 函数对任务进行操作，例如挂起（suspend）、恢复（resume）、删除（delete）任务，或者查询任务的状态等。另外，任务句柄还可以用于任务通信和同步的机制，例如向任务发送信号量或消息。

在创建任务时，通过调用 FreeRTOS 提供的任务创建函数（例如 xTaskCreate()）可以获取到相应任务的句柄。你可以将该句柄保存在一个变量中，以便后续对该任务进行操作或引用。

例如，以下示例演示了如何创建一个任务并获取其句柄：

// 创建任务
TaskHandle_t xTaskHandle;
xTaskCreate(taskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &xTaskHandle);// 使用任务句柄进行操作
vTaskSuspend(xTaskHandle);  // 挂起任务
vTaskResume(xTaskHandle);   // 恢复任务
vTaskDelete(xTaskHandle);   // 删除任务

在上述示例中，xTaskCreate() 函数创建了一个名为 “Task” 的任务，并将该任务的任务句柄保存在 xTaskHandle 变量中。然后，我们可以使用任务句柄对任务进行挂起、恢复和删除操作。

任务句柄提供了一种有效的方式来管理和操作 FreeRTOS 中的任务。通过使用任务句柄，可以方便地对任务进行控制和监视。

三、概念图解

在这里插入图片描述

四、函数详解

1.任务创建 static void prvInitialiseNewTask(…)

  • 这个函数用于创建新的任务，其中的 “prv” 表示该函数是一个私有函数，只用于内部处理和初始化新任务的操作。对于外部使用者来说，应该使用公开的 API 函数来创建和管理任务，而不是直接调用 “prvInitialiseNewTask”。
  • 这个函数被 TaskHandle_t xTaskCreateStatic() 函数调用
  • 函数源代码如下：
static void prvInitialiseNewTask( 	TaskFunction_t pxTaskCode,              /* 任务入口 */const char * const pcName,              /* 任务名称，字符串形式 */const uint32_t ulStackDepth,            /* 任务栈大小，单位为字 */void * const pvParameters,              /* 任务形参 */TaskHandle_t * const pxCreatedTask,     /* 任务句柄 */TCB_t *pxNewTCB )                       /* 任务控制块指针 */{StackType_t *pxTopOfStack;UBaseType_t x;	/* 获取栈顶地址 */pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );//pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );/* 向下做8字节对齐 */pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );	/* 将任务的名字存储在TCB中 */for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ ){pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];if( pcName[ x ] == 0x00 ){break;}}/* 任务名字的长度不能超过configMAX_TASK_NAME_LEN */pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';/* 初始化TCB中的xStateListItem节点 */vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );/* 设置xStateListItem节点的拥有者 */listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );/* 初始化任务栈 */pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );   /* 让任务句柄指向任务控制块 */if( ( void * ) pxCreatedTask != NULL ){		*pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;}
}
  • 获取栈顶地址：
pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );

栈顶 = 栈起始地址 + 栈大小 -1

  • 获取到的栈顶地址需要做 8 字节对齐
pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );

~ 是按位取反运算符。它会反转操作数的每一位，将所有的0变为1，将所有的1变为0。

在给定的代码中，~ 运算符用于创建一个掩码，该掩码在对齐操作中用于清除特定位的值。

( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) )

在这里，0x0007 是一个表示二进制数 0000 0111 的十六进制数，它具有最低的3位都是1，其他位都是0。通过 ~ 运算符对 0x0007 进行按位取反，得到的掩码就是所有最低的3位都是0，其他位都是1。

这样，当掩码与 pxTopOfStack 进行按位与操作时，最低的3位将被清零，而其他位将保持不变，pxTopOfStack 变量就被更新为按照8字节对齐的地址。

通常，在某些特定的编程环境中，需要按照特定的内存对齐要求来访问数据。这段代码将 pxTopOfStack 指针变量按照8字节对齐，以满足特定的对齐要求。

2.初始化任务栈 StackType_t *pxPortInitialiseStack(…)

通过栈顶指针对整个栈进行初始化，分为自动加载内容和手动加载内容。

  • 代码如下：
StackType_t *pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void *pvParameters )
{/* 异常发生时，自动加载到CPU寄存器的内容 */pxTopOfStack--;*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;	                                    /* xPSR的bit24必须置1 */pxTopOfStack--;*pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK;	/* PC，即任务入口函数 */pxTopOfStack--;*pxTopOfStack = ( StackType_t ) prvTaskExitError;	                    /* LR，函数返回地址 */pxTopOfStack -= 5;	/* R12, R3, R2 and R1 默认初始化为0 */*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters;	                        /* R0，任务形参 *//* 异常发生时，手动加载到CPU寄存器的内容 */    pxTopOfStack -= 8;	/* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4默认初始化为0 *//* 返回栈顶指针，此时pxTopOfStack指向空闲栈 */return pxTopOfStack;
}

在这里插入图片描述

3.初始化任务就绪列表

任务就绪列表的定义

任务就绪列表（Task Ready List）是用于存储当前准备就绪状态的任务的数据结构。

任务就绪列表是一个由多个优先级队列组成的数据结构，其中每个优先级队列维护了相同优先级的就绪任务。通过任务就绪列表，操作系统可以快速找到具有最高优先级的就绪任务，并将其调度到正在运行的任务。

当一个任务变为就绪状态时，它将被插入到适当的就绪列表中，而当一个任务被调度执行时，它将从就绪列表中被移除。

每个列表中存储相同优先级的任务，最大支持256个优先级，也就是最大有256个列表。

  • 定义5个优先级的任务就绪列表的代码：
#define configMAX_PRIORITIES		            ( 5 )	//最大列表数量/* 任务就绪列表 */
List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];	//定义了5个任务就绪列表

任务就绪列表的初始化

循环调用列表初始化函数 vListInitialise() 进行初始化即可。

  • 代码如下：
/* 初始化任务相关的列表 */
void prvInitialiseTaskLists( void )
{UBaseType_t uxPriority;for( uxPriority = ( UBaseType_t ) 0U; uxPriority < ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES; uxPriority++ ){vListInitialise( &( pxReadyTasksLists[ uxPriority ] ) );	//初始化每个就绪列表}
}

五、任务创建与初始化方法

1.定义任务栈大小，并定义任务栈存放任务上下文

//定义任务栈
#define TASK1_STACK_SIZE                    20
StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];

2.定义任务控制块TCB

//定义任务控制块
TCB_t Task1TCB;

3.定义任务句柄（用于指向TCB）

//定义任务句柄
TaskHandle_t Task1_Handle;

4.定义任务函数并声明

void Task1_Entry( void *p_arg );//定义任务函数（无限循环不返回）
void Task1_Entry(void *p_arg)
{for(;;){//此处书写任务代码}
}

5.在main函数中，初始化所有的任务就绪列表

prvInitialiseTaskLists();	//初始化所有的任务就绪列表

6.在main函数中，创建任务，并使任务句柄指向TCB

//任务创建函数的函数原型：
TaskHandle_t xTaskCreateStatic(	TaskFunction_t pxTaskCode,           /* 任务入口 */const char * const pcName,           /* 任务名称，字符串形式 */const uint32_t ulStackDepth,         /* 任务栈大小，单位为字 */void * const pvParameters,           /* 任务形参 */StackType_t * const puxStackBuffer,  /* 任务栈起始地址 */TCB_t * const pxTaskBuffer );         /* 任务控制块指针 *///创建任务，并使任务句柄指向TCB
Task1_Handle = xTaskCreateStatic(Task1_Entry,"Task1",TASK1_STACK_SIZE,NULL,Task1Stack,&Task1TCB);

7.将任务控制块中的任务项插入一个就绪列表中

vListInsert(&pxReadyTasksLists[1], &Task1TCB.xStateListItem);

后记

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共勉！

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