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在FreeRTOS基础系列《FreeRTOS系列第10篇---FreeRTOS任务创建和删除》中介绍了任务创建API函数xTaskCreate(),我们这里先回顾一下这个函数的声明:
BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_tp vTaskCode, const char * constpcName, unsigned short usStackDepth, void *pvParameters, UBaseType_t uxPriority, TaskHandle_t *pvCreatedTask );
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:
#define xTaskCreate( pvTaskCode, pcName, usStackDepth,pvParameters, uxPriority, pxCreatedTask ) xTaskGenericCreate( ( pvTaskCode ),( pcName ), ( usStackDepth ), ( pvParameters ), ( uxPriority ), ( pxCreatedTask), ( NULL ), ( NULL ), ( NULL ) )
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:
typedef struct tskTaskControlBlock{ volatile StackType_t *pxTopOfStack; /*当前堆栈的栈顶,必须位于结构体的第一项*/ #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 ) xMPU_SETTINGS xMPUSettings; /*MPU设置,必须位于结构体的第二项*/ #endif ListItem_t xStateListItem; /*任务的状态列表项,以引用的方式表示任务的状态*/ ListItem_t xEventListItem; /*事件列表项,用于将任务以引用的方式挂接到事件列表*/ UBaseType_t uxPriority; /*保存任务优先级,0表示最低优先级*/ StackType_t *pxStack; /*指向堆栈的起始位置*/ char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/*任务名字*/ #if ( portSTACK_GROWTH > 0 ) StackType_t *pxEndOfStack; /*指向堆栈的尾部*/ #endif #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 ) UBaseType_t uxCriticalNesting; /*保存临界区嵌套深度*/ #endif #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) UBaseType_t uxTCBNumber; /*保存一个数值,每个任务都有唯一的值*/ UBaseType_t uxTaskNumber; /*存储一个特定数值*/ #endif #if ( configUSE_MUTEXES == 1 ) UBaseType_t uxBasePriority; /*保存任务的基础优先级*/ UBaseType_t uxMutexesHeld; #endif #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 ) TaskHookFunction_t pxTaskTag; #endif #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 ) void *pvThreadLocalStoragePointers[configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ]; #endif #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 ) uint32_t ulRunTimeCounter; /*记录任务在运行状态下执行的总时间*/ #endif #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 ) /* 为任务分配一个Newlibreent结构体变量。Newlib是一个C库函数,并非FreeRTOS维护,FreeRTOS也不对使用结果负责。如果用户使用Newlib,必须熟知Newlib的细节*/ struct _reent xNewLib_reent; #endif #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 ) volatile uint32_t ulNotifiedValue; /*与任务通知相关*/ volatile uint8_t ucNotifyState; #endif #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) uint8_t ucStaticAllocationFlags; /* 如果堆栈由静态数组分配,则设置为pdTRUE,如果堆栈是动态分配的,则设置为pdFALSE*/ #endif #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 ) uint8_t ucDelayAborted; #endif } tskTCB; typedef tskTCB TCB_t;
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():
TaskHandle_t xHandle; xTaskCreate(vTask_A,”Task A”,120,NULL,1,&xHandle);
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:
static TCB_t *prvAllocateTCBAndStack( const uint16_t usStackDepth, StackType_t * const puxStackBuffer, TCB_t * const pxTaskBuffer ){TCB_t *pxNewTCB;StackType_t *pxStack; /* 分配堆栈空间*/ pxStack = ( StackType_t * ) pvPortMallocAligned( ( ( ( size_t ) usStackDepth ) * sizeof( StackType_t ) ), puxStackBuffer ); if( pxStack != NULL ) { /* 分配TCB空间 */ pxNewTCB = ( TCB_t * ) pvPortMallocAligned( sizeof( TCB_t ), pxTaskBuffer ); if( pxNewTCB != NULL ) { /* 将堆栈起始位置存入TCB*/ pxNewTCB->pxStack = pxStack; } else { /* 如果TCB分配失败,释放之前申请的堆栈空间 */ if( puxStackBuffer == NULL ) { vPortFree( pxStack ); } } } else { pxNewTCB = NULL; } if( pxNewTCB != NULL ) { /* 如果需要,使用固定值填充堆栈 */ #if( ( configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW> 1 ) || ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) || ( INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark== 1 ) ) { /* 仅用于调试 */ ( void ) memset( pxNewTCB->pxStack, ( int ) tskSTACK_FILL_BYTE, ( size_t ) usStackDepth * sizeof( StackType_t ) ); } #endif } return pxNewTCB;}
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:
static void prvInitialiseTCBVariables( TCB_t * const pxTCB, const char * const pcName, UBaseType_t uxPriority, const MemoryRegion_t * const xRegions, const uint16_t usStackDepth ){UBaseType_t x; /* 将任务描述存入TCB */ for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ ) { pxTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ]; if( pcName[ x ] == 0x00 ) { break; } } /* 确保字符串有结束 */ pxTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '