FreeRTOS

作者：解琛
时间：2020 年 8 月 19 日

[野火®]《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战—基于STM32》

四、空闲任务与阻塞延时

在 RTOS 中，任务需要延时时，不能再让 CPU 空等来实现延时效果。

RTOS 中的延时称为阻塞延时，即任务需要延时的时候，任务会放弃 CPU 的使用权，CPU 可以去做其它的事情，当任务延时时间到，重新获取 CPU 使用权，任务继续运行，这样就充分地利用了 CPU 的资源。

如果没有其它任务可以运行，RTOS 都会为 CPU 创建一个空闲任务，这个时候 CPU 就运行空闲任务。

在 FreeRTOS 中，空闲任务是系统在初始化启动调度器的时候创建的优先级最低的任务，空闲任务主体主要是做一些系统内存的清理工作。

鉴于空闲任务的这种特性，在实际应用中，当系统进入空闲任务的时候，可在空闲任务中让单片机进入休眠或者低功耗等操作。

4.1 实现空闲任务

4.1.1 定义任务栈

#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 128 )StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];

4.1.2 定义任务控制块

TCB_t IdleTaskTCB;

4.1.3 创建空闲任务

空闲任务在调度器启动函数 vTaskStartScheduler() 中创建。

extern TCB_t IdleTaskTCB;
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, uint32_t *pulIdleTaskStackSize );
void vTaskStartScheduler( void )
{
/*======================================创建空闲任务start==============================================*/     TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;               /* 用于指向空闲任务控制块 */StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;       /* 用于空闲任务栈起始地址 */uint32_t ulIdleTaskStackSize;/* 获取空闲任务的内存：任务栈和任务TCB */vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &ulIdleTaskStackSize );    xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,              /* 任务入口 */(char *)"IDLE",                           /* 任务名称，字符串形式 */(uint32_t)ulIdleTaskStackSize ,           /* 任务栈大小，单位为字 */(void *) NULL,                            /* 任务形参 */(StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,     /* 任务栈起始地址 */(TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );           /* 任务控制块 *//* 将任务添加到就绪列表 */                                 vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
/*======================================创建空闲任务end================================================*//* 手动指定第一个运行的任务 */pxCurrentTCB = &Task1TCB;/* 初始化系统时基计数器 */xTickCount = ( TickType_t ) 0U;/* 启动调度器 */if( xPortStartScheduler() != pdFALSE ){/* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */}
}

获取空闲任务的内存，即任务栈和任务TCB，该函数的实现如下。

void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack; *pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}

4.2 实现阻塞延时

阻塞延时的阻塞是指任务调用该延时函数后，任务会被剥离 CPU 使用权，然后进入阻塞状态，直到延时结束，任务重新获取 CPU 使用权才可以继续运行。

在任务阻塞的这段时间，CPU 可以去执行其它的任务，如果其它的任务也在延时状态，那么 CPU 就将运行空闲任务。

4.2.1 vTaskDelay()

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{TCB_t *pxTCB = NULL;/* 获取当前任务的TCB */pxTCB = pxCurrentTCB;/* pxCurrentTCB 是一个在 task.c 定义的全局指针，用于指向当前正在运行或者即将要运行的任务的任务控制块。*//* 设置延时时间 */pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;/* xTicksToDelay 是任务控制块的一个成员，用于记录任务需要延时的时间，单位为 SysTick 的中断周期。*//* 任务切换 */taskYIELD();/* 调用 tashYIELD() 会产生 PendSV 中断，在 PendSV 中断服务函数中会调用上下文切换函数 vTaskSwitchContext()，该函数的作用是寻找最高优先级的就绪任务，然后更新 pxCurrentTCB。*/
}

xTicksToDelay 定义如下。

typedef struct tskTaskControlBlock
{volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */ListItem_t              xStateListItem;   /* 任务节点 */StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 *//* 任务名称，字符串形式 */char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];TickType_t xTicksToDelay;                 /* 用于延时 */    
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

4.2.2 vTaskSwitchContext()

在任务上下文切换函数 vTaskSwitchContext () 中，会判断每个任务的任务控制块中的延时成员 xTicksToDelay 的值是否为 0，如果为 0 就要将对应的任务就绪，如果不为 0 就继续延时。

void vTaskSwitchContext( void )
{/* 如果当前线程是空闲线程，那么就去尝试执行线程1或者线程2，看看他们的延时时间是否结束，如果线程的延时时间均没有到期，那就返回继续执行空闲线程 */if( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB ){if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0){            pxCurrentTCB =&Task1TCB;}else if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0){pxCurrentTCB =&Task2TCB;}else{return;		/* 线程延时均没有到期则返回，继续执行空闲线程 */} }else{/*如果当前线程是线程1或者线程2的话，检查下另外一个线程,如果另外的线程不在延时中，就切换到该线程否则，判断下当前线程是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲线程。否则就不进行任何切换 */if(pxCurrentTCB == &Task1TCB){if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0){pxCurrentTCB =&Task2TCB;}else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0){pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;}else {return;		/* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */}}else if(pxCurrentTCB == &Task2TCB){if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0){pxCurrentTCB =&Task1TCB;}else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0){pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;}else {return;		/* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */}}}
}

4.3 SysTick 中断服务

在 FreeRTOS 中，延时阻塞的周期由 SysTick 中断提供，操作系统里面的最小的时间单位就是 SysTick 的中断周期，称之为一个 tick，SysTick 中断服务函数在 port.c 中实现。

void xPortSysTickHandler( void )
{/* 关中断，进入临界段； */vPortRaiseBASEPRI();/* 更新系统时基； */xTaskIncrementTick();/* 开中断； */vPortClearBASEPRIFromISR();
}

4.3.1 xTaskIncrementTick()

void xTaskIncrementTick( void )
{TCB_t *pxTCB = NULL;BaseType_t i = 0;/* 更新系统时基计数器xTickCount，xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;xTickCount = xConstTickCount;/* 扫描就绪列表中所有线程的xTicksToDelay，如果不为0，则减1 */for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++){pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );if(pxTCB->xTicksToDelay > 0){pxTCB->xTicksToDelay --;}}/* 任务切换 */portYIELD();
}

4.4 SysTick 初始化

SysTick 的中断服务函数要想被顺利执行，则 SysTick 必须先初始化。

/* 配置 SysTick 需要用到的寄存器和宏定义，在 port.c 中实现。*//* SysTick 控制寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG (*((volatile uint32_t *) 0xe000e010 ))/* SysTick 重装载寄存器寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG (*((volatile uint32_t *) 0xe000e014 ))#define configCPU_CLOCK_HZ (( unsigned long ) 25000000)     /* 系统时钟的大小；*/
#define configTICK_RATE_HZ (( TickType_t ) 100)             /* SysTick 每秒中断多少次，目前配置为 100，即每 10ms 中断一次。*//* SysTick 时钟源选择 */
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ/* 确保 SysTick 的时钟与内核时钟一致 */#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL )
#else#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 0 )
#endif#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT    ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ( 1UL << 0UL )void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{/* 设置重装载寄存器的值 *//* 设置重装载寄存器的值,决定 SysTick 的中断周期。*/portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;/* 设置系统定时器的时钟等于内核时钟使能SysTick 定时器中断使能SysTick 定时器 */portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ); 
}

4.5 案例

/* 任务1 */
void Task1_Entry( void *p_arg )
{for( ;; ){flag1 = 1;vTaskDelay( 2 );		flag1 = 0;vTaskDelay( 2 );}
}/* 任务2 */
void Task2_Entry( void *p_arg )
{for( ;; ){flag2 = 1;vTaskDelay( 2 );		flag2 = 0;vTaskDelay( 2 );}
}/* 定义空闲任务的栈和 TCB；*/
StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];
TCB_t IdleTaskTCB;
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack; *pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}

4.6 实验现象

从逻辑分析仪中可以看到两个任务的波形是完全同步，CPU 似乎在同时干两件事情。

flag1 和 flag2 的高电平的时间为(0.1802-0.1602)s，刚好等于阻塞延时的 20ms，所以实验现象跟代码要实现的功能是一致的。