跟着野火从一开始手搓FreeRTOS（2）创建任务

原创 于 2024-04-11 18:00:00 发布
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#单片机 #stm32 #嵌入式硬件

PS：本人因为一些自己的原因，从本篇开始一些函数名之类的自定义的名字会用自己的方式命名，会和野火的教程有出入，还请自行甄别。

        从本质上来讲，FreeRTOS的运行就是不断执行每个任务。本篇会介绍静态和动态创建任务的方法。

        静态创建需要指定任务栈的大小和起始地址；动态创建在SRAM中申请内存，用完就释放。二者区别在于静态的内存始终存在，无法被释放。

静态单任务

硬件初始化

        首先是静态创建单个任务。在main.c中定义初始化函数并进行声明，将会用到的外设都在这个函数里进行初始化。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"

static void Device_Init(void);

int main(void)
{	
  
}

/* 静态创建 硬件初始化 */
static void Device_Init(void)
{
    /* 中断优先级分组，配置为4 */
	NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
	
	/* LED 初始化 */
	LED_GPIO_Config();

	/* 串口初始化	*/
	USART_Config();
}

        STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15。优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，都统一用这个优先级分组，千万不要再分组。

        在程序执行的过程中，会先运行上述函数。这个函数和裸机程序的硬件初始化是一样的，在初始化完成后才会启动操作系统。

        因此，在实际开发过程中，可以在初始化函数中加入一些命令和死循环来进行测试，确认硬件没有问题后注释掉循环即可。测试命令因为只执行一次，可自行判断是否留下。

创建单个任务——静态

        当我们静态创建任务的时候，FreeRTOSConfig.h的configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 这个宏必 须为 1，否则会报错。 

定义任务函数

        任务就是无限执行的函数，在main.c中定义任务：让LED1以500ms的频率闪烁。

static void LED1_Task(void* pvParameters);

static void LED1_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED1_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED_Task Running,LED1_ON\r\n");
        
        LED1_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED_Task Running,LED1_OFF\r\n");
    }
}

         这里的延时函数必须使用 FreeRTOS 提供的延时函数，不要使用我们裸机编程中的软件延时。vTaskDelay()会让当前任务被阻塞转而去执行其他任务；而裸机的延时会让CPU陷入死循环，一直在执行当前任务无法跳出，无法实现多任务系统。

定义空闲任务与定时器任务堆栈函数

        接下来实现两个函数 ： vApplicationGetIdleTaskMemory()与 vApplicationGetTimerTaskMemory()，这两个函数是用户设定的空闲（Idle）任务与定时器（Timer）任务的堆栈大小，必须由用户自己分配。

/* 空闲任务堆栈 */
static StackType_t Idle_Task_Stack[configMINIMAL_STACK_SIZE];
/* 定时器任务堆栈 */
static StackType_t Timer_Task_Stack[configTIMER_TASK_STACK_DEPTH];

/* 空闲任务控制块 */
static StaticTask_t Idle_Task_TCB;	
/* 定时器任务控制块 */
static StaticTask_t Timer_Task_TCB;

/* 获取空闲任务的任务堆栈和任务控制块内存 */ 
void vApplicationGetIdleTaskMemory(StaticTask_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, 
								   StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, 
								   uint32_t *pulIdleTaskStackSize)
{
	*ppxIdleTaskTCBBuffer=&Idle_Task_TCB;/* 任务控制块内存 */
	*ppxIdleTaskStackBuffer=Idle_Task_Stack;/* 任务堆栈内存 */
	*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;/* 任务堆栈大小 */
}

/* 获取定时器任务的任务堆栈和任务控制块内存 */ 
void vApplicationGetTimerTaskMemory(StaticTask_t **ppxTimerTaskTCBBuffer, 
									StackType_t **ppxTimerTaskStackBuffer, 
									uint32_t *pulTimerTaskStackSize)
{
	*ppxTimerTaskTCBBuffer=&Timer_Task_TCB;/* 任务控制块内存 */
	*ppxTimerTaskStackBuffer=Timer_Task_Stack;/* 任务堆栈内存 */
	*pulTimerTaskStackSize=configTIMER_TASK_STACK_DEPTH;/* 任务堆栈大小 */
}

定义任务栈和任务控制块

        由于当前只有一个任务，在当前任务进入延时后，系统就会进入运行空闲任务。空闲任务的优先级最低，所以在任务延时结束后就会继续运行这个任务。

        这些任务同样需要定义栈空间。

/* AppTaskCreate任务任务堆栈 */
static StackType_t AppTaskCreate_Stack[128];
/* LED任务堆栈 */
static StackType_t LED1_Task_Stack[128];

/* AppTaskCreate 任务控制块 */
static StaticTask_t AppTaskCreate_TCB;
/* AppTaskCreate 任务控制块 */
static StaticTask_t LED_Task_TCB;

        在大多数系统中需要做栈空间地址对齐，在 FreeRTOS 中一般都是以 8 字节大小对齐，并且会检查堆栈是否已经对齐。字节对齐通过portmacro.h里的宏定义。此外用户也可以选择按 1、 2、 4、 8、 16、 32 等字节对齐。

静态创建任务

        创建一个任务需要三样东西，分别是任务主体函数，任务栈和任务控制块。有了这些之后，通过静态任务创建函数 xTaskCreateStatic()将这些信息整合成任务。 

        我们把任务主体，任务栈，任务控制块这三部分都在 main.c 中进行编写和声明，并在main.c 文件中创建一个 AppTaskCreate 任务，我们创建的所有的任务都会放在这个函数里面。

/* 创建 AppTaskCreate 任务 */
AppTaskCreate_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)AppTaskCreate,		//任务函数
										(const char* 	)"AppTaskCreate",	//任务名称
										(uint32_t 		)128,	//任务堆栈大小
										(void* 		  	)NULL,	//传递给任务函数的参数
										(UBaseType_t 	)3, 	//任务优先级
										(StackType_t*   )AppTaskCreate_Stack,//任务堆栈
										(StaticTask_t*  )&AppTaskCreate_TCB);	//任务控制块

空闲任务和定时器任务

        在FreeRTOS中，只有我们自定义的任务是不行的，还需要有空闲任务和定时器任务。这两个任务在调度器中实现，在静态创建时我们只能自己来定义。这里我们定义在main.c中。

/* 获取空闲任务的任务堆栈和任务控制块内存 */ 
void vApplicationGetIdleTaskMemory(StaticTask_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, 
								   StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, 
								   uint32_t *pulIdleTaskStackSize)
{
	*ppxIdleTaskTCBBuffer=&Idle_Task_TCB;/* 任务控制块内存 */
	*ppxIdleTaskStackBuffer=Idle_Task_Stack;/* 任务堆栈内存 */
	*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;/* 任务堆栈大小 */
}

/* 获取定时器任务的任务堆栈和任务控制块内存 */ 
void vApplicationGetTimerTaskMemory(StaticTask_t **ppxTimerTaskTCBBuffer, 
									StackType_t **ppxTimerTaskStackBuffer, 
									uint32_t *pulTimerTaskStackSize)
{
	*ppxTimerTaskTCBBuffer=&Timer_Task_TCB;/* 任务控制块内存 */
	*ppxTimerTaskStackBuffer=Timer_Task_Stack;/* 任务堆栈内存 */
	*pulTimerTaskStackSize=configTIMER_TASK_STACK_DEPTH;/* 任务堆栈大小 */

启动任务

        当任务创建好后，需要开启任务调度器，才能执行任务。任务调度器只会在整个系统中启动一次，之后就不会再次执行了。 当启动任务调度器后，便不会有返回，之后任务都由FreeRTOS进行管理。

if(NULL != AppTaskCreate_Handle)/* 创建成功 */
    vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */

PS：启动任务的代码请参考野火例程，本文只进行流程讲解。 

动态单任务

        动态任务使用的的任务控制块和任务栈是SRAM分配的，具体位置由编译器决定。

        堆，也就是动态内存，也是在SRAM里的一段内存。操作系统在SRAM里定义一个大数组作为堆，提供给动态内存分配函数使用。在第一次使用的时候，系统会将定义的堆内存进行初始化，至于初始化的方式在官方提供的内存管理方案，即heap源文件中实现。

        堆的大小在FreeRTOSConfig.h中，由宏定义#define configTOTAL_HEAP_SIZE确定，目前设置大小为36KB。系统关于内存空间的开辟在heap源文件中进行配置，不需要我们去管理。同时我们需要将支持动态内存申请的宏#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION置为1。

//支持动态内存申请
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION        1    
				
//系统所有总的堆大小
#define configTOTAL_HEAP_SIZE					((size_t)(36*1024))

定义任务函数

        和静态创建一样，动态创建也需要定义任务函数。

static void LED_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED1_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED_Task Running,LED1_ON\r\n");
        
        LED1_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED_Task Running,LED1_OFF\r\n");
    }
}

        任务必须是一个无限循环，如果出现异常，则必须通过 LR 返回。这时操作系统会运行任务退出函数prvTaskExitError()，使系统在这个死循环任务里一直循环下去，这种情况是很危险的。为了避免这种情况，只需要让AppTaskCreate 执行一次之后就删除掉即可。

        任务里面的延时函数必须使用 FreeRTOS 里面提供的阻塞延时函数。关于阻塞延时在之前的文章提过，不了解的可以去翻一翻。

        此外，动态创建任务时，任务栈会在任务创建的时候创建，不需要提前定义栈空间。动态内存就是按需分配内存，需要就分配，用完就释放。

        因为这种随取随用的风格，一般我们都使用用动态创建任务。

定义任务控制块指针

        其实任务控制块也是在任务创建的时候创建，任务创建函数会返回一个指针，用于指向任务控制块。因此要提前为任务栈定义一个任务控制块指针，也就是任务句柄。这部分在main.c中定义。

 /* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
/* LED任务句柄 */
static TaskHandle_t LED_Task_Handle = NULL;

动态创建任务

        动态创建任务时，使用 xTaskCreate()函数来创建任务，和静态创建有很多相似之处，也有些区别。

   /* 创建AppTaskCreate任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,  /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )1, /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */

 这里的是一个创建信息返回值，默认值为pdPASS。

BaseType_t xReturn = pdPASS;

        这里再次把静态任务的定义放在这：

/* 创建 AppTaskCreate 任务 */
AppTaskCreate_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)AppTaskCreate,		//任务函数
										(const char* 	)"AppTaskCreate",	//任务名称
										(uint32_t 		)128,	//任务堆栈大小
										(void* 		  	)NULL,	//传递给任务函数的参数
										(UBaseType_t 	)3, 	//任务优先级
										(StackType_t*   )AppTaskCreate_Stack,//任务堆栈
										(StaticTask_t*  )&AppTaskCreate_TCB);	//任务控制块

         对比静态任务，动态任务少了堆栈的定义。

启动任务

同静态一样，动态任务也需要调度器才能启动任务。

  /* 启动任务调度 */           
  if(pdPASS == xReturn)
    vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */
  else
    return -1;

创建多任务 ——动态

        创建多任务和单任务很相似，只需要把任务创建有关的东西写两遍，注意一下函数名和优先级即可。接下来创建两个任务，任务 1 让一个 LED 灯闪烁，任务 2 让另外一个 LED 闪烁，两个 LED 闪烁的频率不一样。

        接下来将不一样的地方展示出来，剩下的和动态单任务基本一致。

/* LED1任务句柄 */
static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
/* LED2任务句柄 */
static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;


/* 函数声明 */
static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */


static void AppTaskCreate(void)
{
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  
  taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
  
  /* 创建LED_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"LED1_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,	/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )2,	    /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&LED1_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建LED1_Task任务成功!\r\n");
  
	/* 创建LED_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"LED2_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,	/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )3,	    /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&LED2_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建LED2_Task任务成功!\r\n");
  
  vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
  
  taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
}


/* LED1任务函数主体 */
static void LED1_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED1_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED1_Task Running,LED1_ON\r\n");
        
        LED1_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED1_Task Running,LED1_OFF\r\n");
    }
}

/* LED2任务函数主体 */
static void LED2_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED2_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED2_Task Running,LED2_ON\r\n");
        
        LED2_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED2_Task Running,LED2_OFF\r\n");
    }
}

        在实际使用中，我们肯定不会只创建一两个任务。在这基础上，我们进行多任务的动态创建基本就能满足大部分需求。 

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