[導(dǎo)讀] 學(xué)習(xí)梳理一下FreeRTOS任務(wù)管理單元實(shí)現(xiàn)思路，代碼分析基于V10.4.3。從本文開始計(jì)劃寫個(gè)圖解freeRTOS內(nèi)核系列筆記分享給朋友們，希望大家喜歡。文章中或有錯(cuò)誤，也請(qǐng)留言交流指正，或加本人微信進(jìn)行交流～

本文主要學(xué)習(xí)梳理FreeRTOS任務(wù)管理器的基本原理，大體框架。

內(nèi)核任務(wù)管理器需求

先來對(duì)比一下裸奔系統(tǒng)與RTOS應(yīng)用系統(tǒng)的編程模型，看看兩種編程的不同畫風(fēng)。

裸奔系統(tǒng)

在不用RTOS的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)時(shí)，編程模型大概是這樣的畫風(fēng)：

• 程序的主體是一個(gè)死循環(huán)，該應(yīng)用程序由一系列協(xié)同工作的函數(shù)片段組成，相互實(shí)現(xiàn)邏輯配合，實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)需求。該應(yīng)用程序獨(dú)占單片機(jī)，常規(guī)的單片機(jī)系統(tǒng)都僅有有一個(gè)計(jì)算單元核。
• 普通外設(shè)I/O,這里所說I/O是指廣義的I/O，比如GPIO、PWM、ADC、DAC、LCD顯示（當(dāng)然這里并不嚴(yán)謹(jǐn)，比如ADC,DAC、LCD等也可以產(chǎn)生中斷）等。中斷函數(shù)將異步事件接收成或報(bào)文或標(biāo)志或數(shù)值，在與主循環(huán)發(fā)生邏輯關(guān)聯(lián)。
• 中斷外設(shè)，比如UART、USB、I2C、定時(shí)器、DMA等根據(jù)應(yīng)用需求而使用的中斷。這些中斷都需要相應(yīng)的中斷函數(shù)進(jìn)行處理異步中斷事件。對(duì)于輸出可能采樣主動(dòng)輸出，一般由主循環(huán)某一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行；對(duì)于輸入設(shè)備或許采用輪詢方式，在與主循環(huán)進(jìn)行耦合。

RTOS應(yīng)用系統(tǒng)

在一個(gè)基于RTOS應(yīng)用系統(tǒng)中，其編程模型大致是下面這樣一個(gè)畫風(fēng)，有多個(gè)并行的任務(wù)在相對(duì)長(zhǎng)的宏觀時(shí)間維度看起來，多個(gè)任務(wù)是并行運(yùn)行的，但對(duì)于常規(guī)單片機(jī)而言（一般都是單核），任一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)或中斷函數(shù)在獨(dú)占CPU核。

• 常見的RTOS沒有設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型，沒有對(duì)外設(shè)設(shè)備進(jìn)行抽象，中斷函數(shù)將會(huì)由用戶或調(diào)用RTOS 機(jī)制，比如event/signal等與任務(wù)進(jìn)行通信
• 任務(wù)間還有可能需要通信，或傳遞消息，或完成某項(xiàng)需求相互間需要同步等
• 同樣任務(wù)需要與硬件普通IO外設(shè)進(jìn)行打交道，或入或出。但有可能是這個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，也有可能是哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行。完全取決于開發(fā)人員如何設(shè)計(jì)。
• RTOS實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切入切出，切入使某任務(wù)運(yùn)行；切出使某任務(wù)掛起，出讓CPU，暫停運(yùn)行。
• RTOS充當(dāng)?shù)讓又С止δ?，RTOS還提供豐富的時(shí)間管理，隊(duì)列、郵箱等機(jī)制供應(yīng)用開發(fā)使用。
• ......

對(duì)于單片機(jī)而言，一般只有一個(gè)核，所有RTOS為了方便理解，可以看成是最最主要的目就是通過軟件方法將硬件CPU核程序運(yùn)行環(huán)境抽象為每一個(gè)應(yīng)用任務(wù)虛擬出一個(gè)軟核。這樣從時(shí)間維度上看起來多任務(wù)是并行的，而事實(shí)上這種并行是偽并行。

上圖僅僅為理解RTOS作用方便，這種虛擬核本質(zhì)上并不存在，只是將硬件CPU核的運(yùn)行時(shí)上下文（PC指針、狀態(tài)寄存器等寄存器組、任務(wù)運(yùn)行時(shí)臨時(shí)變量等）通過快照保存切入切出而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的偽并行運(yùn)行。

FreeRTOS任務(wù)管理器需求

從前文看出，任務(wù)管理要實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切入、切出，則首先需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行抽象描述，以實(shí)現(xiàn)在CPU上能夠?qū)崿F(xiàn)切換。根據(jù)閱讀代碼以及文獻(xiàn)加上自己的理解，將內(nèi)核任務(wù)管理器的主要功能需求大致梳理成下面這樣一張用例圖Use case Diagram，僅僅為理解方便，或許并不嚴(yán)謹(jǐn)。

從上圖，大致可以看出FreeRTOS任務(wù)調(diào)度器需要以下一些功能需求：

• 任務(wù)抽象描述，一個(gè)任務(wù)一般本質(zhì)上是一個(gè)死循環(huán)程序片段（當(dāng)然也有任務(wù)運(yùn)行著會(huì)退出被殺掉的可能）。對(duì)于任務(wù)的抽象：
• 一般會(huì)有任務(wù)的執(zhí)行主體，利用函數(shù)主體函數(shù)指針進(jìn)行抽象
• RTOS常規(guī)都是的基于優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度算法，因此需要抽象出哪個(gè)任務(wù)具有更高概率能被執(zhí)行，用優(yōu)先級(jí)進(jìn)行描述
• 任務(wù)需要得以切換，就需要將任務(wù)在切換間的臨時(shí)狀態(tài)進(jìn)行保存，棧機(jī)制就能很好的滿足這樣的需求，因此每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)或大或小的任務(wù)棧。其本質(zhì)上是一片連續(xù)的FILO（先入后出）內(nèi)存。
• .....
• 任務(wù)創(chuàng)建、刪除等API接口，供應(yīng)用開發(fā)使用。
• 任務(wù)調(diào)度器控制接口，啟動(dòng)調(diào)度器、停止調(diào)度器、掛起所有任務(wù)、恢復(fù)運(yùn)行等調(diào)度器接口。
• 任務(wù)雜項(xiàng)信息接口，比如獲取任務(wù)狀態(tài)、tick信息、調(diào)試、獲取任務(wù)名等API接口
• 任務(wù)調(diào)度算法，基于調(diào)度策略對(duì)運(yùn)行時(shí)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，或掛起、或運(yùn)行、或就緒等，主要根據(jù)調(diào)度策略管理任務(wù)的切入切出。這里主要涉及到任務(wù)間上下文切換、任務(wù)與中斷函數(shù)間的上下文切換兩種場(chǎng)景。
• 抽象C運(yùn)行時(shí)環(huán)境，現(xiàn)代RTOS應(yīng)用系統(tǒng)一般基于C語言，抽象C運(yùn)行時(shí)環(huán)境，這里主要指棧，當(dāng)然很多RTOS內(nèi)核也內(nèi)核堆，freeRTOS也不例外。熟悉C編程的朋友都知道，堆內(nèi)存由malloc/free函數(shù)操作集提供用戶接口，既然C堆已有，為何RTOS內(nèi)核重新造輪子？為啥內(nèi)核額外需要實(shí)現(xiàn)自己的堆管理器呢？這大體是基于下面些緣由：
• 編譯器C堆實(shí)現(xiàn)，在小型嵌入式系統(tǒng)上有時(shí)候并不能直接使用。
• C堆的實(shí)現(xiàn)可能相對(duì)較大，占用了較大代碼空間。比較浪費(fèi)有限的代碼存儲(chǔ)空間。
• C堆很少是線程安全的。
• C堆申請(qǐng)執(zhí)行時(shí)間不是確定的， 執(zhí)行功能所需的時(shí)間因調(diào)用而異。
• C堆會(huì)在單片機(jī)有限的內(nèi)存資源引發(fā)內(nèi)存碎片問題。
• C堆會(huì)使鏈接器配置復(fù)雜化。
• C堆如引發(fā)未知錯(cuò)誤，不便于調(diào)試。

FreeRTOS任務(wù)描述抽象

對(duì)于其中幾項(xiàng)必須的關(guān)鍵數(shù)據(jù)域描述一下其抽象作用：

• pxTopOfStack：指向任務(wù)棧棧頂指針
• xStateListItem：任務(wù)狀態(tài)鏈表描述節(jié)點(diǎn)，用于動(dòng)態(tài)將該任務(wù)添加、刪除到就緒或阻塞任務(wù)對(duì)列鏈表中
• xEventListItem：事件鏈表描述節(jié)點(diǎn)，描述本任務(wù)相關(guān)事件，用于將本任務(wù)添加到事件鏈表中。
• uxPriority：任務(wù)優(yōu)先級(jí)，用于描述本任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。
• pxStack：任務(wù)棧指針，指向本任務(wù)的任務(wù)棧。
• pcTaskName：任務(wù)名字符串存儲(chǔ)區(qū)，長(zhǎng)度可配。默認(rèn)為16字節(jié)

其他的數(shù)據(jù)域，可裁剪實(shí)現(xiàn)一些更豐富的功能，比如主要用于防治優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制，trace追蹤功能等。限于篇幅，也主要梳理任務(wù)管理器的主要原理，就不展開了。

任務(wù)創(chuàng)建刪除管理

FreeRTOS為用戶提供一組函數(shù)集用于任務(wù)的創(chuàng)建、刪除等管理，先看任務(wù)的創(chuàng)建API：

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?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

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?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

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

BaseType_t?xTaskCreateRestrictedStatic(?const?TaskParameters_t?*?const?pxTaskDefinition,
??????????TaskHandle_t?*?pxCreatedTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

• xTaskCreate/xTaskCreateStatic 都是用于創(chuàng)建任務(wù)而用，其區(qū)別在于：
• xTaskCreate 申請(qǐng)任務(wù)控制塊以及棧從內(nèi)核堆申請(qǐng)
• xTaskCreateStatic 創(chuàng)建的任務(wù)，其任務(wù)控制塊內(nèi)存以及任務(wù)棧內(nèi)存由用戶傳入?；蛟S有朋友會(huì)問StaticTask_t這不是任務(wù)控制塊嘛，仔細(xì)看看其結(jié)構(gòu)定義其內(nèi)存對(duì)齊及大小剛好是前面說的任務(wù)控制塊的定義。
• xTaskCreateRestricted() /xTaskCreateRestrictedStatic(),主要用于在有或使能MPU單元的芯片中創(chuàng)建任務(wù)。這里的MPU是指Memory Protection Unit (MPU)，不是微處理器的意思。這兩者的區(qū)別與上面兩個(gè)API類似，主要在于其內(nèi)存分配方式不同，xTaskCreateRestricted是從內(nèi)核堆動(dòng)態(tài)申請(qǐng)，xTaskCreateRestrictedStatic用戶傳入。
• PRIVILEGED_FUNCTION 這個(gè)宏是用于存儲(chǔ)保護(hù)單元芯片的。

這幾個(gè)任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)都是用于任務(wù)創(chuàng)建，任務(wù)一旦創(chuàng)建就會(huì)被插入任務(wù)就緒鏈表中，當(dāng)調(diào)度器調(diào)度啟動(dòng)后就按任務(wù)狀態(tài)機(jī)根據(jù)調(diào)度策略以及外部輸入事件進(jìn)行調(diào)度接管。這里以xTaskCreate繪制一下其內(nèi)在干了些啥：

再看看另外兩個(gè)函數(shù)：

void?vTaskAllocateMPURegions(?TaskHandle_t?xTask,
????????const?MemoryRegion_t?*?const?pxRegions?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskDelete(?TaskHandle_t?xTaskToDelete?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

• vTaskAllocateMPURegions: 定義一組內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）區(qū)域，供MPU受限任務(wù)使用.
• vTaskDelete: 刪除用使用xTaskCreate()或xTaskCreateStatic()創(chuàng)建的任務(wù)。

任務(wù)控制管理接口

void?vTaskDelay(?const?TickType_t?xTicksToDelay?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskDelayUntil(?TickType_t?*?const?pxPreviousWakeTime,
????????????????????????????const?TickType_t?xTimeIncrement?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskAbortDelay(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskPriorityGet(?const?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskPriorityGetFromISR(?const?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
eTaskState?eTaskGetState(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskGetInfo(?TaskHandle_t?xTask,
???????????????????TaskStatus_t?*?pxTaskStatus,
???????????????????BaseType_t?xGetFreeStackSpace,
???????????????????eTaskState?eState?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPrioritySet(?TaskHandle_t?xTask,
???????????????????????UBaseType_t?uxNewPriority?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSuspend(?TaskHandle_t?xTaskToSuspend?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskResume(?TaskHandle_t?xTaskToResume?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskResumeFromISR(?TaskHandle_t?xTaskToResume?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這一系列的API接口操作集主要用于對(duì)任務(wù)進(jìn)行掛起延時(shí)、獲取優(yōu)先級(jí)、自中斷函數(shù)獲取優(yōu)先級(jí)、掛起、恢復(fù)運(yùn)行等操作?；緩钠浜瘮?shù)名就可以看出其作用。比如：

• vTaskDelay調(diào)用，會(huì)使調(diào)用該函數(shù)的任務(wù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)一段時(shí)間，時(shí)間為傳入的tick數(shù)。

這里需要注意的是有的函數(shù)在中斷函數(shù)體里面不可以調(diào)用，需要使用專用版本，具體可以看看手冊(cè)或注釋。

調(diào)度器控制接口

void?vTaskStartScheduler(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskEndScheduler(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSuspendAll(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskResumeAll(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這一組函數(shù)API集主要用于調(diào)度器的啟動(dòng)、停止控制：

• vTaskStartScheduler，主要用于待用戶任務(wù)創(chuàng)建好后，硬件初始化后，啟動(dòng)內(nèi)核調(diào)度器
• vTaskEndScheduler，可用于停止內(nèi)核調(diào)度器，一般很少用到，在一些安全相關(guān)的應(yīng)用可能會(huì)在出故障時(shí)主動(dòng)停止調(diào)度器。
• vTaskSuspendAll，掛起所有任務(wù)，可以用用戶邏輯主動(dòng)掛起所有的任務(wù)
• xTaskResumeAll，恢復(fù)所有任務(wù)為就緒態(tài)。

任務(wù)雜項(xiàng)API集

我根據(jù)代碼及注釋及自己理解，將這些API歸類到雜項(xiàng)API集合：

TickType_t?xTaskGetTickCountFromISR(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskGetNumberOfTasks(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
char?*?pcTaskGetName(?TaskHandle_t?xTaskToQuery?)?PRIVILEGED_FUNCTION;?????
TaskHandle_t?xTaskGetHandle(?const?char?*?pcNameToQuery?)?PRIVILEGED_FUNCTION;???
UBaseType_t?uxTaskGetStackHighWaterMark(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
configSTACK_DEPTH_TYPE?uxTaskGetStackHighWaterMark2(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetApplicationTaskTag(?TaskHandle_t?xTask,
?????????TaskHookFunction_t?pxHookFunction?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHookFunction_t?xTaskGetApplicationTaskTag(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHookFunction_t?xTaskGetApplicationTaskTagFromISR(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

void?vTaskSetThreadLocalStoragePointer(?TaskHandle_t?xTaskToSet,
??????????BaseType_t?xIndex,
??????????void?*?pvValue?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?*?pvTaskGetThreadLocalStoragePointer(?TaskHandle_t?xTaskToQuery,

void?vApplicationStackOverflowHook(?TaskHandle_t?xTask,
???????????char?*?pcTaskName?);
void?vApplicationTickHook(?void?);?
......
BaseType_t?xTaskGenericNotifyStateClear(?TaskHandle_t?xTask,
?????????????????????????????????????????UBaseType_t?uxIndexToClear?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

uint32_t?ulTaskGenericNotifyValueClear(?TaskHandle_t?xTask,
????????????????????????????????????????UBaseType_t?uxIndexToClear,
????????????????????????????????????????uint32_t?ulBitsToClear?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetTimeOutState(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCheckForTimeOut(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut,
?????????????????????????????????TickType_t?*?const?pxTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCatchUpTicks(?TickType_t?xTicksToCatchUp?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這些函數(shù)具體作用就不贅述，這里僅僅梳理分類，用到時(shí)候查手冊(cè)即可。

跨平臺(tái)移植接口

BaseType_t?xTaskIncrementTick(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnEventList(?List_t?*?const?pxEventList,
????????????????????????????const?TickType_t?xTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnUnorderedEventList(?List_t?*?pxEventList,
?????????????????????????????????????const?TickType_t?xItemValue,
?????????????????????????????????????const?TickType_t?xTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnEventListRestricted(?List_t?*?const?pxEventList,
??????????????????????????????????????TickType_t?xTicksToWait,
??????????????????????????????????????const?BaseType_t?xWaitIndefinitely?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskRemoveFromEventList(?const?List_t?*?const?pxEventList?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskRemoveFromUnorderedEventList(?ListItem_t?*?pxEventListItem,
????????????????????????????????????????const?TickType_t?xItemValue?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

portDONT_DISCARD?void?vTaskSwitchContext(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TickType_t?uxTaskResetEventItemValue(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHandle_t?xTaskGetCurrentTaskHandle(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskMissedYield(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskGetSchedulerState(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskPriorityInherit(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskPriorityDisinherit(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPriorityDisinheritAfterTimeout(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder,
UBaseType_t?uxTaskGetTaskNumber(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetTaskNumber(?TaskHandle_t?xTask,
?????????????????????????const?UBaseType_t?uxHandle?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskStepTick(?const?TickType_t?xTicksToJump?)?PRIVILEGED_FUNCTION;


eSleepModeStatus?eTaskConfirmSleepModeStatus(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

TaskHandle_t?pvTaskIncrementMutexHeldCount(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

void?vTaskInternalSetTimeOutState(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這些接口不同硬件平臺(tái)需要做具化的移植，做差異化的處理，但是對(duì)于FreeRTOS統(tǒng)一了內(nèi)部調(diào)用的接口。這樣的思路在應(yīng)用開發(fā)時(shí)也可以考慮使用，對(duì)于公共部分可以抽象出統(tǒng)一的接口，這樣在不同平臺(tái)上可以很方便的進(jìn)行移植。對(duì)于這些接口后面有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)整理分享。

對(duì)于用例圖中的其他部分，核心調(diào)度部分以及上下文切換，篇幅所限留在后面學(xué)習(xí)整理分享。

總結(jié)一下

本文基本學(xué)習(xí)梳理了一下對(duì)于FreeRTOS任務(wù)調(diào)度器外部接口、以及大體作用，基本組成情況，水平所限，文章中錯(cuò)誤難免，歡迎交流指正。