RTX——第7章 任务管理

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单任务系统
学习多任务系统之前，我们先来回顾下单任务系统的编程框架，即裸机时的编程框架。 裸机编程主要
是采用超级循环（super-loops）系统，又称前后台系统。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应
的函数完成相应的操作，这部分可以看做后台行为，中断服务程序处理异步事件，这部分可以看做是前台
行为。 后台也可以叫做任务级，前台也叫作中断级。

对于前后台系统的编程思路主要有以下两种方式：

轮询方式
对于一些简单的应用，处理器可以查询数据或者消息是否就绪，就绪后进行处理，然后再等待，如此
循环下去。 对于简单的任务，这种方式简单易处理。但大多数情况下，需要处理多个接口数据或者消息，
那就需要多次处理，如下面的流程图所示：

用查询方式处理简单的应用，效果比较好，但是随着工程的复杂，采用查询方式实现的工程就变的很
难维护，同时，由于无法定义查询任务的优先级，这种查询方式会使得重要的接口消息得不到及时响应。
比如程序一直在等待一个非紧急消息就绪，如果这个消息后面还有一个紧急的消息需要处理，那么就会使
得紧急消息长时间得不到执行。

中断方式
对于查询方式无法有效执行紧急任务的情况，采用中断方式就有效的解决了这个问题，下面是中断方
式简单的流程图：

采用中断和查询结合的方式可以解决大部分裸机应用，但随着工程的复杂，裸机方式的缺点就暴露出来了
 必须在中断(ISR)内处理时间关键运算：
 ISR 函数变得非常复杂，并且需要很长执行时间。
 ISR 嵌套可能产生不可预测的执行时间和堆栈需求。
 超级循环和 ISR 之间的数据交换是通过全局共享变量进行的：
 应用程序的程序员必须确保数据一致性。
 超级循环可以与系统计时器轻松同步，但：
 如果系统需要多种不同的周期时间，则会很难实现。
 超过超级循环周期的耗时函数需要做拆分。
 增加软件开销，应用程序难以理解。
 超级循环使得应用程序变得非常复杂，因此难以扩展：
 一个简单的更改就可能产生不可预测的副作用，对这种副作用进行分析非常耗时。
 超级循环 概念的这些缺点可以通过使用实时操作系统 (RTOS) 来解决。

多任务系统
针对这些情况，使用多任务系统就可以解决这些问题了。 下面是一个多任务系统的流程图：

多任务系统或者说 RTOS 的实现，重点就在这个调度器上，而调度器的作用就是使用相关的调度算法来决
定当前需要执行的任务。如上图所画的那样，创建了任务并完成 OS 初始化后，就可以通过调度器来决定
任务 A，任务 B 和任务 C 的运行，从而实现多任务系统。 另外需要初学者注意的是，这里所说的多任务系
统同一时刻只能有一个任务可以运行，只是通过调度器的决策，看起来像所有任务同时运行一样。为了更
好的说明这个问题，再举一个详细的运行例子，运行条件如下：
 使用抢占式调度器。
 1 个空闲任务，优先级最低。
 2 个应用任务，一个高优先级和一个低优先级，优先级都比空闲任务优先级高。
 中断服务程序，含 USB 中断，串口中断和系统滴答定时器中断。
下图 7.2 所示是任务的运行过程，其中横坐标是任务优先级由低到高排列，纵坐标是运行时间，时间
刻度有小到大。

（1） 启动 RTOS，首先执行高优先级任务。
（2） 高优先级任务等待事件标志（os_evt_wait_and）被挂起，低优先级任务得到执行。
（3） 低优先级任务执行的过程中产生 USB 中断，进入 USB 中断服务程序。
（4） 退出 USB 中断复位程序，回到低优先级任务继续执行。
（5） 低优先级任务执行过程中产生串口接收中断，进入串口接收中断服务程序。
（6） 退出串口接收中断复位程序，并发送事件标志设置消息（isr_evt_set），被挂起的高优先
级任务就会重新进入就绪状态，这个时候高优先级任务和低优先级任务都在就绪态，基于优
先级的调度器就会让高优先级的任务先执行，所有此时就会进入高优先级任务。
（7） 高优先级任务由于等待事件标志（os_evt_wait_and）会再次被挂起，低优先级任务开始
继续执行。
（8） 低优先级任务调用函数 os_dly_wait，低优先级任务被挂起，从而空闲任务得到执行。
（9） 空闲任务执行期间发生滴答定时器中断，进入滴答定时器中断服务程序。
（10） 退出滴答定时器中断，由于低优先级任务延时时间到，低优先级任务继续执行。

（11） 低优先级任务再次调用延迟函数 os_dly_wait，低优先级任务被挂起，从而切换到空闲任务。
空闲任务得到执行。
通过上面实例的讲解，大家应该对多任务系统完整的运行过程有了一个全面的认识。 随着教程后面对
调度器，任务切换等知识点的讲解，大家会对这个运行过程有更深刻的理解。
RTX 就是一款支持多任务运行的实时操作系统，具有时间片，抢占式和合作式三种调度方法。 通过
RTX 实时操作系统可以将程序函数分成独立的任务，并为其提供合理的调度方式。 同时 RTX 实时操作系
统为多任务的执行提供了以下重要优势：
 任务调度 - 任务在需要时进行调用，从而确保了更好的程序执行和事件响应。
 多任务 - 任务调度会产生同时执行多个任务的效果。
 确定性的行为 - 在定义的时间内处理事件和中断。
 更短的 ISR - 实现更加确定的中断行为。
 任务间通信 - 管理多个任务之间的数据、内存和硬件资源共享。
 定义的堆栈使用 - 每个任务分配一个堆栈空间，从而实现可预测的内存使用。
 系统管理 - 可以专注于应用程序开发而不是资源管理。

任务设置
RTX 操作系统的配置工作是通过配置文件 RTX_Conf_CM.c 实现。 在 MDK 工程中打开文件
RTX_Conf_CM.c，可以看到如下图 7.4 所示的工程配置向导：

用于任务配置的主要是如下两个参数：
 Number of concurrent running tasks
参数范围 0 – 250
表示同时运行的最大任务数，这个数值一定要大于等于用户实际创建的任务数，空闲任务不包含
在这个里面。比如当前的数值是 6，就表示用户最多可以创建 6 个任务。
 Number of tasks with user-provided stack
参数范围 0 – 250
表示自定义任务堆栈的任务数，如果这个参数定义为 0 的话，表示所有的任务都是使用的配置向
导里面第三个参数 Task statck size 大小。 比如：
Number of concurrent running tasks = 6
Number of tasks with user-provided stack = 0
表示允许用户创建 6 个任务，所有的 6 个任务都是分配第三个参数 Task statck size 大小的任务
堆栈空间。
Number of concurrent running tasks = 6
Number of tasks with user-provided stack = 3
表示允许用户创建 6 个任务，其中 3 个任务是用户自定义任务堆栈大小，另外 3 个任务是用的第
三个参数 Task statck size 大小的任务堆栈空间。

栈溢出检测
如果怕任务栈溢出，那么此功能就非常的有用了，用户只需在 RTX 的配置向导里面使能使用任务栈检测即可： 

RTX 初始化和启动
使用如下 3 个函数可以实现 RTX 的初始化：
 os_sys_init()
 os_sys_init_prio()
 os_sys_init_user()

关于这 3 个函数的讲解及其使用方法可以看参考资料 rlarm.chm 文件 ：

函数描述：
函数 os_sys_init_user 用于实现 RTX 操作系统的初始化和启动任务的创建，并且使用这个函数做初始化还
可以自定义任务栈的大小。
 第 1 个参数填启动任务的函数名。
 第 2 个参数是任务的优先级设置，用户可以设置的任务优先级范围是 1-254。 优先级 0 用于空闲任
务，如果用户将这个参数设置为 0 的话，RTX 系统会将其更改为 1。 优先级 255 被保留用于最重要
的任务。
 第 3 个参数是任务栈地址。
 第 4 个参数是任务栈大小。
使用这个函数要注意以下几个问题
1. 必须在 main 函数中调用 os_sys_init_user。
2. 任务栈空间必须 8 字节对齐，可以将任务栈数组定义成 uint64_t 类型即可。 （补充说明，这就是为什么我们定义任务栈的时候要用大小除以8，因为sizeof所求大小需要乘以元素字节，这里定义的正好是uint64_t，八个字节的，这样能保证是八字节对齐的）

3. 优先级 255 代表更重要的任务。
4. 对于 RTX 操作系统来说，优先级参数中数值越小优先级越低，也就是说空闲任务的优先级是最低的，因为它的优先级数值是 0 。

任务创建
使用如下 4 个函数可以实现 RTX 的任务创建：
 os_tsk_create
 os_tsk_create_ex
 os_tsk_create_user
 os_tsk_create_user_ex

ex后缀是extension的缩写，看英文文档就会知道的，表示扩展。

函数描述：
函数 os_tsk_create_use 用于实现 RTX 操作系统的任务创建，并且还可以自定义任务栈的大小。
 第 1 个参数填创建任务的函数名。
 第 2 个参数是任务的优先级设置，用户可以设置的任务优先级范围是 1-254。 优先级 0 用于空闲任
务，如果用户将这个参数设置为 0 的话，RTX 系统会将其更改为 1。 优先级 255 被保留用于更重要
的任务。 如果新创建的任务优先级比当前正在执行任务的优先级高，那么就会立即切换到高优先级
任务去执行。
 第 3 个参数是任务栈地址。
 第 4 个参数是任务栈大小。
 函数的返回值是任务的 ID，使用 ID 号可以区分不同的任务。
使用这个函数要注意以下问题
1. 任务栈空间必须 8 字节对齐，可以将任务栈数组定义成 uint64_t 类型即可。

任务删除
使用如下 2 个函数可以实现 RTX 的任务删除：
 os_tsk_delete
 os_tsk_delete_self

函数描述：
函数 os_tsk_create_use 用于实现 RTX 操作系统的任务删除
 第 1 个参数填要删除任务的 ID。
 如果任务删除成功，函数返回 OS_R_OK，其余所有情况返回 OS_R_NOK，比如所写的任务 ID 不存在。

使用这个函数要注意以下问题：
1. 如果用往此函数里面填的任务 ID 是 0 的话，那么删除的就是当前正在执行的任务，此任务被删除后，
RTX 会切换到任务就绪列表里面下一个要执行的高优先级任务。

空闲任务
几乎所有的小型 RTOS 中都会有一个空闲任务，空闲任务应该属于系统任务，是必须要执行的，用
户程序不能将其关闭。不光小型系统中有空闲任务，大型的系统里面也有的，比如 WIN7，下面的截图就
是 WIN7 中的空闲进程。

空闲任务主要有以下几个作用：
 用户不能让系统一直在执行各个应用任务，这样的话系统利用率就是 100%，系统就会一直的超负荷
运行，所以空闲任务很有必要。
 为了更好的实现低功耗，空闲任务也很有必要，用户可以在空闲任务中实现睡眠，停机等低功耗措施。

代码练兵场：

K1 按键按下，删除任务 AppTaskLED。
K2 按键按下，重新创建任务 AppTaskLED。
不按键的时候，LED和Beep翻转。

int main ( void )
{
    Bsp_Init();

    /* 创建启动任务 */
     os_sys_init_user (AppTaskStart,             /* 任务函数 */
                      ,                        /* 任务优先级 */
                      &AppTaskStartStk,         /* 任务栈 */
                      sizeof(AppTaskStartStk)); /* 任务栈大小，单位字节数 */
    while (  )
    {

    }

}

__task void AppTaskUserIF(void)
{

    while()
    {
            if(key1_flag==)
            {
                key1_flag=;
                printf("K1键按下，删除任务HandleTaskLED\r\n");
                    if(HandleTaskLED != NULL)
                    {
                        if(os_tsk_delete(HandleTaskLED) == OS_R_OK)
                        {
                            HandleTaskLED = NULL;
                            printf("任务AppTaskLED删除成功\r\n");
                        }
                        else
                        {
                            printf("任务AppTaskLED删除失败\r\n");
                        }
                    }
            }
            if(key2_flag==)
            {
                key2_flag=;
                printf("K2键按下，重新创建任务AppTaskLED\r\n");
                    if(HandleTaskLED == NULL)
                    {
                        HandleTaskLED = os_tsk_create_user(AppTaskLED,              /* 任务函数 */
                                                           ,                       /* 任务优先级 */
                                                           &AppTaskLEDStk,          /* 任务栈 */
                                                           sizeof(AppTaskLEDStk));  /* 任务栈大小，单位字节数 */
                    }
            }
            os_dly_wait();
        }
}

输出打印：

可以看到按下K1时，LED灯不再翻转，按下K2后，又开始翻转。

RTX 配置：
RTX 配置向导详情如下：