FreeRTOS学习记录--任务创建函数详解

开局一张图。一步一步分析就好。

（一）什么是任务？

　　在多任务系统中，我们按照功能不同，把整个系统分割成一个个独立的，且无法返回的函数，这个函数我们称为任务；任务包含几个属性：任务堆栈，任务函数、任务控制块、任务优先级；下面主要介绍一下任务控制块，其他都比较容易理解。

（二）什么是任务控制块？

　　任务控制块内包含了该任务的全部信息，任务的执行需要通过任务调度器来控制，那么任务调度器怎么“控制”任务实体的呢？就要抓住任务的小辫子---“任务控制块”，系统对任务的全部操作都可以通过任务控制块来实现！它是一种特别的数据结构。

　　在任务创建函数xTaskCreat()创建任务的时候就会自动给每个任务分配一个任务控制块。

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /*任务堆栈栈顶指针*/

    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS    xMPUSettings;        /*MPU相关设置*/
    #endif

    ListItem_t            xStateListItem;        /*状态列表项，这是一个内置在TCB控制块中的一个链表节点，通过这个节点，将任务挂到其他链表中
                                                    比如就绪列表，阻塞列表，挂起列表等*/

    ListItem_t            xEventListItem;        /*事件列表项，用于引用事件列表中的任务*/
    UBaseType_t            uxPriority;            /*任务优先级*/
    StackType_t            *pxStack;            /*任务堆栈起始地址，是一个栈底*/
    char                pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];    /*任务名字*/

    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
        StackType_t        *pxEndOfStack;        /*任务堆栈栈底*/
    #endif

    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t        uxCriticalNesting;    /*临界区嵌套深度*/
    #endif

    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t        uxTCBNumber;        /*debug的时候用到*/
        UBaseType_t        uxTaskNumber;        /*trace的时候用到*/
    #endif

    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t        uxBasePriority;        /*任务基础优先级，优先级反转时用到*/
        UBaseType_t        uxMutexesHeld;        /*任务获取到的互斥信号量个数*/
    #endif

    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;
    #endif

    #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )    //与本地存储有关
        void *pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
    #endif

    #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t        ulRunTimeCounter;    /*用来记录任务运行总时间*/
    #endif

    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        struct    _reent xNewLib_reent;        /*定义一个newlib结构体变量*/
    #endif

    #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )    /*任务通知相关变量*/
        volatile uint32_t ulNotifiedValue;        /*任务通知值*/
        volatile uint8_t ucNotifyState;            /*任务通知状态*/
    #endif

    /* 用来标记任务是动态创建还是静态创建*/
    #if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )
        uint8_t    ucStaticallyAllocated;         /*静态创建此变量为pdTURE;动态创建此变量为pdFALSE*/
    #endif

    #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;
    #endif

} tskTCB;

注：#if 开头的都是条件编译，咱们可以先不用理解。基本结构如下：

　　

　　　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。

（三）任务是怎么创建出来的？

　　任务有两种创建方式，动态创建和静态创建，两者的区别就是： 静态创建时候任务控制块和任务堆栈的内存是由用户自己定义的，任务删除的时候，内存不能自动释放。动态创建，任务堆栈和任务控制块的内存是由系统自动创建的，自动释放的。

　　动态创建任务的函数为 xTaskCreate()；

BaseType_t xTaskCreate(  TaskFunction_t    pxTaskCode,        //任务函数的名称
                        const char * const pcName,            //任务的名称
                        const uint16_t usStackDepth,          //任务堆栈大小
                        void * const pvParameters,             //任务的形参
                        UBaseType_t uxPriority,                 //任务优先级
                        TaskHandle_t * const pxCreatedTask )    //  用于传回一个任务句柄，创建任务后使用这个句柄引用（控制）任务。本质上是一个空指针。
{
    TCB_t *pxNewTCB;
    BaseType_t xReturn;

    #define portSTACK_GROWTH    //-1表示满减栈
    #if( portSTACK_GROWTH > 0 ){
    }
    #else{ /* portSTACK_GROWTH<0  代表堆栈向下增长 */
        StackType_t *pxStack;
        /* 任务栈内存分配，stm32是向下增长的堆栈，获取到的pxStack 是一个栈底的指针*/
        pxStack = ( StackType_t *) pvPortMalloc(((( size_t) usStackDepth ) * sizeof( StackType_t)));
        if( pxStack != NULL ){
            /* 任务控制块内存分配 */
            pxNewTCB = ( TCB_t * ) pvPortMalloc( sizeof( TCB_t ) );
            if( pxNewTCB != NULL ){
                /* 赋值栈地址 */
                pxNewTCB->pxStack = pxStack;
            }
            else{
                /* 释放栈空间 */
                vPortFree( pxStack );
            }
        }
        else{
            /* 没有分配成功 */
            pxNewTCB = NULL;
        }
    }
    #endif /* portSTACK_GROWTH */

    if( pxNewTCB != NULL )
    {
        /* 新建任务初始化 */
        prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ( uint32_t ) usStackDepth, pvParameters, uxPriority, pxCreatedTask, pxNewTCB, NULL );
        /* 把任务添加到就绪列表中 */
        prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB );
        xReturn = pdPASS;
    }
    else{
        xReturn = errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY;
    }

    return xReturn;
}

之后，又调用了函数 prvInitialiseNewTask(）来新建任务初始化。我们看看下面是如何定义的。

static void prvInitialiseNewTask(TaskFunction_t            pxTaskCode,
                                 const char * const       pcName,
                                 const uint32_t         ulStackDepth,
                                 void * const             pvParameters,
                                 UBaseType_t             uxPriority,
                                 TaskHandle_t * const     pxCreatedTask,
                                 TCB_t *                pxNewTCB,    //任务控制块
                                 const MemoryRegion_t * const xRegions ){
    StackType_t *pxTopOfStack;
    UBaseType_t x;

    /* 计算栈顶的地址 */
    #if( portSTACK_GROWTH < 0 ){
        /* 把栈空间的高地址分配给栈顶 */
        pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );
        /* 栈对齐----栈要8字节对齐 */
        pxTopOfStack = (StackType_t *)(((portPOINTER_SIZE_TYPE) pxTopOfStack) & (~((portPOINTER_SIZE_TYPE)portBYTE_ALIGNMENT_MASK)));
        /* 检查是否有错误 */
        configASSERT((((portPOINTER_SIZE_TYPE) pxTopOfStack & (portPOINTER_SIZE_TYPE) portBYTE_ALIGNMENT_MASK) == 0UL));
    }
    #else /* portSTACK_GROWTH */
    {
    }
    #endif /* portSTACK_GROWTH */

    /* 存储任务名称 */
    for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ ){
        pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];

        if( pcName[ x ] == 0x00 ){
            break;
        }
        else{
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }

    /* \0补齐字符串 */
    pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';
    /* 判断任务分配的优先级，是否大于最大值  如果超过最大值，赋值最大值 */
    if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES ){
        uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
    }
    else{
        mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
    }
    /* 赋值任务优先级到任务控制块 */
    pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
    /* 任务状态表 事件表初始化 */
    vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
    vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xEventListItem ) );
    /* 设置任务控制块中的状态列表项的成员变量ower ,是属于PxNewTCB(拥有该结点的内核对象) */
    listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );
    /*更改事件列表项中的成员变量xItemValue的值，目的是列表在排列的时候，是按照优先级由大到小排列 */
    listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxNewTCB->xEventListItem ), ( TickType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( TickType_t ) uxPriority ); 
    /*设置任务控制块中事件列表项的成员变量ower,同上*/
    listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xEventListItem ), pxNewTCB );

    #if( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 ){

    }
    #else{ /* portUSING_MPU_WRAPPERS */
        /* 初始化任务堆栈，之后返回任务栈顶 */
        pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );
    }
    #endif /* portUSING_MPU_WRAPPERS */

    if( ( void * ) pxCreatedTask != NULL ){
        /* 任务句柄指向任务控制块 */
        *pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;
    }
    else{
        mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
    }
}

　　prvInitialiseNewTask(）函数的形参，出来xTaskCreat()的形参之外，又多出来pxNewTCB和xRegions两个形参；

后面又调用了 pxPortInitialiseStack(StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void *pvParameters)

来初始化任务堆栈。

StackType_t *pxPortInitialiseStack(StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void *pvParameters){
    pxTopOfStack--;        /* 入栈程序状态寄存器 */
    *pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;    /* xPSR */

    pxTopOfStack--;        /* 入栈PC指针 */
    *pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK;    /* PC */

    pxTopOfStack--;        /* 入栈LR链接寄存器 */
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) prvTaskExitError;    /* LR */

    pxTopOfStack -= 5;    /* 跳过R12, R3, R2 and R1这四个寄存器，不初始化 */
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters;    /* R0作为传参入栈 */

    pxTopOfStack--;        /* 保存EXC_RETURN的值，用于退出SVC或PendSV中断时候，处理器处于什么状态*/
    *pxTopOfStack = portINITIAL_EXEC_RETURN;

    pxTopOfStack -= 8;    /* 跳过R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4这8个寄存器，不初始化 */
    return pxTopOfStack;    /*最终返回栈顶*/

初始化堆栈完成之后堆栈如下图：

层层深入完毕，现在我们返回到xTaskCreat()函数后面，看看  prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB ); 函数是怎么把任务添加到就绪列表中！

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{

    taskENTER_CRITICAL();
    {
        uxCurrentNumberOfTasks++;
        if( pxCurrentTCB == NULL )   //正在运行的任务块为NULL,没有任务运行；
        {
            pxCurrentTCB = pxNewTCB;  //将新任务控制块赋值给pxCurrentTCB

            if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 ) //为1说明正在创建的任务是第一个任务。
            {

                prvInitialiseTaskLists();   //初始化列表，就绪列表、阻塞列表等等
            }
            else
            {
                mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }
        else
        {

            if( xSchedulerRunning == pdFALSE ) //判断任务调度器是否运行，pdfalse代表没有运行
            {
                if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority )
                {
                    pxCurrentTCB = pxNewTCB;// 将新创建的任务控制块赋值给当前任务控制块
                }
                else
                {
                    mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
                }
            }
            else
            {
                mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }

        uxTaskNumber++;  // 用于任务控制块编号

        #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        {
            pxNewTCB->uxTCBNumber = uxTaskNumber;
        }
        #endif /* configUSE_TRACE_FACILITY */
        traceTASK_CREATE( pxNewTCB );

        prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );  //将任务添加到就绪列表

        portSETUP_TCB( pxNewTCB );
    }
    taskEXIT_CRITICAL();

    if( xSchedulerRunning != pdFALSE )  //如果任务调调度器在运行，新任务优先级比正在运行的优先级高
    {

        if( pxCurrentTCB->uxPriority < pxNewTCB->uxPriority )
        {
            taskYIELD_IF_USING_PREEMPTION();  //调用此函数完成一次任务切换
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }
    else
    {
        mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
    }
}

　　一定要耐心分析，别无他法，加油！不难。