FreeRTOS系列第20篇---FreeRTOS任务创建分析

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ID：技术让梦想更伟大

整理：李肖遥

回顾任务的创建删除

在FreeRTOS基础系列《FreeRTOS系列第10篇---FreeRTOS任务创建和删除》中介绍了任务创建API函数xTaskCreate()，我们这里先回顾一下这个函数的声明：

BaseType_t xTaskCreate(
    TaskFunction_tp vTaskCode,
    const char * constpcName,
    unsigned short usStackDepth,
    void *pvParameters,
    UBaseType_t uxPriority,
    TaskHandle_t *pvCreatedTask
);
这个API函数的作用是创建新的任务并将它加入到任务就绪列表，函数参数含义为：

• 「pvTaskCode」：函数指针，指向任务函数的入口。任务永远不会返回（位于死循环内）。该参数类型TaskFunction_t定义在文件projdefs.h中，定义为：typedef void(*TaskFunction_t)( void * )，即参数为空指针类型并返回空类型。

• 「pcName」：任务描述。主要用于调试。字符串的最大长度（包括字符串结束字符）由宏configMAX_TASK_NAME_LEN指定，该宏位于FreeRTOSConfig.h文件中。

• 「usStackDepth」：指定任务堆栈大小，能够支持的堆栈变量数量（堆栈深度），而不是字节数。比如，在16位宽度的堆栈下，usStackDepth定义为100，则实际使用200字节堆栈存储空间。堆栈的宽度乘以深度必须不超过size_t类型所能表示的最大值。比如，size_t为16位，则可以表示堆栈的最大值是65535字节。这是因为堆栈在申请时是以字节为单位的，申请的字节数就是堆栈宽度乘以深度，如果这个乘积超出size_t所表示的范围，就会溢出，分配的堆栈空间也不是我们想要的。

• 「pvParameters」：指针，当任务创建时，作为一个参数传递给任务。

• 「uxPriority」：任务的优先级。具有MPU支持的系统，可以通过置位优先级参数的portPRIVILEGE_BIT位，随意的在特权（系统）模式下创建任务。比如，创建一个优先级为2的特权任务，参数uxPriority可以设置为 ( 2 | portPRIVILEGE_BIT )。

• 「pvCreatedTask」：用于回传一个句柄（ID），创建任务后可以使用这个句柄引用任务。

虽然xTaskCreate()看上去很像函数，但其实是一个宏，真正被调用的函数是xTaskGenericCreate()，xTaskCreate()宏定义如下所示：

#define xTaskCreate( pvTaskCode, pcName, usStackDepth,pvParameters, uxPriority, pxCreatedTask )    \
      xTaskGenericCreate( ( pvTaskCode ),( pcName ), ( usStackDepth ), ( pvParameters ), ( uxPriority ), ( pxCreatedTask), ( NULL ), ( NULL ), ( NULL ) )
可以看到,xTaskCreate比xTaskGenericCreate少了三个参数，在宏定义中，这三个参数被设置为NULL。

这三个参数用于使用静态变量的方法分配堆栈、任务TCB空间以及设置MPU相关的参数。

一般情况下，这三个参数是不使用的，所以任务创建宏xTaskCreate定义的时候，将这三个参数对用户隐藏了。

接下来的章节中，为了方便，我们还是称xTaskCreate()为函数，虽然它是一个宏定义。

上面我们提到了任务TCB（任务控制块），这是一个需要重点介绍的关键点。

它用于存储任务的状态信息，包括任务运行时的环境。每个任务都有自己的任务TCB。

任务TCB是一个相对比较大的数据结构，这也是情理之中的，因为与任务相关的代码占到整个FreeRTOS代码量的一半左右，这些代码大都与任务TCB相关。

「我们先来介绍一下任务TCB数据结构的定义」：

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t    *pxTopOfStack; /*当前堆栈的栈顶,必须位于结构体的第一项*/
 
    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS   xMPUSettings;      /*MPU设置,必须位于结构体的第二项*/
    #endif
 
    ListItem_t          xStateListItem; /*任务的状态列表项，以引用的方式表示任务的状态*/
    ListItem_t          xEventListItem;    /*事件列表项，用于将任务以引用的方式挂接到事件列表*/
    UBaseType_t         uxPriority;        /*保存任务优先级，0表示最低优先级*/
    StackType_t         *pxStack;           /*指向堆栈的起始位置*/
    char               pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/*任务名字*/
 
    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
        StackType_t     *pxEndOfStack;     /*指向堆栈的尾部*/
    #endif
 
    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t     uxCriticalNesting; /*保存临界区嵌套深度*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t     uxTCBNumber;       /*保存一个数值，每个任务都有唯一的值*/
        UBaseType_t     uxTaskNumber;      /*存储一个特定数值*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t     uxBasePriority;    /*保存任务的基础优先级*/
        UBaseType_t     uxMutexesHeld;
    #endif
 
    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;
    #endif
 
    #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )
        void *pvThreadLocalStoragePointers[configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
    #endif
 
    #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t        ulRunTimeCounter;  /*记录任务在运行状态下执行的总时间*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        /* 为任务分配一个Newlibreent结构体变量。Newlib是一个C库函数，并非FreeRTOS维护，FreeRTOS也不对使用结果负责。如果用户使用Newlib，必须熟知Newlib的细节*/
        struct _reent xNewLib_reent;
    #endif
 
    #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
        volatile uint32_t ulNotifiedValue; /*与任务通知相关*/
        volatile uint8_t ucNotifyState;
    #endif
 
    #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
        uint8_t ucStaticAllocationFlags; /* 如果堆栈由静态数组分配，则设置为pdTRUE，如果堆栈是动态分配的，则设置为pdFALSE*/
    #endif
 
    #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;
    #endif
 
} tskTCB;
 
typedef tskTCB TCB_t;
「下面我们详细的介绍这个数据结构的主要成员：」

指针pxTopOfStack必须位于结构体的第一项，指向当前堆栈的栈顶，对于向下增长的堆栈，pxTopOfStack总是指向最后一个入栈的项目。

如果使用MPU，xMPUSettings必须位于结构体的第二项，用于MPU设置。

接下来是状态列表项xStateListItem和事件列表项xEventListItem，我们在上一章介绍列表和列表项的文章中提到过：列表被FreeRTOS调度器使用，用于跟踪任务，处于就绪、挂起、延时的任务，都会被挂接到各自的列表中。

调度器就是通过把任务TCB中的状态列表项xStateListItem和事件列表项xEventListItem挂接到不同的列表中来实现上述过程的。

在task.c中，定义了一些静态列表变量，其中有就绪、阻塞、挂起列表，例如当某个任务处于就绪态时，调度器就将这个任务TCB的xStateListItem列表项挂接到就绪列表。

事件列表项也与之类似，当队列满的情况下，任务因入队操作而阻塞时，就会将事件列表项挂接到队列的等待入队列表上。

uxPriority用于保存任务的优先级，0为最低优先级。任务创建时，指定的任务优先级就被保存到该变量中。

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，后面会讲到这个变量。

字符数组pcTaskName用于保存任务的描述或名字，在任务创建时，由参数指定。

名字的长度由宏configMAX_TASK_NAME_LEN（位于FreeRTOSConfig.h中）指定，包含字符串结束标志。

如果堆栈向上生长（portSTACK_GROWTH > 0），指针pxEndOfStack指向堆栈尾部，用于检验堆栈是否溢出。

变量uxCriticalNesting用于保存临界区嵌套深度，初始值为0。

接下来两个变量用于可视化追踪，仅当宏configUSE_TRACE_FACILITY（位于FreeRTOSConfig.h中）为1时有效。

变量uxTCBNumber存储一个数值，在创建任务时由内核自动分配数值（通常每创建一个任务，值增加1），每个任务的uxTCBNumber值都不同，主要用于调试。

变量uxTaskNumber用于存储一个特定值，与变量uxTCBNumber不同，uxTaskNumber的数值不是由内核分配的，而是通过API函数vTaskSetTaskNumber()来设置的，数值由函数参数指定。

如果使用互斥量（configUSE_MUTEXES == 1），任务优先级被临时提高时，变量uxBasePriority用来保存任务原来的优先级。

变量ucStaticAllocationFlags也需要说明一下，我们前面说过任务创建API函数xTaskCreate()只能使用动态内存分配的方式创建任务堆栈和任务TCB，如果要使用静态变量实现任务堆栈和任务TCB就需要使用函数xTaskGenericCreate()来实现。

如果任务堆栈或任务TCB由静态数组和静态变量实现，则将该变量设置为pdTRUE（任务堆栈空间由静态数组变量实现时为0x01，任务TCB由静态变量实现时为0x02，任务堆栈和任务TCB都由静态变量实现时为0x03），如果堆栈是动态分配的，则将该变量设置为pdFALSE。

到这里任务TCB的数据结构就讲完了，下面我们用一个例子「来讲述任务创建的过程」，为方便起见，假设被创建的任务叫“任务A”，任务函数为vTask_A()：

TaskHandle_t xHandle；
xTaskCreate(vTask_A,”Task A”,120,NULL,1,