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FreeRTOS任务管理与通信机制详解

news 来源：原创 2025/5/9 6:32:43

1 任务的创建与管理

任务创建

使用 xTaskCreate() 创建任务：

BaseType_t xTaskCreate(
TaskFunction_t pxTaskCode, // 任务函数（入口）
const char * const pcName, // 任务名称（调试用）
configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 堆栈大小（单位为字）
void * const pvParameters, // 任务参数
UBaseType_t uxPriority, // 优先级（0~configMAX_PRIORITIES-1）
TaskHandle_t * const pxCreatedTask // 任务句柄（可为NULL）
);

注意：任务函数必须符合 void (*TaskFunction_t)(void *) 的原型。

任务删除

vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

可删除任意任务，包括自身（传入 NULL）。

任务挂起与唤醒

挂起任务：vTaskSuspend(TaskHandle_t xTask);
唤醒任务：vTaskResume(TaskHandle_t xTask);

用于控制任务的执行时机，但需要避免任务永久挂起导致系统资源浪费。

2 队列（Queue）

定义

队列是典型的FIFO（先进先出）数据结构，用于任务间或中断与任务之间的数据通信。

创建队列

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize);

uxQueueLength：队列能容纳的最大项目数
uxItemSize：每个项目的大小（字节）

发送数据到队列

xQueueSend(xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait);

xTicksToWait = 0：非阻塞发送
portMAX_DELAY：阻塞直到成功（需要开启阻塞API支持）

从队列接收数据

xQueueReceive(xQueue, pvBuffer, xTicksToWait);

3 信号量（Semaphore）

信号量用于任务之间的同步与资源访问控制。FreeRTOS 提供多种类型的信号量：

1. 二值信号量

用于同步事件或中断信号（如“电话亭”模型）。

创建：xSemaphoreCreateBinary();
获取：xSemaphoreTake(xSemaphore, xBlockTime);
释放：xSemaphoreGive(xSemaphore);

特点：同一任务在未释放时无法再次获取。

2. 互斥信号量（Mutex）

适用于保护共享资源的访问（如外设、内存等），防止资源冲突。

创建：xSemaphoreCreateMutex();

特性：只有获得互斥锁的任务才能释放，错误释放会引发死锁。

3. 计数型信号量

用于资源计数或控制并发数量（如“停车位”模型）。

创建：xSemaphoreCreateCounting(uxMaxCount, uxInitialCount);
当前剩余资源数：uxSemaphoreGetCount(xSemaphore);

4. 递归互斥信号量

允许任务在同一段逻辑中多次获取锁，每次获取必须匹配对应释放。

创建：xSemaphoreCreateRecursiveMutex();
获取：xSemaphoreTakeRecursive(xMutex, xBlockTime);
释放：xSemaphoreGiveRecursive(xMutex);

1.4.4 软件定时器（Software Timer）

软件定时器用于延迟或周期性执行某些任务函数，非阻塞式。

创建软件定时器

TimerHandle_t xTimerCreate(
const char * const pcTimerName,
TickType_t xTimerPeriodInTicks,
UBaseType_t uxAutoReload, // pdTRUE: 周期性；pdFALSE: 单次
void * const pvTimerID,
TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction // 定时器回调
);

定时器启动需要调用 xTimerStart()。系统时间片通过 configTICK_RATE_HZ 定义（常设为 1000，即1ms一tick）。

5 事件标志组（Event Group）

事件标志组提供位操作机制，适用于多事件同步（例如 KEY1 & KEY2 -> LED1_ON）。

创建与设置

创建：xEventGroupCreate();
设置标志位：xEventGroupSetBits(xEventGroup, uxBitsToSet);

等待事件位满足

xEventGroupWaitBits( xEventGroup, uxBitsToWaitFor, xClearOnExit, // 是否在退出时清除标志位 xWaitForAllBits, // 全部满足 vs 任一满足 xTicksToWait );

1.4.6 任务通知（Task Notification）

任务通知是一种轻量级的通信机制，比队列和信号量更高效（最多支持32位通知值）。

发送通知（中断中）

xTaskNotifyFromISR(xTaskToNotify, ulValue, eAction, pxHigherPriorityTaskWoken);

ulValue：通知值
eAction：通知模式（如覆盖、累加）
pxHigherPriorityTaskWoken：用于中断上下文切换判断

等待通知

xTaskNotifyWait( ulBitsToClearOnEntry, ulBitsToClearOnExit, pulNotificationValue, xTicksToWait );

使用任务通知可高效地替代传统信号量、事件等机制。

附：常用FreeRTOS配置参数说明

宏定义	含义
`configMAX_PRIORITIES`	最大优先级数（通常为5或更高）
`configMINIMAL_STACK_SIZE`	任务最小栈大小（128即为512字节）
`configMAX_TASK_NAME_LEN`	任务名最大长度（常为16）
`configTICK_RATE_HZ`

下面是一个完整、结构清晰的 FreeRTOS Demo 示例代码，包含了任务创建、启动任务调度的基本流程，适合初学者参考：

✅ 示例：FreeRTOS任务创建与调度启动（主函数中）

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <stdio.h>// 任务句柄（可选）
TaskHandle_t Task1Handle = NULL;
TaskHandle_t Task2Handle = NULL;// 任务函数定义
void Task1(void *pvParameters)
{while (1){printf("Task 1 is running...\n");vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 延时1000ms}
}void Task2(void *pvParameters)
{while (1){printf("Task 2 is running...\n");vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时500ms}
}// 主函数
int main(void)
{// 创建任务1xTaskCreate(Task1,                   // 任务函数"Task1",                 // 任务名（调试用）128,                     // 堆栈大小（单位为字，128 x 4 = 512字节）NULL,                    // 参数2,                       // 优先级（范围：0 ~ configMAX_PRIORITIES-1）&Task1Handle             // 任务句柄);// 创建任务2xTaskCreate(Task2,"Task2",128,NULL,1,                       // 优先级低于Task1&Task2Handle);// 启动任务调度器vTaskStartScheduler();// 永远不会运行到这里，除非堆栈不足或调度器启动失败while (1);
}

🔍 说明

xTaskCreate()：注册任务并准备调度，必须在 vTaskStartScheduler() 前调用。
vTaskDelay()：实现任务延时，使用 pdMS_TO_TICKS() 宏可避免硬编码。
vTaskStartScheduler()：启动调度器，之后 FreeRTOS 会自动管理任务切换。

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