FreeRTOS的任务优先级、Tick以及状态讲解（尊敬的嵌入式工程师，不妨进来喝杯茶）-编程知识

任务优先级和Tick

在FreeRTOS中，任务的优先级和Tick是两个关键的概念，它们直接影响任务的调度和执行。

任务优先级

每个任务都被分配一个优先级，用于决定任务在系统中的调度顺序。

优先级是一个无符号整数，通常从0开始，数值越小，优先级越高。最高优先级是0，最低是configMAX_PRIORITIES - 1。

优先级的取值范围是：0~(configMAX_PRIORITIES – 1)，数值越大优先级越高。

FreeRTOS的调度器可以使用2种方法来快速找出优先级最高的、可以运行的任务。使用不同的方法时，configMAX_PRIORITIES 的取值有所不同。

（1）通用方法
使用C函数实现，对所有的架构都是同样的代码。对configMAX_PRIORITIES的取值没有限制。但是configMAX_PRIORITIES的取值还是尽量小，因为取值越大越浪费内存，也浪费时间。configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定义为0、或者未定义时，使用此方法。
（2）架构相关的优化的方法
架构相关的汇编指令，可以从一个32位的数里快速地找出为1的最高位。使用这些指令，可以快速找出优先级最高的、可以运行的任务。使用这种方法时，configMAX_PRIORITIES的取值不能超过32。configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定义为1时，使用此方法。

在FreeRTOS中，优先级为0的任务是IDLE任务，用于在没有其他任务执行时占用CPU。

任务的创建时通过指定参数设置任务的优先级，如下所示：

xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &Task1_Handle);

Tick

Tick是FreeRTOS内核用于计时和任务调度的基本时间单元。

FreeRTOS通过硬件定时器或者软件定时器，每隔一定时间（即Tick间隔）产生一次中断。

Tick的间隔由configTICK_RATE_HZ定义，它表示每秒钟产生的Tick数。

关系

任务的调度是基于优先级的，具有更高优先级的任务将在具有较低优先级的任务之前执行。

Tick间隔决定了系统时钟的精度，同时也影响了任务的延时和时间控制。

任务在等待一定时间或进行延时时，使用vTaskDelay()等函数，参数是以Tick为单位的时间。

vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 暂停任务100ms

任务的优先级和Tick的概念结合在一起，形成了FreeRTOS中任务调度和时间控制的基础。通过调整任务的优先级和配置Tick的间隔，可以灵活地控制系统中任务的执行顺序和时间行为。

以下是一个基于FreeRTOS的STM32F103芯片的简单优先级实验案例代码。该例子创建了两个任务，分别以不同的优先级运行，以演示优先级如何影响任务的调度。

#include "stm32f1xx.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 函数原型
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);// 任务函数
TaskHandle_t Task1_Handle, Task2_Handle;void vTask1(void *pvParameters) {while (1) {// 任务1的处理逻辑HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 切换LED状态vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 每隔1秒执行一次}
}void vTask2(void *pvParameters) {while (1) {// 任务2的处理逻辑vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS); // 每隔2秒执行一次}
}int main(void) {// 硬件初始化HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();// 创建任务1（优先级1）xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &Task1_Handle);// 创建任务2（优先级2）xTaskCreate(vTask2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, &Task2_Handle);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 代码不应该运行到这里，如果运行到这里说明发生了错误while (1) {// 处理错误}
}// 系统时钟配置
void SystemClock_Config(void) {
}// GPIO初始化
static void MX_GPIO_Init(void) {
}

在这个例子中，任务1和任务2分别在不同的时间间隔内切换LED的状态。任务1的优先级较高，它每隔1秒执行一次，而任务2的优先级较低，它每隔2秒执行一次。

任务状态

在FreeRTOS中，较高优先级的任务将优先于较低优先级的任务执行。任务优先级是通过任务创建时指定的参数来设置的（在xTaskCreate函数的第5个参数）。在这个案例中，任务1的优先级为1，任务2的优先级为2。

FreeRTOS中的任务可以处于不同的状态，这些状态反映了任务在系统中的执行阶段。任务的状态是通过eTaskState枚举类型表示的，定义在task.h头文件中。以下是任务可能的状态：

eRunning（运行中）：任务正在执行。这是任务处于活动状态的时候。

eReady（就绪）：任务已经准备好执行，但由于有其他高优先级任务在运行，该任务暂时没有被调度。

eBlocked（阻塞）：任务由于等待某些事件而被阻塞，例如等待定时器、消息队列、信号量等。

eSuspended（挂起）：任务被显式地挂起，不再参与调度。

eDeleted（已删除）：任务已被删除，但其资源尚未被释放。

eInvalid（无效）：无效状态，通常用于表示错误或未知状态。

你可以使用eTaskGetState函数来获取任务的当前状态。以下是一个示例代码：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"TaskHandle_t xTaskHandle;void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任务的处理逻辑}
}int main(void) {// 创建任务xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 代码不应该运行到这里，如果运行到这里说明发生了错误while (1) {// 处理错误}
}void vApplicationIdleHook(void) {// 空闲钩子函数eTaskState taskState = eTaskGetState(xTaskHandle);switch (taskState) {case eRunning:// 任务正在运行break;case eReady:// 任务就绪break;case eBlocked:// 任务被阻塞break;case eSuspended:// 任务被挂起break;case eDeleted:// 任务已删除break;case eInvalid:// 无效状态break;}
}

在这个例子中，vApplicationIdleHook是一个空闲钩子函数，用于在系统空闲时检查任务的状态。函数eTaskGetState返回任务的当前状态，然后可以根据任务的状态进行相应的处理。

阻塞状态（Blocked State）

在FreeRTOS中，任务的阻塞状态（Blocked State）表示任务由于等待某些事件而无法执行。任务可以因为多种原因而被阻塞，包括等待定时器、等待消息队列、等待信号量等。当任务处于阻塞状态时，它将不会被调度执行，直到满足了其阻塞条件。

以下是几个常见的阻塞状态的示例：

等待定时器：

// 创建定时器
TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate("MyTimer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, 0, vTimerCallback);// 启动定时器，在任务中使用xTimerPendFunctionCallFromISR等函数
xTimerStart(xTimer, 0);

在任务中可能会使用xTimerPendFunctionCallFromISR等函数等待定时器的超时事件。

等待消息队列：

// 创建消息队列
QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(int));// 在任务中等待消息队列
xQueueReceive(xQueue, &data, portMAX_DELAY);

任务通过xQueueReceive函数等待消息队列中的消息，如果队列为空，任务将被阻塞，直到队列中有数据。

等待信号量：

// 创建信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 在任务中等待信号量
xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

任务通过xSemaphoreTake函数等待信号量，如果信号量被其他任务取得，当前任务将被阻塞，直到信号量可用。

在上述示例中，portMAX_DELAY表示任务将一直等待，直到满足其阻塞条件为止。任务也可以使用超时值来设置阻塞的最大等待时间。一旦阻塞条件得到满足，任务将被置为就绪状态，等待调度器调度执行。

暂停状态（Suspended State）

在FreeRTOS中，任务的暂停状态（Suspended State）表示任务被显式地挂起，使得该任务不再参与调度，即不会被执行。任务在创建后可以通过调用vTaskSuspend()函数将其挂起，然后通过调用vTaskResume()函数将其恢复执行。

以下是一个简单的示例代码，演示了任务的暂停和恢复：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"TaskHandle_t xTaskHandle;void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任务的处理逻辑}
}int main(void) {// 创建任务xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 代码不应该运行到这里，如果运行到这里说明发生了错误while (1) {// 处理错误}
}// 在某个事件或条件下挂起任务
void vSuspendTask(void) {vTaskSuspend(xTaskHandle);
}// 在某个事件或条件下恢复任务
void vResumeTask(void) {vTaskResume(xTaskHandle);
}

在这个例子中，vTaskSuspend()函数用于挂起任务，vTaskResume()函数用于恢复任务。通常，这样的操作可以用于在某些条件满足或事件发生时挂起任务，然后在其他条件下恢复任务的执行。

需要注意的是，挂起任务不会立即停止任务的执行，而是在任务下一次被调度执行时生效。此外，挂起任务并不会释放任务所占用的资源，因此在使用这些函数时需要谨慎，以免引起资源泄漏。

就绪状态(Ready)

在FreeRTOS中，任务的就绪状态（Ready State）表示任务已经准备好被调度执行，但由于有其他高优先级的任务正在运行，该任务暂时还未被调度。

在FreeRTOS中，任务被创建后，它的状态一开始就是就绪状态，等待调度器来选择合适的时机执行它。任务的就绪状态可以由以下几种情况触发：

任务创建：任务被创建后，会进入就绪状态，等待调度执行。

xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);

任务挂起状态解除：任务从挂起状态（Suspended State）被恢复后，会进入就绪状态。

vTaskResume(xTaskHandle);

等待事件结束：任务等待某个事件的发生，一旦事件发生，任务从阻塞状态切换到就绪状态。

xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

任务等待定时器超时：任务等待一个定时器超时，一旦超时，任务从阻塞状态切换到就绪状态。

xTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);

在以上例子中，xTaskCreate创建了一个任务，vTaskResume恢复了一个挂起的任务，xSemaphoreTake和xTaskDelay是任务等待事件或超时的示例。

任务的就绪状态是由FreeRTOS调度器根据任务的优先级和调度算法来决定的。当调度器判定某个任务处于就绪状态时，该任务将会被调度器选中，并执行相应的任务函数。