FreeRTOS的任務優先級、Tick以及狀態講解（尊敬的嵌入式工程師，不妨進來喝杯茶）

任務優先級和Tick

????????在FreeRTOS中，任務的優先級和Tick是兩個關鍵的概念，它們直接影響任務的調度和執行。

任務優先級

????????每個任務都被分配一個優先級，用于決定任務在系統中的調度順序。

????????優先級是一個無符號整數，通常從0開始，數值越小，優先級越高。最高優先級是0，最低是configMAX_PRIORITIES - 1。

????????優先級的取值范圍是：0~(configMAX_PRIORITIES – 1)，數值越大優先級越高。

????????FreeRTOS的調度器可以使用2種方法來快速找出優先級最高的、可以運行的任務。使用不同的方法時，configMAX_PRIORITIES 的取值有所不同。

（1）通用方法
????????使用C函數實現，對所有的架構都是同樣的代碼。對configMAX_PRIORITIES的取值沒有限制。但是configMAX_PRIORITIES的取值還是盡量小，因為取值越大越浪費內存，也浪費時間。configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定義為0、或者未定義時，使用此方法。
（2）架構相關的優化的方法
????????架構相關的匯編指令，可以從一個32位的數里快速地找出為1的最高位。使用這些指令，可以快速找出優先級最高的、可以運行的任務。使用這種方法時，configMAX_PRIORITIES的取值不能超過32。configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION被定義為1時，使用此方法。

????????在FreeRTOS中，優先級為0的任務是IDLE任務，用于在沒有其他任務執行時占用CPU。

????????任務的創建時通過指定參數設置任務的優先級，如下所示：

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

Tick

????????Tick是FreeRTOS內核用于計時和任務調度的基本時間單元。

????????FreeRTOS通過硬件定時器或者軟件定時器，每隔一定時間（即Tick間隔）產生一次中斷。

????????Tick的間隔由configTICK_RATE_HZ定義，它表示每秒鐘產生的Tick數。

關系

????????任務的調度是基于優先級的，具有更高優先級的任務將在具有較低優先級的任務之前執行。

????????Tick間隔決定了系統時鐘的精度，同時也影響了任務的延時和時間控制。

????????任務在等待一定時間或進行延時時，使用vTaskDelay()等函數，參數是以Tick為單位的時間。

vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 暫停任務100ms

????????任務的優先級和Tick的概念結合在一起，形成了FreeRTOS中任務調度和時間控制的基礎。通過調整任務的優先級和配置Tick的間隔，可以靈活地控制系統中任務的執行順序和時間行為。

????????以下是一個基于FreeRTOS的STM32F103芯片的簡單優先級實驗案例代碼。該例子創建了兩個任務，分別以不同的優先級運行，以演示優先級如何影響任務的調度。

#include "stm32f1xx.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 函數原型
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);// 任務函數
TaskHandle_t Task1_Handle, Task2_Handle;void vTask1(void *pvParameters) {while (1) {// 任務1的處理邏輯HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 切換LED狀態vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 每隔1秒執行一次}
}void vTask2(void *pvParameters) {while (1) {// 任務2的處理邏輯vTaskDelay(2000 / portTICK_PERIOD_MS); // 每隔2秒執行一次}
}int main(void) {// 硬件初始化HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();// 創建任務1（優先級1）xTaskCreate(vTask1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &Task1_Handle);// 創建任務2（優先級2）xTaskCreate(vTask2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, &Task2_Handle);// 啟動調度器vTaskStartScheduler();// 代碼不應該運行到這里，如果運行到這里說明發生了錯誤while (1) {// 處理錯誤}
}// 系統時鐘配置
void SystemClock_Config(void) {
}// GPIO初始化
static void MX_GPIO_Init(void) {
}

????????在這個例子中，任務1和任務2分別在不同的時間間隔內切換LED的狀態。任務1的優先級較高，它每隔1秒執行一次，而任務2的優先級較低，它每隔2秒執行一次。

任務狀態

????????在FreeRTOS中，較高優先級的任務將優先于較低優先級的任務執行。任務優先級是通過任務創建時指定的參數來設置的（在xTaskCreate函數的第5個參數）。在這個案例中，任務1的優先級為1，任務2的優先級為2。

????????FreeRTOS中的任務可以處于不同的狀態，這些狀態反映了任務在系統中的執行階段。任務的狀態是通過eTaskState枚舉類型表示的，定義在task.h頭文件中。以下是任務可能的狀態：

????????eRunning（運行中）：任務正在執行。這是任務處于活動狀態的時候。

????????eReady（就緒）：任務已經準備好執行，但由于有其他高優先級任務在運行，該任務暫時沒有被調度。

????????eBlocked（阻塞）：任務由于等待某些事件而被阻塞，例如等待定時器、消息隊列、信號量等。

????????eSuspended（掛起）：任務被顯式地掛起，不再參與調度。

????????eDeleted（已刪除）：任務已被刪除，但其資源尚未被釋放。

????????eInvalid（無效）：無效狀態，通常用于表示錯誤或未知狀態。

你可以使用eTaskGetState函數來獲取任務的當前狀態。以下是一個示例代碼：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"TaskHandle_t xTaskHandle;void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任務的處理邏輯}
}int main(void) {// 創建任務xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);// 啟動調度器vTaskStartScheduler();// 代碼不應該運行到這里，如果運行到這里說明發生了錯誤while (1) {// 處理錯誤}
}void vApplicationIdleHook(void) {// 空閑鉤子函數eTaskState taskState = eTaskGetState(xTaskHandle);switch (taskState) {case eRunning:// 任務正在運行break;case eReady:// 任務就緒break;case eBlocked:// 任務被阻塞break;case eSuspended:// 任務被掛起break;case eDeleted:// 任務已刪除break;case eInvalid:// 無效狀態break;}
}

????????在這個例子中，vApplicationIdleHook是一個空閑鉤子函數，用于在系統空閑時檢查任務的狀態。函數eTaskGetState返回任務的當前狀態，然后可以根據任務的狀態進行相應的處理。

阻塞狀態（Blocked State）

????????在FreeRTOS中，任務的阻塞狀態（Blocked State）表示任務由于等待某些事件而無法執行。任務可以因為多種原因而被阻塞，包括等待定時器、等待消息隊列、等待信號量等。當任務處于阻塞狀態時，它將不會被調度執行，直到滿足了其阻塞條件。

????????以下是幾個常見的阻塞狀態的示例：

????????等待定時器：

// 創建定時器
TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate("MyTimer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, 0, vTimerCallback);// 啟動定時器，在任務中使用xTimerPendFunctionCallFromISR等函數
xTimerStart(xTimer, 0);

????????在任務中可能會使用xTimerPendFunctionCallFromISR等函數等待定時器的超時事件。

????????等待消息隊列：

// 創建消息隊列
QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(int));// 在任務中等待消息隊列
xQueueReceive(xQueue, &data, portMAX_DELAY);

????????任務通過xQueueReceive函數等待消息隊列中的消息，如果隊列為空，任務將被阻塞，直到隊列中有數據。

????????等待信號量：

// 創建信號量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 在任務中等待信號量
xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

????????任務通過xSemaphoreTake函數等待信號量，如果信號量被其他任務取得，當前任務將被阻塞，直到信號量可用。

????????在上述示例中，portMAX_DELAY表示任務將一直等待，直到滿足其阻塞條件為止。任務也可以使用超時值來設置阻塞的最大等待時間。一旦阻塞條件得到滿足，任務將被置為就緒狀態，等待調度器調度執行。

暫停狀態（Suspended State）

????????在FreeRTOS中，任務的暫停狀態（Suspended State）表示任務被顯式地掛起，使得該任務不再參與調度，即不會被執行。任務在創建后可以通過調用vTaskSuspend()函數將其掛起，然后通過調用vTaskResume()函數將其恢復執行。

以下是一個簡單的示例代碼，演示了任務的暫停和恢復：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"TaskHandle_t xTaskHandle;void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任務的處理邏輯}
}int main(void) {// 創建任務xTaskCreate(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, &xTaskHandle);// 啟動調度器vTaskStartScheduler();// 代碼不應該運行到這里，如果運行到這里說明發生了錯誤while (1) {// 處理錯誤}
}// 在某個事件或條件下掛起任務
void vSuspendTask(void) {vTaskSuspend(xTaskHandle);
}// 在某個事件或條件下恢復任務
void vResumeTask(void) {vTaskResume(xTaskHandle);
}

????????在這個例子中，vTaskSuspend()函數用于掛起任務，vTaskResume()函數用于恢復任務。通常，這樣的操作可以用于在某些條件滿足或事件發生時掛起任務，然后在其他條件下恢復任務的執行。

????????需要注意的是，掛起任務不會立即停止任務的執行，而是在任務下一次被調度執行時生效。此外，掛起任務并不會釋放任務所占用的資源，因此在使用這些函數時需要謹慎，以免引起資源泄漏。

就緒狀態(Ready)

????????在FreeRTOS中，任務的就緒狀態（Ready State）表示任務已經準備好被調度執行，但由于有其他高優先級的任務正在運行，該任務暫時還未被調度。

????????在FreeRTOS中，任務被創建后，它的狀態一開始就是就緒狀態，等待調度器來選擇合適的時機執行它。任務的就緒狀態可以由以下幾種情況觸發：

????????任務創建：任務被創建后，會進入就緒狀態，等待調度執行。

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

????????任務掛起狀態解除：任務從掛起狀態（Suspended State）被恢復后，會進入就緒狀態。

vTaskResume(xTaskHandle);

????????等待事件結束：任務等待某個事件的發生，一旦事件發生，任務從阻塞狀態切換到就緒狀態。

xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);

????????任務等待定時器超時：任務等待一個定時器超時，一旦超時，任務從阻塞狀態切換到就緒狀態。

xTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);

????????在以上例子中，xTaskCreate創建了一個任務，vTaskResume恢復了一個掛起的任務，xSemaphoreTake和xTaskDelay是任務等待事件或超時的示例。

????????任務的就緒狀態是由FreeRTOS調度器根據任務的優先級和調度算法來決定的。當調度器判定某個任務處于就緒狀態時，該任務將會被調度器選中，并執行相應的任務函數。