02 - 任务管理与调度

任务（Task）是 FreeRTOS 中最核心的概念。每个任务都是一个独立的执行流，有自己的栈空间和优先级，调度器负责决定哪个任务获得 CPU。

任务状态

任务永远处于以下四种状态之一：

状态	含义
运行态（Running）	当前正在占用 CPU 执行
就绪态（Ready）	可以运行，正在等待 CPU
阻塞态（Blocked）	等待某个事件（延时到期、队列数据、信号量等）
挂起态（Suspended）	被显式挂起，调度器完全不考虑它

状态转换图

         创建
          │
          ▼
       ┌──────┐  等待事件   ┌────────┐
       │ 就绪  │──────────▶│ 阻塞    │
       │(Ready)│◀──────────│(Blocked)│
       └──┬───┘  事件到达   └────────┘
          │                     │
   调度器选中│                     │(被抢占/时间片到)
          ▼                     │
       ┌──────┐                 │
       │ 运行  │─────────────────┘
       │(Run) │
       └──┬───┘
          │ vTaskSuspend()
          ▼
       ┌────────┐
       │  挂起   │  vTaskResume()
       │(Suspend)│──────────▶ 就绪态
       └────────┘

阻塞态的两种等待

任务阻塞时，通常在等两类事件：

1. 时间事件：延时到期（如 vTaskDelay(500)），或到达绝对时间
2. 同步事件：数据到达队列、信号量被释放、事件组 bit 被置位、收到任务通知等

任务可以同时等两种事件：设置超时时间。例如”等队列数据最多等 100ms”，100ms 内数据到了就处理，到了还没到就超时退出阻塞。

挂起态

进入挂起态只能通过 vTaskSuspend()，退出只能通过 vTaskResume() 或 xTaskResumeFromISR()。大多数应用不使用挂起态。

创建任务

BaseType_t xTaskCreate(
    TaskFunction_t pvTaskCode,      // 任务函数指针（函数名）
    const char * const pcName,      // 任务名称（调试用）
    configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 栈深度（字数，不是字节数）
    void *pvParameters,             // 传给任务的参数
    UBaseType_t uxPriority,         // 优先级（0最低，configMAX_PRIORITIES-1最高）
    TaskHandle_t *pxCreatedTask     // 出参：任务句柄（后续操作用）
);

返回值：pdPASS 创建成功；errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY（即 pdFAIL）堆内存不足。

栈深度单位

usStackDepth 的单位是 字（word），不是字节。在 32 位 MCU（如 Cortex-M）上 1 字 = 4 字节。usStackDepth=128 实际分配 512 字节栈空间。

六种创建 API

API	内存分配方式	说明
xTaskCreate()	动态分配（堆）	最常用
xTaskCreateStatic()	静态分配（用户提供内存）	不使用堆
xTaskCreateRestricted()	动态+MPU限制	需要内存保护单元
xTaskCreateRestrictedStatic()	静态+MPU限制
xTaskCreateAffinitySet()	动态+指定核心	SMP 多核用
xTaskCreateStaticAffinitySet()	静态+指定核心	SMP 多核用

名称带 Static 的版本需要你预先提供栈和 TCB 的内存，不从堆分配；不带 Static 的从堆里动态分配。

任务函数模板

void vMyTask(void *pvParameters)
{
    // pvParameters 就是创建时传入的参数，可以强转成需要的类型
    int myParam = (int)pvParameters;

    for(;;)  // 任务必须是死循环，不能 return
    {
        // 任务逻辑
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }

    // 如果确实要退出，必须调用 vTaskDelete(NULL) 删除自己
    vTaskDelete(NULL);
}

空闲任务（Idle Task）

调用 vTaskStartScheduler() 时，内核自动创建一个优先级为 0 的空闲任务，它永远处于就绪态（死循环），保证系统至少有一个任务能运行。

空闲任务的职责：

1. 释放被删除任务的 TCB 和栈内存（如果任务自己删除自己，内存由空闲任务回收）
2. 执行空闲钩子函数（如果配置了）
3. 如果没有其他任务就绪，CPU 就跑空闲任务（可进入低功耗模式）

空闲钩子函数

通过 vApplicationIdleHook() 可以在空闲任务每次循环中插入自定义逻辑：

void vApplicationIdleHook(void)
{
    // 每次空闲任务循环都会调用这里
    // 可以放：低功耗进入、简单指示灯、CPU 利用率统计
}

需要在 FreeRTOSConfig.h 中设置 configUSE_IDLE_HOOK = 1。

空闲钩子的红线

• 绝不能阻塞或挂起（否则系统可能没有可运行任务）
• 如果应用任务调用了 vTaskDelete() 删除自己，空闲钩子必须尽快返回，让空闲任务有机会清理内存
• 尽量短小，不要做耗时操作

优先级管理

// 获取任务优先级，传 NULL 表示获取当前任务自己的优先级
UBaseType_t uxPriority = uxTaskPriorityGet(NULL);

// 设置任务优先级
vTaskPrioritySet(xTask1Handle, uxPriority + 1);

• 优先级范围：0（最低）到 configMAX_PRIORITIES - 1（最高）
• 超过最大值会被自动截断到 configMAX_PRIORITIES - 1
• FreeRTOS 支持任务在运行中动态修改自己或其他任务的优先级

删除任务

// 需要 INCLUDE_vTaskDelete = 1
vTaskDelete(xTask1Handle);  // 删除指定任务
vTaskDelete(NULL);          // 删除自己

内存释放

• 内核自动分配的内存（TCB+栈）由空闲任务负责回收
• 任务自己分配的内存（pvPortMalloc、打开的文件、外设句柄等）不会自动释放，必须在删除前手动释放
• 因此，频繁创建/删除任务容易导致内存碎片，建议用”任务池”模式或静态创建

调度算法

FreeRTOS 是固定优先级抢占式调度器，通过两个配置项控制调度行为：

配置宏	值	效果
configUSE_PREEMPTION	1	启用抢占（高优先级任务就绪后立即抢占低优先级）
configUSE_PREEMPTION	0	协作式（任务必须主动让出 CPU）
configUSE_TIME_SLICING	1	同优先级时间片轮转
configUSE_TIME_SLICING	0	同优先级不轮转，直到任务主动阻塞或让出

三种调度组合：

调度方式	抢占	时间片	特点
抢占式+时间片	✅	✅	默认配置，最常用
抢占式+无时间片	✅	❌	高优先级立即抢占，同优先级不自动切换
协作式	❌	任意	必须任务主动让出，不推荐新项目使用

抢占式调度的关键规则

1. 高优先级永远先执行：只要有高优先级任务处于就绪态，低优先级任务就不会获得 CPU
2. 抢占随时发生：不仅在 Tick 中断中，中断退出时、释放信号量时、发送队列时都可能触发抢占
3. 同优先级轮转：开启时间片后，同优先级任务每个 Tick 切换一次（时间片长度 = 1 / configTICK_RATE_HZ）

延时：vTaskDelay vs vTaskDelayUntil

// 相对延时：从调用时起，延迟 N 个 tick
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));

// 绝对延时：保证固定周期执行，不会漂移
vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(500));

周期性任务用 vTaskDelayUntil

vTaskDelay(500) 是”这次执行完，再等 500ms”，如果任务执行本身花了时间，周期会越来越漂移。 vTaskDelayUntil() 记录上次唤醒时间，下次唤醒以这个时间点为基准计算，保证绝对周期精度。

---

下一步：03-队列

相关：04-中断处理 ｜ 09-内存管理 ｜ 10-FreeRTOSConfig配置 ｜ 返回目录