9. 空闲任务与阻塞延时的实现

在上一章节中，任务体内的延时使用的是软件延时，即还是让CPU空等来达到延时的效果。使用RTOS的很大优势就是榨干CPU的性能，永远不能让它闲着，任务如果需要延时也就不能再让CPU空等来实现延时的效果。RTOS中的延时叫阻塞延时，即任务需要延时的时候，任务会放弃CPU的使用权，CPU可以去干其它的事情 ，当任务延时时间到，重新获取CPU使用权，任务继续运行，这样就充分地利用了CPU的资源，而不是干等着。

当任务需要延时，进入阻塞状态，那CPU又去干什么事情了？如果没有其它任务可以运行，RTOS都会为CPU创建一个空闲任务，这个时候CPU就运行空闲任务。在FreeRTOS中，空闲任务是系统在【启动调度器】的时候创建的优先级最低的任务，空闲任务主体主要是做一些系统内存的清理工作。但是为了简单起见，我们本 章实现的空闲任务只是对一个全局变量进行计数。鉴于空闲任务的这种特性，在实际应用中，当系统进入空闲任务的时候，可在空闲任务中让单片机进入休眠或者低功耗等操作。

9.1. 实现空闲任务

目前我们在创建任务时使用的栈和TCB都使用的是静态的内存，即需要预先定义好内存，空闲任务也不例外。有关空闲任务的栈和TCB需要用到的内存空间均在main.c中定义。

9.1.1. 定义空闲任务的栈

空闲任务的栈在我们在main.c中定义，具体见 代码清单:阻塞延时-1。

代码清单:阻塞延时-1定义空闲任务的栈
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/* 定义空闲任务的栈 */
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    ( ( unsigned short ) 128 )(2)
StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];(1)

  • 代码清单:阻塞延时-1 (1)：空闲任务的栈是一个定义好的数组，大小由FreeRTOSConfig.h中定义的 宏configMINIMAL_STACK_SIZE控制，默认为128，单位为字，即512个字节。

9.1.2. 定义空闲任务的任务控制块

任务控制块是每一个任务必须的，空闲任务的的任务控制块我们在main.c中定义，是一个全局变量，具体见 代码清单:阻塞延时-2。

代码清单:阻塞延时-2定义空闲任务的任务控制块
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/* 定义空闲任务的任务控制块 */
TCB_t IdleTaskTCB;

9.1.3. 创建空闲任务

当定义好空闲任务的栈，任务控制块后，就可以创建空闲任务。空闲任务在调度器启动函数vTaskStartScheduler()中创建，具体 实现见 代码清单:阻塞延时-3 的高亮部分。

代码清单:阻塞延时-3创建空闲任务
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extern TCB_t IdleTaskTCB;
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
uint32_t *pulIdleTaskStackSize );
void vTaskStartScheduler( void )
{
/*=======================创建空闲任务start=======================*/
    TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;         /* 用于指向空闲任务控制块 */
    StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL; /* 用于空闲任务栈起始地址 */
uint32_t ulIdleTaskStackSize;

/* 获取空闲任务的内存：任务栈和任务TCB */(1)
    vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer,
&pxIdleTaskStackBuffer,
&ulIdleTaskStackSize );
/* 创建空闲任务 */ (2)
    xIdleTaskHandle =
    xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,    /* 任务入口 */
                    (char *)"IDLE",             /* 任务名称，字符串形式 */
                    (uint32_t)ulIdleTaskStackSize ,  /* 任务栈大小，单位为字 */
                    (void *) NULL,                   /* 任务形参 */
                    (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer, /* 任务栈起始地址 */
                    (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer ); /* 任务控制块 */
/* 将任务添加到就绪列表 */(3)
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ),
&( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
/*==========================创建空闲任务end=====================*/

/* 手动指定第一个运行的任务 */
    pxCurrentTCB = &Task1TCB;

/* 启动调度器 */
if ( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
/* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */
    }
}

  • 代码清单:阻塞延时-3 (1)：获取空闲任务的内存，即将pxIdleTaskTCBBuffer和pxIdleTaskStackBuffer这两个接下来 要作为形参传到xTaskCreateStatic()函数的指针分别指向空闲任务的TCB和栈的起始地址，这个操作由函数vApplicationGe tIdleTaskMemory()来实现，该函数需要用户自定义，目前我们在main.c中实现，具体见 代码清单:阻塞延时-4。

代码清单:阻塞延时-4vApplicationGetIdleTaskMemory()函数
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void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
    *ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;
    *ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack;
    *pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}

  • 代码清单:阻塞延时-3 (2)：调用xTaskCreateStatic()函数创建空闲任务。

  • 代码清单:阻塞延时-3 (3)：将空闲任务插入到就绪列表的开头。在下一章我们会支持优先级，空闲任务默认的优先级是 最低的，即排在就绪列表的开头。

9.2. 实现阻塞延时

9.2.1. vTaskDelay()函数

阻塞延时的阻塞是指任务调用该延时函数后，任务会被剥离CPU使用权，然后进入阻塞状态，直到延时结束，任务重新获取CPU使用权才 可以继续运行。在任务阻塞的这段时间，CPU可以去执行其他的任务，如果其他的任务也在延时状态，那么CPU就将运行空闲任务。阻塞 延时函数在task.c中定义，具体代码实现见 代码清单:阻塞延时-5。

代码清单:阻塞延时-5vTaskDelay()函数
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void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;

/* 获取当前任务的TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;(1)

/* 设置延时时间 */
    pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;(2)

/* 任务切换 */
    taskYIELD();(3)
}

  • 代码清单:阻塞延时-5 (1)：获取当前任务的任务控制块。pxCurrentTCB是一个在task.c定义的全局指针，用于指向 当前正在运行或者即将要运行的任务的任务控制块。

  • 代码清单:阻塞延时-5 (2)：xTicksToDelay是任务控制块的一个成员，用于记录任务需要延时的时间，单位为SysTick 的中断周期。比如我们本书当中SysTick的中断周期为10ms，调用vTaskDelay(2)则完成2*10ms的延时。xTicksToDelay定义具 体见 代码清单:阻塞延时-6 的高亮部分。

代码清单:阻塞延时-6xTicksToDelay定义
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typedefstruct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */

    ListItem_t              xStateListItem;   /* 任务节点 */

    StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 */
/* 任务名称，字符串形式 */
char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];

    TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */
} tskTCB;

9.2.2. 修改vTaskSwitchContext()函数

  • 代码清单:阻塞延时-5 (3)：任务切换。调用tashYIELD()会产生PendSV中断，在PendSV中断服务函数中会调用上下文切换 函数vTaskSwitchContext()，该函数的作用是寻找最高优先级的就绪任务，然后更新pxCurrentTCB。上一章我们只有两个任务，则 pxCurrentTCB不是指向任务1就是指向任务2，本章节开始我们多增加了一个空闲任务，则需要让pxCurrentTCB在这三个任务中切换， 算法需要改变，具体实现见 代码清单:阻塞延时-7 的高亮部分。

代码清单:阻塞延时-7vTaskSwitchContext()函数
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#if 0
void vTaskSwitchContext( void )
{/* 两个任务轮流切换 */
if ( pxCurrentTCB == &Task1TCB )
    {
        pxCurrentTCB = &Task2TCB;
    }
else
    {
        pxCurrentTCB = &Task1TCB;
    }
}
#else

void vTaskSwitchContext( void )
{
/* 如果当前任务是空闲任务，那么就去尝试执行任务1或者任务2，
看看他们的延时时间是否结束，如果任务的延时时间均没有到期，
那就返回继续执行空闲任务 */
if ( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )(1)
    {
if (Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
        {
            pxCurrentTCB =&Task1TCB;
        }
else if (Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
        {
            pxCurrentTCB =&Task2TCB;
        }
else
        {
return;     /* 任务延时均没有到期则返回，继续执行空闲任务 */
        }
    }
else/* 当前任务不是空闲任务则会执行到这里 */(2)
    {
/*如果当前任务是任务1或者任务2的话，检查下另外一个任务,
如果另外的任务不在延时中，就切换到该任务
否则，判断下当前任务是否应该进入延时状态，
如果是的话，就切换到空闲任务。否则就不进行任何切换 */
if (pxCurrentTCB == &Task1TCB)
        {
if (Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
            {
                pxCurrentTCB =&Task2TCB;
            }
else if (pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
            {
                pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
            }
else
            {
return;     /* 返回，不进行切换，因为两个任务都处于延时中 */
            }
        }
else if (pxCurrentTCB == &Task2TCB)
        {
if (Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
            {
                pxCurrentTCB =&Task1TCB;
            }
else if (pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
            {
                pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
            }
else
            {
return;     /* 返回，不进行切换，因为两个任务都处于延时中 */
            }
        }
    }
}

#endif

  • 代码清单:阻塞延时-7 (1)：如果当前任务是空闲任务，那么就去尝试执行任务1或者任务2，看看他们的延时 时间是否结束，如果任务的延时时间均没有到期，那就返回继续执行空闲任务。

  • 代码清单:阻塞延时-7 (2)：如果当前任务是任务1或者任务2的话，检查下另外一个任务，如果另外的任务不 在延时中，就切换到该任务。否则，判断下当前任务是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲任务，否则就 不进行任何切换。

9.3. SysTick中断服务函数

在任务上下文切换函数vTaskSwitchContext()中，会判断每个任务的任务控制块中的延时成员xTicksToDelay的值是否为0， 如果为0就要将对应的任务就绪，如果不为0就继续延时。如果一个任务要延时，一开始xTicksToDelay肯定不为0， 当xTicksToDelay变为0的时候表示延时结束，那么xTicksToDelay是以什么周期在递减？在哪里递减？在FreeRTOS中，这个 周期由SysTick中断提供，操作系统里面的最小的时间单位就是SysTick的中断周期，我们称之为一个tick，SysTick中断服 务函数在port.c.c中实现，具体见 代码清单:阻塞延时-8 。

代码清单:阻塞延时-8SysTick中断服务函数
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void xPortSysTickHandler( void )
{
/* 关中断 */
    vPortRaiseBASEPRI();(1)

/* 更新系统时基 */
    xTaskIncrementTick();(2)

/* 开中断 */
    vPortClearBASEPRIFromISR();(3)
}

9.3.1. xTaskIncrementTick()函数

代码清单:阻塞延时-9xTaskIncrementTick()函数
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void xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t i = 0;

/* 更新系统时基计数器xTickCount，xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */(1)
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
    xTickCount = xConstTickCount;


/* 扫描就绪列表中所有任务的xTicksToDelay，如果不为0，则减1 */(2)
for (i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
    {
pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
if (pxTCB->xTicksToDelay > 0)
        {
            pxTCB->xTicksToDelay --;
        }
    }

/* 任务切换 */(3)
    portYIELD();
}

9.4. SysTick初始化函数

SSysTick的中断服务函数要想被顺利执行，则SysTick必须先初始化。SysTick初始化函数在port.c中定义，具体见 代码清单:阻塞延时-10。

代码清单:阻塞延时-10vPortSetupTimerInterrupt()函数
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/* SysTick 控制寄存器 */(1)
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG  (*((volatile uint32_t *) 0xe000e010 ))
/* SysTick 重装载寄存器寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG  (*((volatile uint32_t *) 0xe000e014 ))

/* SysTick 时钟源选择 */
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ
#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ
/* 确保SysTick的时钟与内核时钟一致 */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT    ( 1UL << 2UL )
#else
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT    ( 0 )
#endif

#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT                    ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT                 ( 1UL << 0UL )


void vPortSetupTimerInterrupt( void )(2)
{
/* 设置重装载寄存器的值 */(2)-1
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;

/* 设置系统定时器的时钟等于内核时钟(2)-2
使能SysTick 定时器中断
使能SysTick 定时器 */
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
                                portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
                                portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}
代码清单:阻塞延时-11xPortStartScheduler()函数中调用vPortSetupTimerInterrupt()
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BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
/* 配置PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低 */
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

/* 初始化SysTick */
    vPortSetupTimerInterrupt();

/* 启动第一个任务，不再返回 */
    prvStartFirstTask();

/* 不应该运行到这里 */
return 0;
}

  • 代码清单:阻塞延时-10 (2)-1：设置重装载寄存器的值，决定SysTick的中断周期。 从 代码清单:阻塞延时-10 (1)可以知道：如果没有定义configSYSTICK_CLOCK_HZ那 么configSYSTICK_CLOCK_HZ就等于configCPU_CLOCK_HZ，configSYSTICK_CLOCK_HZ确实没 有定义，则configSYSTICK_CLOCK_HZ由在FreeRTOSConfig.h中定义的configCPU_CLOCK_HZ决 定，同时configTICK_RATE_HZ也在FreeRTOSConfig.h中定义，具体见 代码清单:阻塞延时-12。

代码清单:阻塞延时-12configCPU_CLOCK_HZ与configTICK_RATE_HZ宏定义
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#define configCPU_CLOCK_HZ  (( unsigned long ) 25000000)(1)
#define configTICK_RATE_HZ  (( TickType_t ) 100)(2)

  • 代码清单:阻塞延时-12 (1)：系统时钟的大小，因为目前是软件仿真，需要配置成与 system_ARMCM3.c(system_ARMCM4.c或system_ARMCM7.c)文件中的SYSTEM_CLOCK的一样， 即等于25M。如果有具体的硬件，则配置成与硬件的系统时钟一样。

  • 代码清单:阻塞延时-12 (2)：SysTick每秒中断多少次，目前配置为100，即每10ms中断一次。

  • 代码清单:阻塞延时-10 (2)-②：设置系统定时器的时钟等于内核时钟，使能SysTick 定时器中断，使能SysTick 定时器。

9.5. main函数

main函数和任务代码变动不大，具体见 代码清单:阻塞延时-13，有变动部分代码已高亮。

代码清单:阻塞延时-13 main函数
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/*
*************************************************************************
*                             包含的头文件
*************************************************************************
*/
#include"FreeRTOS.h"
#include"task.h"

/*
*************************************************************************
*                              全局变量
*************************************************************************
*/
portCHAR flag1;
portCHAR flag2;

extern List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];


/*
*************************************************************************
*                        任务控制块& STACK
*************************************************************************
*/
TaskHandle_t Task1_Handle;
#define TASK1_STACK_SIZE                    128
StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];
TCB_t Task1TCB;

TaskHandle_t Task2_Handle;
#define TASK2_STACK_SIZE                    128
StackType_t Task2Stack[TASK2_STACK_SIZE];
TCB_t Task2TCB;


/*
*************************************************************************
*                               函数声明
*************************************************************************
*/
void delay (uint32_t count);
void Task1_Entry( void *p_arg );
void Task2_Entry( void *p_arg );

/*
************************************************************************
*                                main函数
************************************************************************
*/

int main(void)
{
/* 硬件初始化 */
/* 将硬件相关的初始化放在这里，如果是软件仿真则没有相关初始化代码 */

/* 初始化与任务相关的列表，如就绪列表 */
    prvInitialiseTaskLists();

/* 创建任务 */
    Task1_Handle =
        xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task1_Entry,   /* 任务入口 */
        (char *)"Task1",               /* 任务名称，字符串形式 */
        (uint32_t)TASK1_STACK_SIZE ,   /* 任务栈大小，单位为字 */
        (void *) NULL,                 /* 任务形参 */
        (StackType_t *)Task1Stack,     /* 任务栈起始地址 */
        (TCB_t *)&Task1TCB );      /* 任务控制块 */
/* 将任务添加到就绪列表 */
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[1] ),
&( ((TCB_t *)(&Task1TCB))->xStateListItem ) );

    Task2_Handle =
        xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task2_Entry,   /* 任务入口 */
        (char *)"Task2",               /* 任务名称，字符串形式 */
        (uint32_t)TASK2_STACK_SIZE ,   /* 任务栈大小，单位为字 */
        (void *) NULL,                 /* 任务形参 */
        (StackType_t *)Task2Stack,     /* 任务栈起始地址 */
        (TCB_t *)&Task2TCB );          /* 任务控制块 */
/* 将任务添加到就绪列表 */
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[2] ),
&( ((TCB_t *)(&Task2TCB))->xStateListItem ) );

/* 启动调度器，开始多任务调度，启动成功则不返回 */
    vTaskStartScheduler();

for (;;)
    {
        /* 系统启动成功不会到达这里 */
    }
}

/*
*************************************************************************
*                               函数实现
*************************************************************************
*/

/* 软件延时 */
void delay (uint32_t count)
{
    for (; count!=0; count--);
}
/* 任务1 */
void Task1_Entry( void *p_arg )
{
for ( ;; )
    {
#if 0
        flag1 = 1;
        delay( 100 );
        flag1 = 0;
        delay( 100 );

/* 任务切换，这里是手动切换 */
        portYIELD();
#else
        flag1 = 1;
        vTaskDelay( 2 );(1)
        flag1 = 0;
        vTaskDelay( 2 );
#endif
    }
}

/* 任务2 */
void Task2_Entry( void *p_arg )
{
for ( ;; )
    {
#if 0
        flag2 = 1;
        delay( 100 );
        flag2 = 0;
        delay( 100 );

/* 任务切换，这里是手动切换 */
        portYIELD();
#else
        flag2 = 1;
        vTaskDelay( 2 );(2)
        flag2 = 0;
        vTaskDelay( 2 );
#endif
    }
}

/* 获取空闲任务的内存 */
StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];(3)
TCB_t IdleTaskTCB;
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
    *ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;
    *ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack;
    *pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}

9.6. 实验现象

进入软件调试，全速运行程序，从逻辑分析仪中可以看到两个任务的波形是完全同步，就好像CPU 在同时干两件事情，具体仿真的波形图见图 实验现象1 和图 实验现象2。

实验现象1 实验现象2

从图 实验现象1 和图 实验现象2 可以看出，flag1和flag2的高电平的时间为(0.1802-0.1602)s， 刚好等于阻塞延时的20ms，所以实验现象跟代码要实现的功能是一致的。