FreeRTOS基础篇（三）——任务管理

前言：
本文将系统性地讲解 FreeRTOS 中任务的创建、运行、状态转换以及阻塞与唤醒机制，帮助读者理解如何利用任务实现复杂的实时应用逻辑。通过实际代码示例，您将掌握任务的基本使用方式，并为后续学习队列、信号量、事件组等高级功能打下坚实基础。让我们从“任务”出发，逐步揭开 FreeRTOS 多任务并发的神秘面纱。

1 介绍

FreeRTOS的 任务管理 是其核心功能之一，具有轻量、高效、可移植性强等特点。主要具有以下特点。

多任务并发执行

FreeRTOS支持多任务并法执行（通过时间片轮转和优先级抢占实现），每个任务都是一个独立的函数，拥有自己的 栈空间 和 上下文 环境。值得解释下这里所说的栈空间是什么，它包含函数内部的局部变量、函数调用时的参数信息、函数调用后的返回地址，而上下文是指程序计数器（PC指针）、堆栈指针（SP）、通用寄存器（R0, R1, …）。正是因为每个任务都拥有这两样私有的东西，FreeRTOS才能实现多个任务相互独立、互不干扰地并发执行，从而构建出复杂可靠的嵌入式实时系统。
FreeRTOS的任务是以函数形式编写的，任务入口的接口形式为 void task_function(void *parameter) ，多个任务共享CPU，由FreeRTOS的内核调度器统一管理调度。多个相同优先级的任务执行时，FreeRTOS采用时间片轮转（Round-Robin）机制实现，每个人轮流执行一个时间片（由系统节拍 tick 决定，默认通常为1ms），公平执行优先级相同的任务。

基于优先级的任务调度

FreeRTOS的每个任务都有一个 优先级 ，从0到configMAX_PRIORITIES - 1，数值越大优先级越高。高优先级的任务一旦就绪，会立刻抢占当前正在执行的优先级比自己低的任务，因此他是一种实时性的操作系统（软实时）。configMAX_PRIORITIES最大值为256（为8位无符数），因此优先级最多有256级，范围为0~255。由于FreeRTOS的每个任务都有独立的栈空间和上下文存储，因此最大任务数量受限于内存。

任务状态

FreeRTOS的任务有五种状态。

状态	说明
Running	当前正在运行的任务
Ready	已准备好运行，等待被调度
Blocked	等待事件（如延时、队列、信号量）
Suspended	被显式挂起（暂停执行）
Deleted	已删除（仅在启用任务删除功能时存在）

调度器会根据状态切换任务，实现高效的资源利用。

状态特性对比。

状态	参与调度	占用CPU	资源占用	唤醒方式
运行	是	是	CPU资源	-
就绪	是	否	内存资源	自动调度
阻塞	否	否	内存资源	事件/时间触发
挂起	否	否	内存资源	手动恢复
删除	否	否	否	不可恢复

2 任务运用

2.1 创建任务

创建任务的接口为 xTaskCreate ，有以下几个参数。

xTaskCreate(
    vTask1,               // 任务函数
    "Task1",              // 任务名称（用于调试）
    128,                  // 栈大小（单位：word，通常每个 word=4 字节）
    "Task 1",             // 传给任务的参数
    tskIDLE_PRIORITY + 1, // 优先级（比空闲任务高）, tskIDLE_PRIORITY通常为0。
    &xTask1Handle         // 任务句柄（可选）
);

其他参数都好理解，重点介绍下任务句柄，可以理解为任务的“遥控器”，任务句柄是一个指向任务控制块（TCB）的指针，拿到任务句柄则可通过句柄管理和操作该任务。比如可以通过任务句柄删除任务、修改任务优先级、挂起任务、恢复任务、任务通知（实现高效的IPC）。
执行 vTaskStartScheduler 函数后FreeRTOS开始接管任务的调度，正常情况下该函数不会返回，如果程序往后执行，说明调度器运行出现故障，通常是内存不足。以下是一个创建任务的Demo。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

/* 任务句柄 */
TaskHandle_t xTask1Handle = NULL;
TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;

/* 任务1：每500ms打印一次消息 */
void vTask1(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        printf("=> %s is running\n", (char*)pvParameters);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延迟500毫秒
    }
}

void main(void)
{
    // 初始化系统时钟、串口等（具体取决于你的硬件平台）

    /* 创建两个任务 */
    xTaskCreate(
        vTask1,
        "Task1",
        128,
        "Task 1",
        tskIDLE_PRIORITY + 1,
        &xTask1Handle
    );

    /* 启动调度器，开始执行任务 */
    vTaskStartScheduler();

    /* 如果程序运行到这里，说明内存不足无法启动调度器 */
    while(1)
    {
        // 调度器启动失败处理
    }
}

vTaskDelay 用于任务延时和调度，使当前任务进入阻塞状态，参数指定了阻塞的时间长度，让出 CPU 给其他就绪态任务。注意，任务是阻塞，CPU并不会阻塞而是去执行其他任务，等到阻塞时间到了之后。FreeRTOS 使用节拍（tick）作为时间单位，通常 1 tick = 1ms（可配置）。

2.2 阻塞任务

阻塞任务的方式有多种方式，当一个任务进入 Blocked（阻塞）状态 时，它暂时不参与调度，直到某个条件满足（如延时结束、收到信号量、队列有数据等）。这能有效释放 CPU 资源给其他任务。

延迟阻塞

通过让任务自身调用 vTaskDelay 函数，实现该任务暂停指定时间。

void vTask1(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        printf("Task1: Tick\n");

        // 阻塞 1 秒 → 进入 Blocked 状态
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

注意，阻塞时间是从调度 vTaskDelay 函数开始计算的，所以调度的周期为 Task执行的时间 + 阻塞时间 ，如果当成周期任务使用，则会存在累积误差，当对周期精度要求不高时也可这样使用。

绝对时间阻塞

通过让任务自身调用 vTaskDelayUntil 函数，实现该任务精确的周期调度。使任务以一个固定的周期执行。它指定一个绝对时间，确保任务以固定的频率执行。第一个参数指向一个变量，该变量保存任务最后一次解除阻塞的时间。函数会根据这个时间和指定的周期来计算下一次唤醒时间，从而保持固定的执行间隔。

void vTaskPeriodicExample( void *pvParameters )
{
    TickType_t xLastWakeTime;
    const TickType_t xFrequency = 100; // 100 tick

    // 初始化xLastWakeTime为当前时间
    xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

    while(1)
    {
        // 执行一些操作
        do_something();

        // 等待下一个周期
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}

特性	vTaskDelay	vTaskDelayUntil
延迟方式	相对延迟，从调用时刻开始算	绝对延迟，固定周期
执行周期	不固定，受任务执行时间影响	固定，不受任务执行时间影响
参数	一个参数：延迟的tick数	两个参数：上次唤醒时间指针和周期
适用场景	不需要精确周期的延迟	需要精确周期执行的任务

等待队列（Queue）数据阻塞

如果任务从空队列读取数据，默认会自动阻塞，直到有数据或超时（第三个参数是最大等待时间，时间单位是Tick数），如果接收队列时已经有数据，则任务不会阻塞而是继续执行（通常会处理接收到的数据）。
函数原型为。

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BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,
                          void * const pvBuffer,
                          TickType_t xTicksToWait ) PRIVILEGED_FUNCTION;

以下为示例。

QueueHandle_t xQueue;

// 创建队列
xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(int));

// 在任务中接收数据（带阻塞）
void vReceiverTask(void *pvParameters)
{
    int receivedValue;

    while(1)
    {
        // 如果队列为空，任务将阻塞最多 100 ticks
        if(xQueueReceive(xQueue, &receivedValue, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdTRUE)
        {
            printf("Received: %d\n", receivedValue);
        }
        else
        {
            printf("Timeout: No data received.\n");
        }
    }
}

其他任务可以通过发送接口 xQueueSend ，通过同一个队列句柄给接收任务发送数据，函数原型为。

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BaseType_t xQueueSend( QueueHandle_t xQueue,
                       const void * pvItemToQueue,
                       TickType_t xTicksToWait);

示例如下。

// 发送数据到队列，如果队列满则等待最多100个tick
if(xQueueSend(xQueue, &data, 100) != pdPASS) {
    // 发送失败，可能是超时
}

第一个参数为队列，第二个参数为要传入队列的数据，第三个参数为最大的等待时间。第三个参数是考虑到往队列写入数据时，如果队列满了，最大的等待时间，如果队列满并且还为超过最大阻塞时间，则该任务会阻塞住，指导队列非满写入数据或者超过最大阻塞时间。当最大阻塞时间设为宏 portMAX_DELAY 时（需要配置configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION为0，并且FreeRTOSConfig.h中必须定义configUSE_MAX_DELAY为1），表示阻塞时间为无限等待，这个宏的值被定义为全F。

等待信号量阻塞

信号量也可用于控制任务同步。 xSemaphoreTake 接口会阻塞等待信号量，第一个参数时信号量句柄，第二个参数与队列的方式类似，是最大等待时间（时间单位是Tick数），可以设置为 portMAX_DELAY 表示无限等待。

SemaphoreHandle_t xBinarySem;

void vTaskWaitForSignal(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        // 阻塞等待信号量（可能永远等待）
        if(xSemaphoreTake(xBinarySem, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
        {
            printf("Got semaphore! Proceeding...\n");
            // 处理资源...
        }
        else
        {
            printf("Timeout.\n");
        }
    }
}

在其他任务中释放信号量。

1 2	// 另一个任务或中断中释放信号量 xSemaphoreGive(xBinarySem); // 唤醒等待任务

手动挂起任务

通过接口 vTaskSuspend 强制让任务进入 Suspended 状态（不是 Blocked），需显式恢复。
Suspended 和 Blocked 的区别：

Blocked：由内核管理，条件满足后自动恢复。上面提到的任务阻塞方式都是Blocked。
Suspended：必须手动调用 vTaskResume() 才能继续

vTaskSuspend(xTask1Handle); // 挂起任务1（永久阻塞）

// 恢复任务
vTaskResume(xTask1Handle);

这里的 xTask1Handle 是任务创建时的任务句柄。