任務(wù)狀態(tài)機(jī)的相關(guān)概念

[導(dǎo)讀] 大家好，我是逸珺。

前面一文利用FreeRTOS點(diǎn)燈，算是將FreeRTOS給跑起來了，要用好RTOS，從黑盒角度去理解一下調(diào)度器是怎么工作的是很必要的，當(dāng)然如果想研究其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理，可以去讀其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)代碼，但是個(gè)人感覺如果是從用的角度，把內(nèi)核看成黑盒，跳出來梳理一下概念也很有用。

所以本文不切入內(nèi)核代碼，僅從用戶視角來學(xué)習(xí)一下任務(wù)狀態(tài)機(jī)相關(guān)的概念，以及相應(yīng)API的作用。

RTOS核的作用

前面一文分析FreeRTOS框架的時(shí)候，曾給出這樣一個(gè)理解圖：

對(duì)于單片機(jī)而言，一般只有一個(gè)核，RTOS的主要作用是將用戶多任務(wù)進(jìn)行管理，在物理CPU核上調(diào)度管理。所以為了方便理解，可以將RTOS的調(diào)度管理器，看成是將硬件CPU核通過軟件的辦法為每一個(gè)應(yīng)用任務(wù)虛擬出一個(gè)軟核。這樣就使每個(gè)任務(wù)看起來都擁有一個(gè)CPU核，這樣從時(shí)間維度上看起來多任務(wù)是并行的，而事實(shí)上這種并行是偽并行。

一般單片機(jī)只有一個(gè)硬件核，那么在任意時(shí)刻，則只可能有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行。其實(shí)這樣理解還不全面，能夠獲取CPU時(shí)間的，從應(yīng)用編程的視角，還有一個(gè)主角是不能忽略的，那就是中斷程序。

任務(wù)狀態(tài)

狀態(tài)概念

對(duì)于FreeRTOS的狀態(tài)概念有必要先好好理解一下，理解了才能正確的使用API進(jìn)行正確的應(yīng)用，才知道調(diào)用了某一個(gè)API究竟會(huì)有怎樣的行為表現(xiàn)。

<>在任務(wù)管理章節(jié)，首先給出任務(wù)的一個(gè)頂層狀態(tài)機(jī)視圖：

對(duì)于單內(nèi)核的芯片而言，任一任務(wù)要么處于運(yùn)行態(tài)，要么處于非運(yùn)行態(tài)。但同一時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。這也是為什么這個(gè)圖中①畫的任務(wù)框是多個(gè)疊起來的，而②所示的任務(wù)只有一個(gè)框的原因。那么事實(shí)上，對(duì)于非運(yùn)行態(tài)其內(nèi)部又被劃分出了幾個(gè)子狀態(tài)：

Suspended: 掛起態(tài)，什么叫掛起呢？簡(jiǎn)單講就是任務(wù)進(jìn)入了掛起態(tài)后，調(diào)度器就不會(huì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)度了，也就是它不會(huì)被調(diào)度器裝載到CPU核中運(yùn)行，任務(wù)狀態(tài)始終保持在進(jìn)入掛起態(tài)時(shí)刻的現(xiàn)場(chǎng)。

就好比看一個(gè)修仙劇，內(nèi)核調(diào)度器是一個(gè)法術(shù)高手，會(huì)時(shí)間靜止法術(shù)，啪一個(gè)法術(shù)，這個(gè)任務(wù)就被定住了，不能再動(dòng)了。但任務(wù)還在，只是不動(dòng)了。直到法術(shù)解除。那么這里所謂的現(xiàn)場(chǎng)，就是該任務(wù)的TCB任務(wù)控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將暫停時(shí)刻的物理CPU相關(guān)寄存器保存了。

Ready: 就緒態(tài)，就是指任務(wù)可以被調(diào)度器裝載進(jìn)CPU核運(yùn)行的狀態(tài)，但是還沒有被裝載進(jìn)CPU核。為什么有這樣一個(gè)就緒態(tài)呢？前面說了，RTOS主要作用就是多任務(wù)的調(diào)度管理。那么就緒的任務(wù)就有可能是多個(gè)，也就是說在同一時(shí)刻，多個(gè)任務(wù)有可能都就緒了，至于調(diào)度器究竟讓哪一個(gè)任務(wù)先運(yùn)行呢，這就是調(diào)度器調(diào)度算法的職責(zé)了，根據(jù)其內(nèi)部的調(diào)度算法策略進(jìn)行調(diào)度管理。

FreeRTOS支持的調(diào)度算法有：

時(shí)間片調(diào)度策略：也稱為Round Robin調(diào)度算法，Round Robin調(diào)度算法不保證同等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間平均分配時(shí)間，只保證同等優(yōu)先級(jí)的Ready狀態(tài)任務(wù)會(huì)依次進(jìn)入Running狀態(tài)。

這可能讓人費(fèi)解，首先時(shí)間片Time Slice是指兩個(gè)Tick中斷間的時(shí)間間隔，每次新的Tick中斷時(shí)，調(diào)度器會(huì)檢查任務(wù)隊(duì)列中是否有與正在運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同的就緒態(tài)任務(wù)，如果有，就將正在運(yùn)行的任務(wù)換出CPU，將新任務(wù)換入CPU。所以該機(jī)制并不保證相同優(yōu)先級(jí)就緒態(tài)任務(wù)獲得的CPU時(shí)間片相等。

固定優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度：這種調(diào)度算法根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)選擇任務(wù)進(jìn)行裝載。換句話說，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)總是在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)之前獲得CPU。只有當(dāng)沒有處于就緒狀態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)才能執(zhí)行。

更準(zhǔn)確地理解：如果優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行狀態(tài)任務(wù)的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，搶占式調(diào)度算法將立即“搶占”運(yùn)行狀態(tài)的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。被搶占意味著低優(yōu)先級(jí)任務(wù)馬上被調(diào)度器換出運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)入就緒狀態(tài)，而高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被轉(zhuǎn)載進(jìn)CPU進(jìn)行運(yùn)行。需要注意的是，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)是進(jìn)入就緒態(tài)而非掛起態(tài)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成運(yùn)行，進(jìn)入阻塞態(tài)后，原低優(yōu)先級(jí)任務(wù)將有機(jī)會(huì)被調(diào)度運(yùn)行。

Blocked: 阻塞態(tài)。所謂阻塞態(tài)，可以簡(jiǎn)單理解是任務(wù)被卡在了哪里，該任務(wù)不會(huì)繼續(xù)往下運(yùn)行，直到阻塞解除，被轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，然后被調(diào)度至運(yùn)行態(tài)。需要注意區(qū)分的是：阻塞態(tài)與暫停態(tài)是兩回事，暫停是被移除調(diào)度列表，除非被人為恢復(fù)進(jìn)任務(wù)調(diào)度表。而阻塞態(tài)，當(dāng)阻塞事件解除，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入就緒態(tài)，從而有機(jī)會(huì)被調(diào)度器換入CPU進(jìn)而運(yùn)行。

阻塞事件基本可以分成兩類：

時(shí)間事件：比如vTaskDelay調(diào)用，任務(wù)將延遲一定的時(shí)間，一旦該函數(shù)被調(diào)用，該任務(wù)就被阻塞，直到延遲的時(shí)間結(jié)束會(huì)進(jìn)入就緒態(tài)。

同步事件：比如等待消息隊(duì)列、獲取信號(hào)量、獲取互斥體等等。

上面說到搶占式調(diào)度算法，看下面這個(gè)圖就比較好理解了，在圖中所示的時(shí)間點(diǎn)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒則會(huì)馬上搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

狀態(tài)切換

前面將狀態(tài)概念擼了一遍，狀態(tài)機(jī)的理解需要從兩個(gè)維度進(jìn)行理解：1.有哪些狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)啥物理含義；2.狀態(tài)的切換條件，什么條件會(huì)觸發(fā)狀態(tài)變化。

上面的任務(wù)狀態(tài)圖描述的比較清楚，這里總結(jié)一下這些狀態(tài)究竟怎么切換的：

進(jìn)入掛起態(tài)：在任務(wù)的任意狀態(tài)下，一旦應(yīng)用程序調(diào)用了vTaskSuspend這個(gè)API，就會(huì)將指定的任務(wù)設(shè)置掛起態(tài)。

voidvTaskSuspend(TaskHandle_tpxTaskToSuspend);
voidvTaskSuspendAll(void);

以上兩個(gè)任務(wù)都可以用于將任務(wù)設(shè)置成掛起態(tài)，vTaskSuspend用于將指定的任務(wù)設(shè)置為掛起態(tài)，pxTaskToSuspend就是指定的任務(wù)描述符，而vTaskSuspendAll將所有任務(wù)設(shè)置成掛起態(tài)。

退出掛起態(tài)：當(dāng)任務(wù)已經(jīng)處于掛起態(tài)，如應(yīng)用需要將其恢復(fù)，需要調(diào)用vTaskResume或者xTaskResumeAll，將某個(gè)任務(wù)或者全部任務(wù)恢復(fù)為就緒態(tài)。注意是就緒態(tài)而非運(yùn)行態(tài)，進(jìn)入運(yùn)行態(tài)是調(diào)度器實(shí)現(xiàn)的。

voidvTaskResume(TaskHandle_tpxTaskToResume);
BaseType_txTaskResumeAll(void);

要讓任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行，上面兩個(gè)API必須要在非掛起態(tài)任務(wù)中調(diào)用，否則是不可能被恢復(fù)的，因?yàn)樘幱趻炱饝B(tài)的任務(wù)是沒有機(jī)會(huì)獲得CPU使用權(quán)運(yùn)行的。

對(duì)于掛起態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)景的思考，比如應(yīng)用程序中檢測(cè)到某個(gè)故障了，此時(shí)需要處理故障，就可以將某個(gè)任務(wù)掛起，或者全部掛起，直到故障消除。

進(jìn)入阻塞態(tài)：阻塞的概念是相對(duì)于運(yùn)行而言的，也就是說一個(gè)正在運(yùn)行的任務(wù)由于OS API調(diào)用會(huì)卡住不往下運(yùn)行，所以狀態(tài)圖中是運(yùn)行態(tài)會(huì)被阻塞，也就是說該任務(wù)本來正在運(yùn)行，但在這個(gè)調(diào)用之后就會(huì)被調(diào)度器換出CPU。

有哪些API會(huì)讓一個(gè)正處于運(yùn)行的任務(wù)阻塞呢？

1.時(shí)間事件API：

voidvTaskDelay(TickType_txTicksToDelay);
voidvTaskDelayUntil(TickType_t*pxPreviousWakeTime,TickType_txTimeIncrement);

這兩個(gè)API是當(dāng)任務(wù)希望主動(dòng)出讓CPU時(shí)使用，一旦調(diào)用該任務(wù)就被設(shè)置為阻塞態(tài)，直到需要等待的時(shí)間結(jié)束，調(diào)度器將相應(yīng)的任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài)。調(diào)度器再根據(jù)調(diào)度算法決定是否被裝載進(jìn)CPU核運(yùn)行。

應(yīng)用例子：比如某個(gè)需要固定周期執(zhí)行的任務(wù)，就可以在任務(wù)應(yīng)用代碼執(zhí)行完后調(diào)用這個(gè)延遲函數(shù)，出讓CPU。讓其他的任務(wù)有機(jī)會(huì)被轉(zhuǎn)載運(yùn)行。

vTaskDelayUntil一般會(huì)先獲取當(dāng)前Tick數(shù)，然后再延遲到某一個(gè)增加量。

2.同步事件API：

uint32_tulTaskNotifyTake(BaseType_txClearCountOnExit,TickType_txTicksToWait);
BaseType_txTaskNotifyWait(uint32_tulBitsToClearOnEntry,
uint32_tulBitsToClearOnExit,
uint32_t*pulNotificationValue,
TickType_txTicksToWait);

//消息隊(duì)列相關(guān)
BaseType_txQueueReceive(QueueHandle_txQueue,
void*pvBuffer,
TickType_txTicksToWait);
BaseType_txQueueReceiveFromISR(QueueHandle_txQueue,
void*pvBuffer,
BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);
BaseType_txQueuePeek(QueueHandle_txQueue,
void*pvBuffer,TickType_t
xTicksToWait);
BaseType_txQueuePeekFromISR(QueueHandle_txQueue,void*pvBuffer);

//信號(hào)量相關(guān)
BaseType_txSemaphoreTake(SemaphoreHandle_txSemaphore,TickType_txTicksToWait);
BaseType_txSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_txSemaphore,
signedBaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);
BaseType_txSemaphoreTakeRecursive(SemaphoreHandle_txMutex,
TickType_txTicksToWait);

//stream相關(guān)
size_txStreamBufferReceive(StreamBufferHandle_txStreamBuffer,
void*pvRxData,
size_txBufferLengthBytes,
TickType_txTicksToWait);
size_txStreamBufferReceiveFromISR(StreamBufferHandle_txStreamBuffer,
void*pvRxData,
size_txBufferLengthBytes,
BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);
//Event相關(guān)
EventBits_txEventGroupWaitBits(constEventGroupHandle_txEventGroup,
constEventBits_tuxBitsToWaitFor,
constBaseType_txClearOnExit,
constBaseType_txWaitForAllBits,
TickType_txTicksToWait);
EventBits_txEventGroupSync(EventGroupHandle_txEventGroup,
constEventBits_tuxBitsToSet,
constEventBits_tuxBitsToWaitFor,
TickType_txTicksToWait);

//message相關(guān)
size_txMessageBufferReceive(MessageBufferHandle_txMessageBuffer,
void*pvRxData,
size_txBufferLengthBytes,
TickType_txTicksToWait);
size_txMessageBufferReceiveFromISR(MessageBufferHandle_txMessageBuffer,
void*pvRxData,
size_txBufferLengthBytes,
BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);

此類任務(wù)主要用于任務(wù)間，或者任務(wù)與中斷間同步或通訊的目的，在等待某一個(gè)消息或者事件的時(shí)候，將該任務(wù)阻塞而不是裸奔的查詢等待，本質(zhì)上就是為了提高CPU的利用率的。

需要注意的是，有的API是不能用于等待來自中斷的消息或者事件的，如果需要與中斷程序同步或者通信，需要使用相應(yīng)的中斷版本API。

總結(jié)一下

將FreeRTOS任務(wù)相關(guān)的狀態(tài)梳理一下，其他的RTOS其實(shí)也是類似的，只不過實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)會(huì)略有差異，從概念上大體上是相通的。要正確的使用RTOS，清楚正確的理解其任務(wù)狀態(tài)相關(guān)概念是必要的。相關(guān)的API并不需要記憶，只需要理解概念就可以了，用的時(shí)候查一查就好了。