多任务运行机制

一个任务就是实现某一功能的一个函数，任务内部一般有一个死循环结构，任何时候都不允许退出。只有当一个任务功能结束，确实需要它结束自己时，才可以退出死循环，调用vTaskDelete删除自己，或在其它函数中调用该函数删除它。

在单核处理器上，任何时候都只能有一个任务占据 CPU 运行。但 freertos 通过任务调度，可以使多个任务对 CPU 进行分时复用。

时间片

假设有两个相同优先级的任务，task1 先执行。在一个时间片里只能有一个任务占据 CPU 并执行，当时间片结束时进行任务调度。

时间片什么时候结束？

在上一讲有一个设置参数位TICK_RATE_HZ，这就是设置时钟频率，默认 1000hz。映射到硬件上就是系统 systick 定时器中断时，发生任务调度。

当发生任务调度时，系统将 cpu 使用权交给 task2，此时 task1 会先将 cpu 场景，即各个核心寄存器的值压入自己的栈；task2 获得 CPU 使用权时，会用自己保存的数据恢复 cpu 场景，因此可以在上次运行的状态继续运行。通过这种方式，可以使相同优先级的任务均匀分配 cpu 时间。

“均匀分配”并不意味着“平均分配”，根据任务实际需要，每个任务可以占据不相等的时间片长度。

任务优先级不相同使 rtos 会进行基于优先级的抢占式任务调度，这点之后再讲。

任务的状态

就像在操作系统中学到的一样，任务的状态分为就绪 ready、运行 running、阻塞 blocked、挂起 suspended 四个状态。

就绪状态（Ready）

就绪状态是任务被创建后进入的初始状态。

处于就绪态表示：

• 任务已经具备运行条件
• 未被阻塞
• 未被挂起
• 正在等待调度器分配 CPU

基于抢占式调度方式，当一个任务处于就绪态时，调度结果分为以下三种情况：

• 当前没有其他任务处于运行状态
  • 就绪任务直接进入运行状态。
• 就绪任务优先级 ≥ 当前运行任务优先级
  • 发生抢占
  • 当前运行任务被切换出去
  • 就绪任务进入运行状态。
• 就绪任务优先级 < 当前运行任务优先级
  • 不发生抢占
  • 当前任务继续运行
  • 该任务继续保持就绪状态。

运行状态（Running）

运行状态指任务正在占用 CPU 并执行指令。
在单核系统中，同一时刻只能有一个任务处于运行态。处于运行态的任务拥有 CPU 使用权。

运行任务的基本要求

当任务没有实际工作需要处理时，应主动让出 CPU 使用权。
否则会导致：

• 低优先级任务无法运行
• 系统实时性下降
• 资源利用率降低

运行态任务主动让出 CPU 的两种方式

1）调用 vTaskSuspend()
作用：

• 任务进入挂起状态（Suspended）
• 不再参与调度
• 需要其他任务或中断调用恢复函数后才能重新进入就绪态

2）调用阻塞类函数
例如：

• 延时函数
• 等待队列
• 等待信号量
• 等待事件组

作用：

• 任务进入阻塞状态（Blocked）
• 等待某个条件满足
• 条件满足后自动回到就绪态

运行任务交出 CPU 之后的调度行为

当运行任务进入挂起态或阻塞态后：

• 当前 CPU 立即空出
• 调度器重新从“就绪列表”中选择最高优先级任务
• 该任务进入运行态

阻塞状态（Blocked）

阻塞状态表示任务暂时让出 CPU 使用权，进入等待某个条件满足的状态。

处于阻塞态的任务：

• 不参与调度
• 不占用 CPU
• 必须等待事件发生或时间到达

本质是因“等待条件”而主动退出运行。

进入阻塞状态的前提

只有处于运行态（Running）的任务，才能调用相关函数进入阻塞态。
就绪态或挂起态任务不能直接进入阻塞态。

进入阻塞状态的两类函数

时间延迟类函数

典型函数：

• vTaskDelay()
• vTaskDelayUntil()

作用：

• 指定延迟时间
• 在延迟时间内任务处于阻塞态
• 时间到达后自动回到就绪态

进程间通信（IPC）相关函数

典型场景：

• 等待信号量（xSemaphoreTake()）
• 等待队列数据
• 等待事件组位

作用：

• 当资源未满足时进入阻塞态
• 当资源可用或事件发生时回到就绪态

属于“基于事件”的等待。

阻塞态的状态转换关系

Running → Blocked
调用延时或等待资源函数。

Blocked → Ready
满足以下任一条件：

• 延时时间到达
• 信号量被释放
• 队列收到数据
• 事件被置位

挂起状态（Suspended）

挂起状态表示任务被人为暂停执行。
处于挂起态的任务：

• 不参与调度
• 不进入就绪队列
• 不占用 CPU
• 不会因时间或事件自动恢复

挂起是一种“强制退出调度系统”的状态。

进入挂起状态的方式

任意状态的任务（Running / Ready / Blocked）都可以通过调用vTaskSuspend()

进入挂起状态。

调用该函数后，任务立即从当前状态移除，进入 Suspended 状态。

挂起状态的特征

1）不会自动恢复
与阻塞态不同，挂起态不会因：

• 延时到期
• 事件到达
• 信号量释放

而自动回到就绪态。

2）完全脱离调度器管理
调度器不会考虑挂起任务，即使其优先级很高。

退出挂起状态的方法

必须由其他任务或中断调用：

vTaskResume()或xTaskResumeFromISR()

作用：

• 使挂起任务进入 Ready 状态
• 重新参与优先级调度

状态转换关系：

Suspended → Ready

任务的优先级

优先级的数量在MAX_PRIORITIES中定义，默认为 56。最低的优先级是 0，最高的优先级是宏定义-1 。除此之外，CMSIS2 还提供了一些预设的优先级，在cmsis_os2.h中查看。

空闲任务

当调用 osKernelStart() 启动 FreeRTOS 调度器时，系统会自动创建一个空闲任务（Idle Task）。

特点：

• 自动创建，无需用户手动创建
• 优先级固定为 0（最低优先级）
• 当没有其他就绪任务时运行

作用：

• 保证系统始终有任务可运行
• 回收已删除任务的内核资源（动态任务）
• 可用于低功耗或后台处理

与空闲任务相关的主要配置参数

configUSE_TICK_HOOK

作用：
控制是否使用 Tick 钩子函数。

取值：

• 1：启用 Tick Hook
• 0：不启用

启用后：

• 每个系统节拍中断都会调用用户实现的 vApplicationTickHook()
• 可用于周期性处理

注意：
Tick Hook 在中断上下文中执行，不能调用阻塞函数。

configIDLE_SHOULD_YIELD

控制空闲任务是否会对“同优先级任务”主动让出 CPU。

取值：

• 1：空闲任务会主动 yield
• 0：空闲任务不会主动让出

影响：

• 若存在优先级为 0 的用户任务
• 设置为 1 时可改善同优先级任务的时间片调度

configUSE_TICKLESS_IDLE

是否启用 Tickless Idle（无节拍空闲模式）。

取值：

• 1：启用低功耗空闲模式
• 0：使用正常周期 Tick

启用后：

• 当系统长时间空闲
• 会暂停 SysTick
• MCU 进入低功耗模式
• 下次事件发生时恢复 Tick

当有事件（中断）使系统提前或按期唤醒时，内核会在恢复调度前对内核节拍计数进行补偿。

空闲任务的特性

调度特性：

• 只有在没有更高优先级任务处于就绪态时才会运行
• 不应在空闲任务中执行阻塞操作
• 不应长时间占用 CPU

行为特性：

• 空闲任务始终存在
• 优先级最低
• 主要用于系统维护和低功耗管理
• 与 Tick 和调度公平性密切相关

空闲任务是 FreeRTOS 的基础系统任务，
用于保证系统调度完整性，并提供资源回收与低功耗扩展能力。