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FreeRTOS 4：任务相关数据结构

时间：2024-10-27 21:52:41浏览次数：7  
标签：FreeRTOS LIST 列表 任务 用于 pxList 数据结构 INTEGRITY

任务相关数据结构

任务控制块TCB_t

FreeRTOS 的每个任务都有⼀些属性需要存储，FreeRTOS 把这些属性集合到⼀起⽤⼀个结构体来表⽰，这个结构体叫做任务控制块：TCB_t，在使⽤函数 xTaskCreate()创建任务的时候就会⾃动的给每个任务分配⼀个任务控制块。
此结构体在文件 tasks.c 中有定义。类似于 Linux 的 task_struct 结构体，保存进程信息⽤的，每个进程有⼀个。

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t * pxTopOfStack; /* 指向任务栈上最后一个放置的项目的位置。这必须是TCB结构的第一个成员。 */

    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS xMPUSetting; /* MPU设置作为端口层的一部分定义。这必须是TCB结构的第二个成员。 */
    #endif

    ListItem_t xStateListItem;                  /* 任务的状态列表项所在的列表，表示任务的状态（就绪、阻塞、挂起）。 */
    ListItem_t xEventListItem;                  /* 用于从事件列表中引用任务。 */
    UBaseType_t uxPriority;                     /* 任务的优先级。0是最低优先级。 */
    StackType_t * pxStack;                      /* 指向栈的起始位置。 */
    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; /* 任务创建时赋予的描述性名称，仅用于调试。 */

    #if ( ( portSTACK_GROWTH > 0 ) || ( configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS == 1 ) )
        StackType_t * pxEndOfStack; /* 指向栈的最高有效地址。 */
    #endif

    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t uxCriticalNesting; /* 保存关键部分嵌套深度，用于不维护自己计数的端口。 */
    #endif

    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t uxTCBNumber;  /* 由系统分配（每创建一个任务，值增加一），分配任务的值都不同，用于调试 */
        UBaseType_t uxTaskNumber; /* 由函数 vTaskSetTaskNumber()设置，用于调试 */
    #endif

    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t uxBasePriority; /* 任务最后分配的优先级，用于优先级继承机制。 */
        UBaseType_t uxMutexesHeld;/* 记录任务获取的互斥信号量数量 */
    #endif

    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;/* 用户可自定义任务的钩子函数用于调试 */
    #endif

    #if ( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )
        void * pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];/* 保存任务独有的数据 */
    #endif

    #if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t ulRunTimeCounter; /* 存储任务处于运行状态的时间。 */
    #endif

    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        struct  _reent xNewLib_reent; /* 为特定任务分配一个Newlib reent结构。 */
    #endif

    #if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
        volatile uint32_t ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];/* 任务通知值 */
        volatile uint8_t ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];/* 任务通知状态 */
    #endif

    #if ( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )
        uint8_t ucStaticallyAllocated; /* 如果任务是静态分配的，则设置为pdTRUE，以确保不会尝试释放内存。 */
    #endif

    #if ( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;/* 任务被中断延时标志 */
    #endif

    #if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 )
        int iTaskErrno;/* 用于 POSIX */
    #endif
} tskTCB;

/* The old tskTCB name is maintained above then typedefed to the new TCB_t name
 * below to enable the use of older kernel aware debuggers. */
typedef tskTCB TCB_t;

tskTCB 的结构体，用于FreeRTOS操作系统中的任务控制块（Task Control Block）。每个任务在系统中都有一个对应的 tskTCB 实例，用于存储任务的各种状态和属性。具体包括：

  • 任务栈信息：指向任务栈的起始位置和栈顶位置。

  • 任务状态：通过 xStateListItem 和 xEventListItem 来记录任务的状态（如就绪、阻塞、挂起）。

  • 任务优先级：通过 uxPriority 来记录任务的优先级。

  • 任务名称：通过 pcTaskName 来记录任务的名称，主要用于调试。

  • 其他配置信息：根据编译选项，可能还包括MPU设置、关键部分嵌套深度、互斥信号量、任务标签、线程局部存储、运行时间统计、任务通知等。

  • 任务栈信息：

    • pxTopOfStack：指向任务栈上最后一个放置的项目的位置。

    • pxStack：指向栈的起始位置。

    • pxEndOfStack（可选）：指向栈的最高有效地址。

  • 任务状态：

    • xStateListItem：任务的状态列表项，用于表示任务的状态（如就绪、阻塞、挂起）。

    • xEventListItem：用于从事件列表中引用任务。

  • 任务优先级：

    • uxPriority：任务的优先级，0是最低优先级。

  • 任务名称：

    • pcTaskName：任务创建时赋予的描述性名称，仅用于调试。

  • 其他配置信息：

    • xMPUSetting（可选）：MPU设置。

    • uxCriticalNesting（可选）：保存关键部分嵌套深度。

    • uxTCBNumber 和 uxTaskNumber（可选）：用于调试的任务编号。

    • uxBasePriority 和 uxMutexesHeld（可选）：用于优先级继承机制。

    • pxTaskTag（可选）：用户可自定义的任务钩子函数。

    • pvThreadLocalStoragePointers（可选）：保存任务独有的数据。

    • ulRunTimeCounter（可选）：存储任务处于运行状态的时间。

    • xNewLib_reent（可选）：为特定任务分配一个Newlib reent结构。

    • ulNotifiedValue 和 ucNotifyState（可选）：任务通知值和状态。

    • ucStaticallyAllocated（可选）：标记任务是否静态分配。

    • ucDelayAborted（可选）：任务被中断延时标志。

    • iTaskErrno（可选）：用于POSIX的错误码。

列表 xLIST

列表和列表项是 FreeRTOS 的⼀个数据结构，FreeRTOS ⼤量使⽤到了列表和列表项， 它是 FreeRTOS 的基⽯。

列表被⽤来跟踪 FreeRTOS 中的任务。与列表相关的全部东⻄都在文件 list.c 和 list.h 中。在 list.h 中定义了⼀个叫 List_t 的结构体，如下：

/**
 * 定义结构体 xLIST 用于表示一个链表。
 * 
 * 成员变量说明：
 * - listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE: 
 *   当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。
 * - uxNumberOfItems: 表示链表中当前项目的数量。
 * - pxIndex: 用于遍历链表的指针，指向通过调用 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY() 返回的最后一个项目。
 * - xListEnd: 包含最大可能项目值的链表项，这意味着它总是位于链表的末尾，因此用作标记。
 * - listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE: 
 *   当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。
 */
typedef struct xLIST
{
    listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE          /*< 当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。 */
    volatile UBaseType_t uxNumberOfItems;
    ListItem_t * configLIST_VOLATILE pxIndex;     /*< 用于遍历链表的指针，指向通过调用 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY() 返回的最后一个项目。 */
    MiniListItem_t xListEnd;                      /*< 包含最大可能项目值的链表项，这意味着它总是位于链表的末尾，因此用作标记。 */
    listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE         /*< 当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。 */
} List_t;

1. 在该结构体中， 包含了两个宏，分别为 listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE 和listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE，这两个宏用于存放确定已知常量， FreeRTOS通过检查这两个常量的值，来判断列表的数据在程序运行过程中，是否遭到破坏，类似这样的宏定义在列表项和迷你列表项中也有出现。该功能一般用于调试， 默认是不开启的，因此本教程暂不讨论这个功能。
2. 成员变量 uxNumberOfItems 用于记录列表中列表项的个数（不包含 xListEnd），当往列表中插入列表项时，该值加 1；当从列表中移除列表项时，该值减 1。
3. 成员变量 pxIndex 用于指向列表中的某个列表项，一般用于遍历列表中的所有列表项。
4. 成员变量 xListEnd 是一个迷你列表项， 列表中迷你列表项的值一般被设置为最大值，用于将列表中的所有列表项按升序排序时，排在最末尾；同时 xListEnd 也用于挂载其他插入到列表中的列表项。

列表的结构示意图，如下图所示：

列表项ListItem_t

列表项就是存放在列表中的项⽬，FreeRTOS 提供了两种列表项：列表项和迷你列表项。这 两个都在文件 list.h中有定义，先来看⼀下列表项，定义如下：

/**
 * 结构体 xLIST_ITEM 用于表示链表中的一个节点。
 * 
 * 成员变量说明：
 * - xItemValue: 被列出的值。通常用于按降序对链表进行排序。
 * - pxNext: 指向链表中下一个节点的指针。
 * - pxPrevious: 指向链表中前一个节点的指针。
 * - pvOwner: 指向包含该链表项的对象（通常是任务控制块TCB）的指针。因此，对象和链表项之间存在双向链接。
 * - pxContainer: 指向该链表项所属的链表（如果有）的指针。
 * - listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE 和 listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE: 
 *   当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，这些字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。
 */
struct xLIST_ITEM
{
    listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE
    configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue;
    struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext;
    struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;
    void * pvOwner;
    struct xLIST * configLIST_VOLATILE pxContainer;
    listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE
};

/**
 * 定义别名 ListItem_t 为结构体 xLIST_ITEM。
 * 
 * 注：lint 工具要求将其定义为两个独立的声明。
 */
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t;ct xLIST_ITEM ListItem_t;                       /* For some reason lint wants this as two separate definitions. */

1. 如同列表一样，列表项中也包含了两个用于检测列表项数据完整性的宏定义。
2. 成员变量 xItemValue 为列表项的值，这个值多用于按升序对列表中的列表项进行排序。
3. 成员变量 pxNext 和 pxPrevious 分别用于指向列表中列表项的下一个列表项和上一个列
表项。
4. 成员变量 pxOwner 用于指向包含列表项的对象（通常是任务控制块），因此，列表项和包含列表项的对象之间存在双向链接。
5. 成员变量 pxContainer 用于指向列表项所在列表。
列表项的结构示意图，如下图所示：

迷你列表项MiniListItem_t

迷你列表项在文件 list.h 中有定义。

/**
 * 定义结构体 xMINI_LIST_ITEM 用于表示一个简化版的链表项。
 * 
 * 成员变量说明：
 * - listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE: 
 *   当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。
 * - xItemValue: 被列出的值。通常用于按降序对链表进行排序。
 * - pxNext: 指向链表中下一个节点的指针。
 * - pxPrevious: 指向链表中前一个节点的指针。
 */
struct xMINI_LIST_ITEM
{
    listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE     /*< 当 configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES 设置为 1 时，此字段将被设置为已知值，用于数据完整性检查。 */
    configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue;
    struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext;
    struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;
};

/**
 * 定义别名 MiniListItem_t 为结构体 xMINI_LIST_ITEM。
 */
typedef struct xMINI_LIST_ITEM MiniListItem_t;

1. 迷你列表项中也同样包含用于检测列表项数据完整性的宏定义。
2. 成员变量 xItemValue 为列表项的值，这个值多用于按升序对列表中的列表项进行排序。
3. 成员变量 pxNext 和 pxPrevious 分别用于指向列表中列表项的下一个列表项和上一个列表项。
4. 迷你列表项相比于列表项，因为只用于标记列表的末尾和挂载其他插入列表中的列表项，
因此不需要成员变量 pxOwner 和 pxContainer，以节省内存开销。

有些情况下我们不需要列表项这么全的功能，可能只需要其中的某⼏个成员变量，如果此时⽤列表项的话会造成内存浪费！比如上⾯列表结构体 List_t 中表⽰最后⼀个列表项的成员变量 xListEnd 就是MiniListItem_t 类型的。

迷你列表项的结构示意图，如下图所示：

不同状态任务定义

PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]; /*< Prioritised ready tasks. */
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;                         /*< Delayed tasks. */
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;                         /*< Delayed tasks (two lists are used - one for delays that have overflowed the current tick count. */
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;              /*< Points to the delayed task list currently being used. */
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;      /*< Points to the delayed task list currently being used to hold tasks that have overflowed the current tick count. */
PRIVILEGED_DATA static List_t xPendingReadyList;                         /*< Tasks that have been readied while the scheduler was suspended.  They will be moved to the ready list when the scheduler is resumed. */

高优先级的任务可以像中断的抢占一样，抢占低优先级任务的 CPU 使用权；优先级相同的任务则各自轮流运行一段极短的时间（宏观角度），从而产生“同时”运行的错觉。

列表和列表项相关函数

FreeRTOS 中列表和列表项相关的 API 函数如下表所示：

函数 vListInitialise()

此函数用于初始化列表，在定义列表之后，需要先对其进行初始化， 只有初始化后的列表，才能够正常地被使用。列表初始化的过程，其实就是初始化列表中的成员变量。 函数原型如下所示：

void vListInitialise(List_t * const pxList); 


void vListInitialise(
	List_t * const pxList)
{
	/* 初始化时，列表中只有 xListEnd，因此 pxIndex 指向 xListEnd */
	pxList->pxIndex = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
	/* xListEnd 的值初始化为最大值，用于列表项升序排序时，排在最后 */
	pxList->xListEnd.xItemValue = portMAX_DELAY;
	/* 初始化时，列表中只有 xListEnd，因此上一个和下一个列表项都为 xListEnd 本身 */
	pxList->xListEnd.pxNext = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
	pxList->xListEnd.pxPrevious = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
	/*初始化时，列表中的列表项数量为 0（不包含 xListEnd） */
	pxList->uxNumberOfItems = ( UBaseType_t ) 0U;
	/* 初始化用于检测列表数据完整性的校验值 */
	listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_1_VALUE( pxList );
	listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_2_VALUE( pxList );		
}

函数 vListInitialise()初始化后的列表结构示意图， 如下图所示：

函数 vListInitialiseItem()

如同列表一样，在定义列表项之后，也需要先对其进行初始化，只有初始化有的列表项，才能够被正常地使用。列表项初始化的过程，也是初始化列表项中的成员变量。 函数原型如下所示：

void vListInitialiseItem(ListItem_t * const pxItem);

--javascripttypescriptshellbashsqljsonhtmlcssccppjavarubypythongorustmarkdown

void vListInitialiseItem(
	ListItem_t * const pxItem)
{
	/* 初始化时，列表项所在列表设为空 */
	pxItem->pxContainer = NULL;
	/* 初始化用于检测列表项数据完整性的校验值 */
	listSET_FIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE( pxItem );
	listSET_SECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE( pxItem );
}

这个函数比较简单，只需将列表项所在列表设置为空，以保证列表项不再任何一个列表项中即可。函数 vListInitialiseItem()初始化后的列表项结构示意图， 如下图所示：

函数 vListInsertEnd()

此函数用于将待插入列表的列表项插入到列表 pxIndex 指针指向列表项的前面，是一种无序的插入方法。 函数原型如下所示：

void vListInsertEnd(
	List_t * const pxList,
		ListItem_t * const pxNewListItem);

--javascripttypescriptshellbashsqljsonhtmlcssccppjavarubypythongorustmarkdown

void vListInsertEnd(
	List_t * const pxList,
		ListItem_t * const pxNewListItem)
{
	/* 获取列表 pxIndex 指向的列表项 */
	ListItem_t * const pxIndex = pxList->pxIndex;
	/* 检查参数是否正确 */
	listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList );
	listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY( pxNewListItem );
	/* 更新待插入列表项的指针成员变量 */
	pxNewListItem->pxNext = pxIndex;
	pxNewListItem->pxPrevious = pxIndex->pxPrevious;
		/* 测试使用，不用理会 */
	mtCOVERAGE_TEST_DELAY();
	/* 更新列表中原本列表项的指针成员变量 */
	pxIndex->pxPrevious->pxNext = pxNewListItem;
	pxIndex->pxPrevious = pxNewListItem;
	/* 更新待插入列表项的所在列表成员变量 */
	pxNewListItem->pxContainer = pxList;
	/* 更新列表中列表项的数量 */
	( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

此函数就是将待插入的列表项插入到列表 pxIndex 指向列表项的前面，要注意的时， pxIndex 不一定指向 xListEnd，而是有可能指向列表中任意一个列表项。函数 vListInsertEnd()插入列表项后的列表结构示意图，如下图所示：

函数 vListInsert()

此函数用于将待插入列表的列表项按照列表项值升序排序的顺序，有序地插入到列表中。函数原型如下所示：

void vListInsert(List_t * const pxList,ListItem_t * const pxNewListItem); 

void vListInsert(
	List_t * const pxList,
	ListItem_t * const pxNewListItem)
{
	ListItem_t * pxIterator;
	const TickType_t xValueOfInsertion = pxNewListItem->xItemValue;
	/* 检查参数是否正确 */
	listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList );
	listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY( pxNewListItem );
	/* 如果待插入列表项的值为最大值 */
	if( xValueOfInsertion == portMAX_DELAY )
	{
		/* 插入的位置为列表 xListEnd 前面 */
		pxIterator = pxList->xListEnd.pxPrevious;
	}
	else
	{
		/* 遍历列表中的列表项，找到插入的位置 */
		for( pxIterator = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd );
			pxIterator->pxNext->xItemValue <= xValueOfInsertion;
				pxIterator = pxIterator->pxNext )
		{ 
		}
	}
	/* 将待插入的列表项插入指定位置 */
	pxNewListItem->pxNext = pxIterator->pxNext;
	pxNewListItem->pxNext->pxPrevious = pxNewListItem;
	pxNewListItem->pxPrevious = pxIterator;
	pxIterator->pxNext = pxNewListItem;
	/* 更新待插入列表项所在列表 */
	pxNewListItem->pxContainer = pxList;
	/* 更新列表中列表项的数量 */
	( pxList->uxNumberOfItems )++;
}

此函数在将待插入列表项插入列表之前，会前遍历列表，找到待插入列表项需要插入的位置。待插入列表项需要插入的位置是依照列表中列表项的值按照升序 排序确定的。函数 vListInsert()插入列表项后的列表结构示意图，如下图所示：

函数 uxListRemove()

此函数用于将列表项从列表项所在列表中移除，函数原型如下所示：

UBaseType_t uxListRemove(ListItem_t * const pxItemToRemove); 



UBaseType_t uxListRemove(
ListItem_t * const pxItemToRemove)
{
	List_t * const pxList = pxItemToRemove->pxContainer;
	/* 从列表中移除列表项 */
	pxItemToRemove->pxNext->pxPrevious = pxItemToRemove->pxPrevious;
	pxItemToRemove->pxPrevious->pxNext = pxItemToRemove->pxNext;
	/* 测试使用，不用理会 */
	mtCOVERAGE_TEST_DELAY();
	/* 如果 pxIndex 正指向待移除的列表项 */
	if( pxList->pxIndex == pxItemToRemove )
	{
		/* pxIndex 指向上一个列表项 */
		pxList->pxIndex = pxItemToRemove->pxPrevious;
	}
	else
	{
		mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
	}
	/* 将待移除列表项的所在列表指针清空 */
	pxItemToRemove->pxContainer = NULL;
	/* 更新列表中列表项的数量 */
	( pxList->uxNumberOfItems )--;
	/* 返回列表项移除后列表中列表项的数量 */
	return pxList->uxNumberOfItems;
}

函数 uxListRemove()移除后的列表项，依然于列表有着单向联系，即移除后列表项中用于指向上一个和下一个列表项的指针，依然指向列表中的列表项。 函数 uxListRemove()移除列表项后的列表结构示意图，如下图所示：

标签：FreeRTOS,LIST,列表,任务,用于,pxList,数据结构,INTEGRITY
From： https://blog.csdn.net/weixin_52849254/article/details/143262449

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