FreeRTOS 任务创建、调度与状态管理

FreeRTOS 任务是由调度器管理的执行流。每个任务都有自己的栈和任务控制块，借助句柄访问公共 API。本文以单核、抢占式 FreeRTOS-Kernel V11.1.0 为例；合作式调度、SMP 及不同移植的行为需另查配置。

从循环到抢占调度

图左用主循环依次处理工作，图右允许高优先级就绪任务抢占低优先级任务。图中关于前后台“实时性差”的标签需要结合负载理解：足够短且有界的循环也能满足时限；RTOS 同样不会自动消除长临界区、优先级反转和 CPU 超载。

任务优先级范围为 0 到 configMAX_PRIORITIES - 1，数值越大，任务优先级越高。这与 Cortex-M NVIC 中断优先级的数值方向不同。高优先级任务应在无工作时阻塞，让其他任务获得 CPU；持续占用 CPU 的最高优先级任务可使低优先级任务长期无法运行。

创建任务：动态内存、静态内存与寿命

xTaskCreate() 动态申请 TCB 和栈，返回状态并可输出句柄。xTaskCreateStatic() 使用调用者提供的 TCB 和栈，成功时直接返回句柄。相应接口必须在配置中启用；静态任务的内存以及任务参数指向的对象都必须活到任务结束，不能使用即将离开函数的自动局部数组。

下面保留 LED 优先级 2、KEY 优先级 3 的配置意图，改为调度器启动前统一创建并检查失败。外部任务函数由应用实现，必须循环运行或调用 vTaskDelete(NULL)，不能普通 return。

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

extern void LED_Task(void *argument);
extern void KEY_Task(void *argument);
extern void Monitor_Task(void *argument);

static TaskHandle_t led_handle;
static TaskHandle_t key_handle;
static TaskHandle_t monitor_handle;
static StaticTask_t monitor_tcb;
static StackType_t monitor_stack[256];

BaseType_t app_tasks_create_before_scheduler(void)
{
    if (xTaskCreate(LED_Task, "LED_Task", 512, NULL, 2,
                    &led_handle) != pdPASS) {
        return pdFAIL;
    }
    if (xTaskCreate(KEY_Task, "KEY_Task", 512, NULL, 3,
                    &key_handle) != pdPASS) {
        vTaskDelete(led_handle);
        led_handle = NULL;
        return pdFAIL;
    }
    monitor_handle = xTaskCreateStatic(Monitor_Task, "Monitor", 256,
                                       NULL, 1, monitor_stack,
                                       &monitor_tcb);
    if (monitor_handle == NULL) {
        vTaskDelete(key_handle);
        vTaskDelete(led_handle);
        key_handle = NULL;
        led_handle = NULL;
        return pdFAIL;
    }
    return pdPASS;
}

此函数由应用调用一次。512 和 256 是栈元素数，不是字节数；GCC ARM_CM3 中分别为 2048 和 1024 字节。它们仍是待实测的初值，不是 HAL、打印或浮点代码的通用安全值。原学习例子中的 100 元素也不能直接作为所有任务的栈预算。应结合栈溢出检测、最坏调用路径及运行水位测量调整。

图中栈向低地址增长符合本文 ARM_CM3 移植，但 heap_1、heap_4、静态分配等不保证图示 TCB/栈紧邻布局。任务创建顺序、栈地址高低和“最后创建的是 Task3”都不能单独推导谁先运行；调度器看就绪任务的优先级和调度策略。

删除任务与初始化任务

vTaskDelete(other_handle) 删除指定任务，vTaskDelete(NULL) 删除调用任务自身。使用 INCLUDE_vTaskDelete = 1。任务“创建了另一个任务”不建立自动删除的父子关系：初始化任务删除后，已创建的 LED/KEY 任务仍独立存在。

自删除任务的动态内核资源通常由 Idle 任务后续回收；应用自行申请的缓冲区、持有的互斥量和外设资源不会自动得到业务层清理。删除其他任务也必须先协调其资源和通信对象，不能把强制删除当成通用取消协议。

原初始化示例在 taskENTER_CRITICAL() 后自删除，再写 taskEXIT_CRITICAL()，这破坏了成对退出的要求。更简单的方式是采用上面的启动前创建；若必须使用初始化任务，先完成初始化、处理所有失败并离开临界区，再在最后自删除，且后面不再安排需要执行的清理代码。

Tick、时间片与周期任务

Tick 的名义周期为 $1/\text{configTICK\_RATE\_HZ}$。100 Hz 是 10 ms，1000 Hz 是 1 ms。原 Win32 模拟工程中的 1000 Hz、configMINIMAL_STACK_SIZE = 60 带有宿主线程栈等特定假设，不能照搬为 STM32 的堆栈或实时性依据。

调度器不是每个 Tick 轮询调用一遍所有任务。Tick 会推进超时等内核状态；任务阻塞、主动让出、创建更高优先级任务，以及 ISR 唤醒任务，也可能触发调度。开启抢占和 configUSE_TIME_SLICING 后，同优先级就绪任务可在 Tick 驱动下轮转；高优先级未阻塞任务不会因为低优先级任务“轮到时间片”而被它抢占。

vTaskDelay(n) 从当前时刻等待相对 Tick 数；xTaskDelayUntil() 以保存的基准推进周期释放时刻。后者减少“工作时间叠加进周期”的漂移，但不能保证每次都在该时刻真正获得 CPU，更不能弥补执行超时。

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

extern void sample_inputs(void);

void periodic_input_task(void *argument)
{
    (void)argument;
    const TickType_t period = pdMS_TO_TICKS(10);
    configASSERT(period > 0);
    TickType_t release = xTaskGetTickCount();
    for (;;) {
        sample_inputs();
        /* 返回 pdFALSE 可能说明下一个释放时刻已经到达。 */
        (void)xTaskDelayUntil(&release, period);
    }
}

这里的接口需要 INCLUDE_xTaskDelayUntil = 1。旧版或兼容宏常见名称 vTaskDelayUntil，应按项目版本使用。短延时可能因调用发生在 Tick 边界附近而少于完整的 N 个 Tick 周期；被解除阻塞也只是进入就绪状态。

状态及九类转换

状态	含义
Ready，就绪	可以执行，等待获得 CPU
Running，运行	当前正在占用 CPU；本文单核同一时刻只有一个运行任务
Blocked，阻塞	等待延时、队列、信号量或通知等条件，可能带超时
Suspended，挂起	显式暂停，不由普通等待超时恢复；调试器仍可观察它

按原图序号理解这些逻辑转换：

1. 创建成功后进入就绪集合；若调度器已启动且允许抢占，可能很快运行。
2. 调度器选中就绪任务，使其运行。
3. 运行任务被更高优先级任务抢占，或在适用配置下让出同级 CPU，回到就绪状态。
4. 运行任务请求延时或等待未就绪的同步对象，进入阻塞状态。显式 vTaskSuspend() 对应挂起，不能与阻塞混称。
5. 等待条件满足或超时，阻塞任务重新就绪；是否立即运行还取决于优先级和调度状态。
6. 对就绪任务调用 vTaskSuspend()，使其挂起。
7. 对阻塞任务调用 vTaskSuspend()，取消其当前等待调度状态并挂起；应用须自行协调业务协议。
8. 运行任务可 vTaskSuspend(NULL) 自行挂起。
9. vTaskResume() 或符合中断约束的 xTaskResumeFromISR() 可恢复显式挂起任务。正确的 ISR 接口名以 x 开头。

这是应用层状态模型；内核内部可能使用挂起链表承载无限期等待等实现细节，不能仅凭内部链表名推断应用状态。

API	关键约束
vTaskSuspend() / vTaskResume()	操作指定任务的显式挂起状态；启用 INCLUDE_vTaskSuspend
xTaskResumeFromISR()	ISR 版本，返回是否需要请求切换；核对中断优先级限制
vTaskSuspendAll() / xTaskResumeAll()	暂停/恢复调度器，可嵌套；当前任务仍执行，中断仍可发生
vTaskDelete()	删除任务；先清理和协调应用资源
vTaskDelay()	以 Tick 为单位的相对阻塞等待
xTaskDelayUntil()	基于上次计划释放时刻的周期等待

vTaskSuspendAll() 并不是把所有任务逐个变成 Suspended，其配对函数也不是 vTaskResume()。调度器锁定期间不要调用可能阻塞或切换任务的 API。

“恢复”不会为将来的一次挂起储存事件。如果中断先执行恢复，而任务随后才挂起，唤醒会丢失。需要保存事件时使用队列、信号量或任务通知，并明确采用计数、位或覆盖值语义。

临界区与互斥量

任务临界区适合短小、不能阻塞的操作，进入退出必须严格成对。在本文 Cortex-M3 移植中，FreeRTOS 主要通过 BASEPRI 屏蔽允许调用内核的中断；更高紧迫性的中断仍能执行。因此临界区不能自动保护与这些中断共享的数据。

互斥量用于任务之间的资源所有权，可在等待时阻塞，并可提供优先级继承；ISR 不能获取或释放普通互斥量。调度器锁也不会阻止中断访问共享数据。选择方法前先说明“哪些任务和中断会访问对象”，再控制保护范围，不在临界区内打印、等待外设或阻塞。

参考

• FreeRTOS V11.1.0 任务 API 与完整接口注释
• V11.1.0 任务实现
• ARM_CM3 调度和临界区实现