韦东山freeRTOS系列教程之第九章任务通知(Task Notifications)

Posted 2021-12-22 韦东山

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了韦东山freeRTOS系列教程之第九章任务通知(Task Notifications)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

系列教程总目录
概述
9.1 任务通知的特性
- 9.1.1 优势及限制
- 9.1.2 通知状态和通知值
9.2 任务通知的使用
9.3 示例22: 传输计数值
9.4 示例23: 传输任意值

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系列教程总目录

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概述

所谓"任务通知"，你可以反过来读"通知任务"。

我们使用队列、信号量、事件组等等方法时，并不知道对方是谁。使用任务通知时，可以明确指定：通知哪个任务。

使用队列、信号量、事件组时，我们都要事先创建对应的结构体，双方通过中间的结构体通信：

使用任务通知时，任务结构体TCB中就包含了内部对象，可以直接接收别人发过来的"通知"：

本章涉及如下内容：

任务通知：通知状态、通知值
任务通知的使用场合
任务通知的优势

9.1 任务通知的特性

9.1.1 优势及限制

任务通知的优势：

效率更高：使用任务通知来发送事件、数据给某个任务时，效率更高。比队列、信号量、事件组都有大的优势。
更节省内存：使用其他方法时都要先创建对应的结构体，使用任务通知时无需额外创建结构体。

任务通知的限制：

不能发送数据给ISR：
ISR并没有任务结构体，所以无法使用任务通知的功能给ISR发送数据。但是ISR可以使用任务通知的功能，发数据给任务。
数据只能给该任务独享
使用队列、信号量、事件组时，数据保存在这些结构体中，其他任务、ISR都可以访问这些数据。使用任务通知时，数据存放入目标任务中，只有它可以访问这些数据。
在日常工作中，这个限制影响不大。因为很多场合是从多个数据源把数据发给某个任务，而不是把一个数据源的数据发给多个任务。
无法缓冲数据
使用队列时，假设队列深度为N，那么它可以保持N个数据。
使用任务通知时，任务结构体中只有一个任务通知值，只能保持一个数据。
无法广播给多个任务
使用事件组可以同时给多个任务发送事件。
使用任务通知，只能发个一个任务。
如果发送受阻，发送方无法进入阻塞状态等待
假设队列已经满了，使用xQueueSendToBack()给队列发送数据时，任务可以进入阻塞状态等待发送完成。
使用任务通知时，即使对方无法接收数据，发送方也无法阻塞等待，只能即刻返回错误。

9.1.2 通知状态和通知值

每个任务都有一个结构体：TCB(Task Control Block)，里面有2个成员：

一个是uint8_t类型，用来表示通知状态
一个是uint32_t类型，用来表示通知值

typedef struct tskTaskControlBlock

    ......
    /* configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES = 1 */
    volatile uint32_t ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    volatile uint8_t ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    ......
 tskTCB;

通知状态有3种取值：

taskNOT_WAITING_NOTIFICATION：任务没有在等待通知
taskWAITING_NOTIFICATION：任务在等待通知
taskNOTIFICATION_RECEIVED：任务接收到了通知，也被称为pending(有数据了，待处理)

#define taskNOT_WAITING_NOTIFICATION              ( ( uint8_t ) 0 )  /* 也是初始状态 */
#define taskWAITING_NOTIFICATION                  ( ( uint8_t ) 1 )
#define taskNOTIFICATION_RECEIVED                 ( ( uint8_t ) 2 )

通知值可以有很多种类型：

计数值
位(类似事件组)
任意数值

9.2 任务通知的使用

使用任务通知，可以实现轻量级的队列(长度为1)、邮箱(覆盖的队列)、计数型信号量、二进制信号量、事件组。

9.2.1 两类函数

任务通知有2套函数，简化版、专业版，列表如下：

简化版函数的使用比较简单，它实际上也是使用专业版函数实现的
专业版函数支持很多参数，可以实现很多功能

	简化版	专业版
发出通知	xTaskNotifyGive vTaskNotifyGiveFromISR	xTaskNotify xTaskNotifyFromISR
取出通知	ulTaskNotifyTake	xTaskNotifyWait

9.2.2 xTaskNotifyGive/ulTaskNotifyTake

在任务中使用xTaskNotifyGive函数，在ISR中使用vTaskNotifyGiveFromISR函数，都是直接给其他任务发送通知：

使得通知值加一
并使得通知状态变为"pending"，也就是taskNOTIFICATION_RECEIVED，表示有数据了、待处理

可以使用ulTaskNotifyTake函数来取出通知值：

如果通知值等于0，则阻塞(可以指定超时时间)
当通知值大于0时，任务从阻塞态进入就绪态
在ulTaskNotifyTake返回之前，还可以做些清理工作：把通知值减一，或者把通知值清零

使用ulTaskNotifyTake函数可以实现轻量级的、高效的二进制信号量、计数型信号量。

这几个函数的原型如下：

BaseType_t xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify );

void vTaskNotifyGiveFromISR( TaskHandle_t xTaskHandle, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait );

xTaskNotifyGive函数的参数说明如下：

参数	说明
xTaskToNotify	任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
返回值	必定返回pdPASS

vTaskNotifyGiveFromISR函数的参数说明如下：

参数	说明
xTaskHandle	任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
pxHigherPriorityTaskWoken	被通知的任务，可能正处于阻塞状态。此函数发出通知后，会把它从阻塞状态切换为就绪态。如果被唤醒的任务的优先级，高于当前任务的优先级，则"*pxHigherPriorityTaskWoken"被设置为pdTRUE，这表示在中断返回之前要进行任务切换。

ulTaskNotifyTake函数的参数说明如下：

参数	说明
xClearCountOnExit	函数返回前是否清零： pdTRUE：把通知值清零 pdFALSE：如果通知值大于0，则把通知值减一
xTicksToWait	任务进入阻塞态的超时时间，它在等待通知值大于0。 0：不等待，即刻返回； portMAX_DELAY：一直等待，直到通知值大于0；其他值：Tick Count，可以用`pdMS_TO_TICKS()`把ms转换为Tick Count
返回值	函数返回之前，在清零或减一之前的通知值。如果xTicksToWait非0，则返回值有2种情况： 1. 大于0：在超时前，通知值被增加了 2. 等于0：一直没有其他任务增加通知值，最后超时返回0

9.2.3 xTaskNotify/xTaskNotifyWait

xTaskNotify 函数功能更强大，可以使用不同参数实现各类功能，比如：

让接收任务的通知值加一：这时xTaskNotify()等同于xTaskNotifyGive()
设置接收任务的通知值的某一位、某些位，这就是一个轻量级的、更高效的事件组
把一个新值写入接收任务的通知值：上一次的通知值被读走后，写入才成功。这就是轻量级的、长度为1的队列
用一个新值覆盖接收任务的通知值：无论上一次的通知值是否被读走，覆盖都成功。类似xQueueOverwrite()函数，这就是轻量级的邮箱。

xTaskNotify()比xTaskNotifyGive()更灵活、强大，使用上也就更复杂。xTaskNotifyFromISR()是它对应的ISR版本。

这两个函数用来发出任务通知，使用哪个函数来取出任务通知呢？

使用xTaskNotifyWait()函数！它比ulTaskNotifyTake()更复杂：

可以让任务等待(可以加上超时时间)，等到任务状态为"pending"(也就是有数据)
还可以在函数进入、退出时，清除通知值的指定位

这几个函数的原型如下：

BaseType_t xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue, eNotifyAction eAction );

BaseType_t xTaskNotifyFromISR( TaskHandle_t xTaskToNotify,
                               uint32_t ulValue, 
                               eNotifyAction eAction, 
                               BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

BaseType_t xTaskNotifyWait( uint32_t ulBitsToClearOnEntry, 
                            uint32_t ulBitsToClearOnExit, 
                            uint32_t *pulNotificationValue, 
                            TickType_t xTicksToWait );

xTaskNotify函数的参数说明如下：

参数	说明
xTaskToNotify	任务句柄(创建任务时得到)，给哪个任务发通知
ulValue	怎么使用ulValue，由eAction参数决定
eAction	见下表
返回值	pdPASS：成功，大部分调用都会成功 pdFAIL：只有一种情况会失败，当eAction为eSetValueWithoutOverwrite，并且通知状态为"pending"(表示有新数据未读)，这时就会失败。

eNotifyAction参数说明：

eNotifyAction取值	说明
eNoAction	仅仅是更新通知状态为"pending"，未使用ulValue。这个选项相当于轻量级的、更高效的二进制信号量。
eSetBits	通知值 = 原来的通知值 \| ulValue，按位或。相当于轻量级的、更高效的事件组。
eIncrement	通知值 = 原来的通知值 + 1，未使用ulValue。相当于轻量级的、更高效的二进制信号量、计数型信号量。相当于`xTaskNotifyGive()`函数。
eSetValueWithoutOverwrite	不覆盖。如果通知状态为"pending"(表示有数据未读)，则此次调用xTaskNotify不做任何事，返回pdFAIL。如果通知状态不是"pending"(表示没有新数据)，则：通知值 = ulValue。
eSetValueWithOverwrite	覆盖。无论如何，不管通知状态是否为"pendng"，通知值 = ulValue。

xTaskNotifyFromISR函数跟xTaskNotify很类似，就多了最后一个参数pxHigherPriorityTaskWoken。在很多ISR函数中，这个参数的作用都是类似的，使用场景如下：

被通知的任务，可能正处于阻塞状态
xTaskNotifyFromISR函数发出通知后，会把接收任务从阻塞状态切换为就绪态
如果被唤醒的任务的优先级，高于当前任务的优先级，则"*pxHigherPriorityTaskWoken"被设置为pdTRUE，这表示在中断返回之前要进行任务切换。

xTaskNotifyWait函数列表如下：

参数	说明
ulBitsToClearOnEntry	在xTaskNotifyWait入口处，要清除通知值的哪些位？通知状态不是"pending"的情况下，才会清除。它的本意是：我想等待某些事件发生，所以先把"旧数据"的某些位清零。能清零的话：通知值 = 通知值 & ~(ulBitsToClearOnEntry)。比如传入0x01，表示清除通知值的bit0；传入0xffffffff即ULONG_MAX，表示清除所有位，即把值设置为0
ulBitsToClearOnExit	在xTaskNotifyWait出口处，如果不是因为超时推出，而是因为得到了数据而退出时：通知值 = 通知值 & ~(ulBitsToClearOnExit)。在清除某些位之前，通知值先被赋给"*pulNotificationValue"。比如入0x03，表示清除通知值的bit0、bit1；传入0xffffffff即ULONG_MAX，表示清除所有位，即把值设置为0
pulNotificationValue	用来取出通知值。在函数退出时，使用ulBitsToClearOnExit清除之前，把通知值赋给"*pulNotificationValue"。如果不需要取出通知值，可以设为NULL。
xTicksToWait	任务进入阻塞态的超时时间，它在等待通知状态变为"pending"。 0：不等待，即刻返回； portMAX_DELAY：一直等待，直到通知状态变为"pending"；其他值：Tick Count，可以用`pdMS_TO_TICKS()`把ms转换为Tick Count
返回值	1. pdPASS：成功这表示xTaskNotifyWait成功获得了通知：可能是调用函数之前，通知状态就是"pending"；也可能是在阻塞期间，通知状态变为了"pending"。 2. pdFAIL：没有得到通知。

9.3 示例22: 传输计数值

本节源码是FreeRTOS_22_tasknotify_tansfer_count，基于FreeRTOS_13_semaphore_circle_buffer修改。

本程序创建2个任务：

发送任务：把数据写入唤醒缓冲区，使用xTaskNotifyGive()让通知值加一
接收任务：使用ulTaskNotifyTake()取出通知值，这表示字符数，打印字符

main函数代码如下：

int main( void )

	prvSetupHardware();

	/* 创建1个任务用于发送任务通知
	 * 优先级为2
	 */
	xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

	/* 创建1个任务用于接收任务通知
	 * 优先级为1
	 */
	 xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, &xRecvTask );

	/* 启动调度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：

A：发送任务优先级最高，先执行。连续存入3个字符、发出3次任务通知：通知值累加为3
B：发送任务阻塞，让接收任务能执行
C：接收任务读到通知值为3，并把通知值清零
D：把3个字符依次读出、打印
E：再次读取任务通知，阻塞

运行结果如下图所示：

本程序使用xTaskNotifyGive/ulTaskNotifyTake实现了轻量级的计数型信号量，代码更简单：

无需创建信号量
消耗内存更少
效率更高

信号量是个公开的资源，任何任务、ISR都可以使用它：可以释放、获取信号量。

而本节程序中，发送任务只能给指定的任务发送通知，目标明确；接收任务只能从自己的通知值中得到数据，来源明确。

9.4 示例23: 传输任意值

本节源码是FreeRTOS_23_tasknotify_tansfer_value。

在上述例子中使用任务通知来传输计数值、传输通知。

本节程序使用任务通知来传输任意数据，它创建2个任务：

发送任务：把数据通过xTaskNotify()发送给其他任务
接收任务：使用xTaskNotifyWait取出通知值，这表示字符，并打印出来

main函数代码如下：

int main( void )

	prvSetupHardware();

	/* 创建1个任务用于发送任务通知
	 * 优先级为2
	 */
	xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

	/* 创建1个任务用于接收任务通知
	 * 优先级为1
	 */
	 xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, &xRecvTask );

	/* 启动调度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;