FreeRTOS——TCB任务控制块、任务句柄、任务栈详解

任务控制块结构体

任务控制块是 FreeRTOS 中用于描述和管理任务的数据结构，包含了任务的状态、优先级、堆栈等信息。

TCB_t的全称为Task Control Block，也就是任务控制块，这个结构体包含了一个任务所有的信息，它的定义以及相关变量的解释如下：

typedef struct tskTaskControlBlock             {// 这里栈顶指针必须位于TCB第一项是为了便于上下文切换操作，详见xPortPendSVHandler中任务切换的操作。volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    // MPU相关暂时不讨论#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )xMPU_SETTINGS    xMPUSettings;        #endif// 表示任务状态，不同的状态会挂接在不同的状态链表下ListItem_t            xStateListItem;    // 事件链表项，会挂接到不同事件链表下ListItem_t            xEventListItem;        // 任务优先级，数值越大优先级越高UBaseType_t            uxPriority;            // 指向堆栈起始位置，这只是单纯的一个分配空间的地址，可以用来检测堆栈是否溢出StackType_t            *pxStack;            // 任务名char                pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];// 指向栈尾，可以用来检测堆栈是否溢出#if ( ( portSTACK_GROWTH > 0 ) || ( configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS == 1 ) )StackType_t        *pxEndOfStack;        #endif// 记录临界段的嵌套层数#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )UBaseType_t        uxCriticalNesting;    #endif// 跟踪调试用的变量#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t        uxTCBNumber;        UBaseType_t        uxTaskNumber;        #endif// 任务优先级被临时提高时，保存任务原本的优先级#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )UBaseType_t        uxBasePriority;        UBaseType_t        uxMutexesHeld;#endif// 任务的一个标签值，可以由用户自定义它的意义，例如可以传入一个函数指针可以用来做Hook    函数调用#if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )TaskHookFunction_t pxTaskTag;#endif// 任务的线程本地存储指针，可以理解为这个任务私有的存储空间#if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )void            *pvThreadLocalStoragePointers[     configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];#endif// 运行时间变量#if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )uint32_t        ulRunTimeCounter;    #endif// 支持NEWLIB的一个变量#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )struct    _reent xNewLib_reent;#endif// 任务通知功能需要用到的变量#if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )// 任务通知的值 volatile uint32_t ulNotifiedValue;// 任务通知的状态volatile uint8_t ucNotifyState;#endif// 用来标记这个任务的栈是不是静态分配的#if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 ) uint8_t    ucStaticallyAllocated;         #endif// 延时是否被打断#if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )uint8_t ucDelayAborted;#endif// 错误标识#if( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 )int iTaskErrno;#endif} tskTCB;typedef tskTCB TCB_t;

栈顶指针必须为TCB结构体的第一项，原因是栈顶指针与我们的任务上下文保存、任务切换和任务恢复等操作息息相关。

每个任务都有自己的任务控制块，类似身份证。

TCB结构体中portSTACK_GROWTH>0表示栈是向上生长，<0表示栈是向下生长，我们STM32的栈是高地址往低地址存储，是向下生长的；而堆是低地址往高地址生长，是向上生长的。

任务句柄

任务句柄（Task Handle）是在 FreeRTOS 中用于标识和引用任务的数据类型。每个创建的任务都会分配一个唯一的任务句柄，通过该句柄可以对任务进行操作和管理。

任务句柄是一个指向任务控制块（Task Control Block，TCB）的指针。

使用任务句柄，可以通过 FreeRTOS 提供的 API 函数对任务进行操作，例如挂起（suspend）、恢复（resume）、删除（delete）任务，或者查询任务的状态等。另外，任务句柄还可以用于任务通信和同步的机制，例如向任务发送信号量或消息。

在创建任务时，通过调用 FreeRTOS 提供的任务创建函数（例如 xTaskCreate()）可以获取到相应任务的句柄。你可以将该句柄保存在一个变量中，以便后续对该任务进行操作或引用。

任务句柄提供了一种有效的方式来管理和操作 FreeRTOS 中的任务。通过使用任务句柄，可以方便地对任务进行控制和监视。

任务栈

图解

任务创建 static void prvInitialiseNewTask(…)
这个函数用于创建新的任务，其中的 “prv” 表示该函数是一个私有函数，只用于内部处理和初始化新任务的操作。对于外部使用者来说，应该使用公开的 API 函数来创建和管理任务，而不是直接调用 “prvInitialiseNewTask”。
这个函数被 TaskHandle_t xTaskCreateStatic() 函数调用
函数源代码如下：

static void prvInitialiseNewTask( 	TaskFunction_t pxTaskCode,              /* 任务入口 */const char * const pcName,              /* 任务名称，字符串形式 */const uint32_t ulStackDepth,            /* 任务栈大小，单位为字 */void * const pvParameters,              /* 任务形参 */TaskHandle_t * const pxCreatedTask,     /* 任务句柄 */TCB_t *pxNewTCB )                       /* 任务控制块指针 */{StackType_t *pxTopOfStack; //栈顶UBaseType_t x;	/* 获取栈顶地址 */pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );//pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );/* 向下做8字节对齐 */pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );	/* 将任务的名字存储在TCB中 */for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ ){pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];if( pcName[ x ] == 0x00 ){break;}}/* 任务名字的长度不能超过configMAX_TASK_NAME_LEN */pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';/* 初始化TCB中的xStateListItem节点 */vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );/* 设置xStateListItem节点的拥有者 */listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );/* 初始化任务栈 */pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );   /* 让任务句柄指向任务控制块 */if( ( void * ) pxCreatedTask != NULL ){		*pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;}
}

初始化任务栈 StackType_t *pxPortInitialiseStack(…)

详细存储见下图：

初始化任务栈的作用是保存当前上下文的任务信息，以供我们后续任务切换所使用。

总结：

任务控制块是存储任务信息的载体，每个任务都有对应自己的任务控制块，我们在创建完任务之后，生成了任务对应的任务控制块，我们所定义的对应任务句柄在任务创建完成之后，就会指向我们的任务控制块，相当于我们可以通过任务句柄，间接去控制和管理我们的任务，而任务栈则是一些寄存器的载体，任务栈通过栈顶地址的加减，去存储一些寄存器信息，进而去设置任务的模式以及一些任务切换时所需要的信息，例如将任务栈中的PC寄存器存储了该任务的函数指针，在进行任务切换时，就可以调出PC寄存器存储的信息，进而找到相应的任务函数去执行，任务栈也为该任务预留了一些寄存器的空间，方便后面的使用。